橡胶坝塌肩现象特性分析及长效除控对策研究

吕孝林，董 瑞

(龙门景区伊河管理站，河南 洛阳 471000)

橡胶坝是近年来水工结构中随着材料的发展而出现的一种新型产物[1]，橡胶坝内部结构剖切图见图1。橡胶坝以其优点多，用途广泛而著称，自20世纪90年代以来在我国得到迅速发展[2]。其主要具有以下优点：(1)造价低；(2)节省钢材﹑水泥﹑木材三种建筑材料；(3)结构简单、工期短、操作灵活；(4)不阻水；(5)不漏水、止水效果好；(6)抗震性能好；(7)耐海水腐蚀性能优越。

图1 橡胶坝内部结构剖切图 图2实际工程中橡胶坝端头出现的塌肩现象

然而，橡胶坝端头在安全服役的过程中两边端头通常会出现塌肩现象。这种现象会使橡胶坝端头的实际挡水位达不到最初设计的正常蓄水位，严重时会对工程效益造成影响，实际工程中橡胶坝端头出现的塌肩现象见图2。已有统计结果表明，我国已建橡胶坝高度均未超过6.0 m。这是因为2.0～6.0 m坝高的橡胶坝普遍存在塌肩现象，坝高4.0～6.0 m坝高橡胶坝的塌肩更加明显，而已建成的0～2.0 m坝高的橡胶坝基本上不存在塌肩现象。表征随着坝袋设计高度的增高，坝头塌肩现象呈增大趋势。在设计坝高大于4.0 m的枕式橡胶坝中，其两端的塌肩高度通常均不低于设计高度的5%[3]。

若橡胶坝端头出现塌肩现象，则可能是建造了一座隐患、病害的新型水利工程，具体表现为：(1)两端的塌肩会降低整体橡胶坝的设计坝高，形成“木桶效应”而达不到预期工程效益；(2)橡胶坝全断面溢流不均匀，其整体景观效果亦不美观；(3)橡胶坝坝袋内压比增大，对工程坝体的正常服役带来安全隐患。根据上述分析可知，塌肩现象的产生一直是困扰橡胶坝安全运行的一个难题。为了使橡胶坝能够更好的正常运行，减少塌肩现象对工程效益的影响，探研橡胶坝塌肩现象长效除控对策具有重要意义。

1 橡胶坝端头塌肩因素分析

橡胶坝充坝安全服役时，坝体两端坝袋受自身重力、水压力以及坝袋受袋内纬向水压力的作用，坝袋与中、边墩的边墙会产生静摩擦力[4]。这种摩擦力在橡胶坝运行时随着周围环境的变化会发生一个动态的改变，因为随着坝袋内外压比、充坝高度的不断增加，其接触面积亦会逐渐增大，使得这种静摩擦力逐渐变大。当坝袋内压比超过1.0时，其袋内的水压力对坝袋形成一个斜向拉力，由水力学知识可知，该斜向拉力会随充坝高度的升高、内压比的增大而增大。

由于橡胶坝袋是一种新型的柔性薄壳体坝，服役过程中当坝袋达到一定的龄期，就会出现老化现象，造成其安全性能下降，表现为坝袋的弹性变形逐渐变小，坝袋与端墙接触处出现褶皱的几率变大，最终使得坝袋与端墙间的静摩擦力变大。一方面，受水流的影响，橡胶坝坝体两端亦会由于伸展不开而形成不规则的褶皱；另一方面，坝袋与端墙产生的静摩擦力、坝袋自重均大于作用在坝袋上的水荷载形成的斜向拉力，所以橡胶坝端部坝袋不能充分展开，造成坝袋端部塌肩现象[5]。

通过以上分析，可知影响枕式橡胶坝端头塌肩的因素。这里将其归纳为3点：(1)边墙和中墩面糙率大，使得坝袋端头与其产生了较大的摩擦力，阻碍了橡胶坝端头的抬起。(2)坝袋内外压比值大，而对边墙或中墩正压力大，则摩擦力也大，增加坝袋塌肩量。(3)坝袋端头粘接工艺。枕式橡胶坝在加工制作时，其坝袋端头位置粘合了堵头胶布，因橡胶坝坝袋胶布有一定的硬度，故在搭接缝位置上会形成如图3所示的一个圆弧，使得充坝挡水时在坝袋与堵头结合位置形成圆弧形塌肩[6]。

图3 橡胶坝的圆弧形塌肩

2 塌肩长效除控对策

2.1 塌肩现象长效除控措施

针对橡胶坝的塌肩现象，结合大坝运行环境特点，总结并提出了橡胶坝塌肩现象的8种长效除控措施[7-8]。

(1)增加中边墩墙表面光滑度。降低坝袋与墩墙之间摩擦系数，例如，将墩墙表面整镶不锈钢板、贴大理石、涂环氧树脂等。

(3)采用自动化起吊设备，辅以人工踩踏坝头方式。在未充坝前，借助起吊设备将端部坝袋全部展开至设计高度，同时辅以人工踩踏端部坝袋，使坝袋尽量展开而不形成褶皱。

(4)安装刚性“牛腿”。安装“牛腿”是处理枕式橡胶坝较常用的手段，安装“牛腿”橡胶坝示意图见图4，枕式橡胶坝囊体采用“一布两胶”橡胶坝布制作，一块坝布，两边用螺栓压条固定在牛腿下边沿，囊体内壁粘袋体，将10 kg左右的砂石袋装在袋内，使囊体自然下垂，从而达到适应不同塌肩程度的情况。这种方案效果直接有效，但在坝袋塌坝或低坝高运行时，外观效果较差，行洪时会影响泄洪。

