橡胶坝在滕州市城河坞沟除险加固工程中的应用

2021-10-09冯文刚

陕西水利 2021年9期

冯文刚

（北京中水利德科技发展有限公司,北京 100000）

1 引言

拦河建筑物修建可以改善当地水面面积,有利于河道生态环境打造,同时可改善河道防洪能力不足的现状,具有十分重要的意义[1-3]。橡胶坝[4-5]是一种较为常用的拦河建筑物,结合滕州市城河坞沟除险加固工程,对橡胶坝在河道治理工程的应用进行研究。

坞沟驼峰堰位于滕州市城河东郭镇前坞沟村东300 m处,中泓桩号36+550。坞沟驼峰堰工程于1997 年7 月建成。驼峰堰原设计标准为20 年一遇洪水设计,设计洪水位82.03 m,下泄流量1289.9 m3/s。工程任务为拦蓄河道径流及改善生态环境的功能,并壅高水位为城河、漷河水系连通提供水源条件。

2 拦河建筑物

河道上常用的蓄水建筑物型式有水闸、橡胶坝、钢坝闸、水力翻板闸、液压升降坝、气盾闸等。结合本程的功能定位及特点,在着重考虑拦河建筑物的耐久性、启闭灵活性及景观性后,本文选取橡胶坝建筑物型式。橡胶坝满河槽布置,坝底板顶高程76.50 m,正常蓄水位80.50 m,共1 孔,单孔净宽95.00 m。橡胶坝顺水流方向总长72.70 m,其中铺盖长10 m、坝底板长14 m、陡坡及消力池长23.7 m、海漫长20 m、防冲槽长5.0 m。管理房设置在河道的左岸,其下部为泵室,管理房内设变配电室、中控室及值班室等。橡胶坝方案图见图1。

图1 橡胶坝坝室方案图

3 橡胶坝设计

3.1 水位-蓄水量-水面面积关系

根据实测的河道横断面,建立坞沟橡胶坝水位、水面面积、蓄水量关系,见表2。由表2 可知,坞沟坝正常蓄水位80.50 m情况下,回水长度750 m,水面面积6.75 万m2,一次蓄水量10.03 万m3。

表2 坞沟橡胶坝水位、水面面积、库容关系

3.2 橡胶坝设计

3.2.1 水力计算

1）泄洪能力计算

橡胶坝泄洪能力根据下式计算：

式中：Q为过坝流量；B为溢流断面宽度；h0为堰前水头；m为流量系数；σ、ε 为淹没、侧收缩系数；泄洪能力计算见表3。

表3 过流能力复核计算成果表

经计算,20 年设计洪水位工况下和50 年校核洪水工况下,水闸过流能力满足要求。

2）坝顶溢流能力计算

橡胶坝未设调节闸,运行过程中不可能频繁塌坝,因此遇中小洪水必须考虑坝顶溢流。为避免坝顶溢流时坝袋振动影响坝的正常使用,坝顶溢流水深宜取0.2 m~0.5 m。本次设计坝顶溢流水深取0.3 m。坝顶溢流能力同式（1）,坝顶溢流计算结果见表4。

表4 坝顶溢流计算表

经计算,橡胶坝不塌坝的情况下,坝顶最大溢流流量为46.0 m3/s。

3.2.2 坝基及坝肩截渗设计

根据地勘资料可知坞沟橡胶坝坝基存在严重渗漏问题,且高水位时,地基土与基础接触面之间存在渗透变形可能。左右坝肩存在绕渗问题,可结合坝基一并采用截渗处理。

坝室段截渗墙位于铺盖前端齿槽中线位置,截渗长度145 m。两岸滩地截渗墙顶高程平滩地高程81.70 m,主河槽铺盖段截渗墙顶高程为75.60 m（嵌入铺盖齿墙内0.5 m）,岸墙底板段为岸墙底板底高程63.50 m,墙底深入黏土不透水层2.0 m。本次设计拟定以下二个防渗方案,分别从技术可行性、施工工艺和工程投资等方面进行比较及分析论证,以确定合理的方案。

1）方案Ⅰ：塑性砼防渗板墙方案

塑性砼防渗墙是目前水利工程中较普遍采用的一种地下截渗处理方法,该技术广泛应用于水库大坝、江河、湖泊等大堤的防渗加固工程中,是防渗处理的一种有效措施。

2）方案Ⅱ：高压旋喷灌浆方案

高喷墙采用单排旋喷套接结构形式,采用二管法施工,旋喷桩的直径1.0 m,孔距1.0 m,成墙最小厚0.4 m；空压机的压力0.7 MPa,流量1.0 m3/min,气嘴数量2 个,环状间隙1.2 mm；泥浆泵压力30 MPa,流量80 L/min,密度1.5 g/cm3,浆嘴数量2 个,浆嘴直径2.5 mm,回浆密度≥1.3 g/m3；提升速度10 cm/min。

表5 坝体防渗方案比较表

根据上述二个方案的特点,结合工程地质条件,着重从施工质量方面考虑,方案Ⅰ虽然适用各种地质条件,防渗效果好,但工程投资较大,方案Ⅱ施工技术日益成熟,可靠性得到大幅度提升,且投资较省,经综合考虑本次截渗采用方案Ⅱ,即高压旋喷防渗墙方案。

3.2.3 橡胶坝袋设计

（1）坝袋计算

1）坝袋径向强度

根据下式计算：

式中：T坝袋径向计算强度, kN/m；γ水的容重,γ=10 kN/m3；α内压比,α=1.30；H1设计坝高,m。

经计算：T=64 kN/m。

2）坝袋其他参数计算

坝袋有效长度：L0=14.114 m；

底垫片有效长度：l0=7.514 m；

坝袋容积：坝袋单宽容积V=27.526 m3/m；

坝袋容积V=1926.82 m3。

（2）坝袋材料选定

坝袋型号：JBD4.0 -300 -2；胶布型号：J300300 -2（锦纶66）。胶布强度为600 kN/m /600 kN/m（经/纬）；坝袋厚度为10.10 mm。坝袋设计参数见表6。

表6 坝袋设计参数表

（3）坝室顺水流向长度确定

橡胶坝底板顺水流向长度确定,按下式计算。

单向坍落：

式中：Ld底板顺水流方向长度, m；L坝袋底垫片有效长度,m；L1、L2上下游安装、检修通道,取1.