图4 安装“牛腿”橡胶坝示意图 图5 墙内错固

(5)墙内锚固。堵头胶布在压板边缘形成接近垂直向上的形式，墙内错固图见图5，这种方式可以减少堵头胶布贴墙长度。此外，由于堵头胶布不发生变形，不宜产生导致被撕裂的应力，即消除了因锚固而造成堵头塌肩的因素。

(6)坝袋肩部粘附囊体。根据橡胶坝袋塌肩大小，制作一些囊体，粘附在橡胶坝端部顶点，以弥补塌肩所形成的空隙，从而达到挡水效果。

(7)增加堵头胶布刚性。增加堵头胶布刚性，提高堵头胶布的抗折皱能力。具体方法为：在现有橡胶坝堵头胶布的中下部位(易形成折皱部位)，增贴一层较大厚度和硬度的坝袋胶布，从而增大坝袋堵头胶布刚性，增加堵头胶布刚性方案图见图6。

图6 增加堵头胶布刚性方案图

粘补用胶布：“三布四胶”，蓝色，厚度不小于10 mm，宽度每件0.8 m左右，长度2.5 m，每个堵头贴六块，从而增加堵头胶布刚性，减少折皱产生几率。

(8)坝头充气。借鉴充气橡胶坝不易塌肩的特点，在坝袋充水前，先往坝袋内充一些空气，使坝袋堵头鼓起，坝袋充胀过程中由于气体的支撑和浮力，使坝袋堵头不易下坠，从而达到防止折皱产生的效果。若试验成功，需加装充气管路和安装自动排气阀(超压自动排气)。

2.2 无塌肩橡胶坝结构设计方案

针对现行橡胶坝出现的塌肩现象，设计了一种无塌肩橡胶坝结构方案，即斜坡直墙式连接型式橡胶坝。具体步骤为：首先，在距离端部中边墩1.0 m以内起坡，其坡比不小于1。其次，确定橡胶坝坝袋的设计高度，再根据>1的坡比计算斜坡的高度，起坡的高度相对抬高了无塌肩橡胶坝结构坝底板的锚固高度。最后，将坝袋展铺于设计的斜坡上，结构坝袋充水时将直接紧贴于中边墩上，其坝袋下部会伸展而不易出现褶皱，上部剩余坝袋设计限高2.0 m以内即可。垂直水流方向的斜坡橡胶坝的坝袋长度需等于河床的湿周，即满足了坝袋塌坝放水时坝袋平铺于底板、不阻水的基本要求。此外，由于斜坡段立坝蓄水时全部在水面以下，这样设计既美观又从本质上消除控制橡胶坝的塌肩现象。

2.2.1 无塌肩橡胶坝结构对行洪的影响

根据上述设计方案，计算一下无塌肩橡胶坝结构方案对行洪的影响，假定一橡胶坝的坝高位4.0 m，其斜坡边坡比为m=1，根据上述步骤可知，斜坡高度为=1.0 m，斜坡坡长为=1.4 m，塌肩高度=4.0-1.0-1.4=1.6 m<2 m，斜坡段面积S=0.5×1×1×2=1 m2，可知所提方案基本不影响行洪。

2.2.2 无塌肩橡胶坝结构高度的设计

图7 无塌肩橡胶坝结构设计图

根据上述无塌肩橡胶坝结构设计方案的步骤，将已知条件代入计算式可得：h塌高≤2 m，符合设计要求。无塌肩橡胶坝结构各段坝高的计算结果见图8。

图8 无塌肩橡胶坝结构计算结果

由图8可知，当h≤2.0 m时，h塌高≤2.0 m，可不设斜坡段即为直墙式橡胶坝；当h>2.0 m时，设置斜坡段后，h塌高<2.0 m，满足设计要求。综上所述，橡胶坝的设计坝高值较大时，坡比宜选择较大值；设计坝高值较小时，坡比宜选择较小值更符合实际要求。

3 结语

橡胶坝以其结构简单而发展迅速，在我国水利建设事业中发挥了巨大作用。但是橡胶坝塌肩现象这一问题始终是橡胶坝行业中的难题，为了使橡胶坝能够更好的正常运行，立足于减少塌肩现象对工程效益的影响，提出了相应的塌肩长效除控措施及一种无塌肩现象橡胶坝的设计方案，初步完善了橡胶坝的塌肩问题。橡胶坝是随着科学技术的发展而诞生的一种新型坝，在发展过程中仍存在一些缺陷和问题，在实践过程中需要不断探索和完善。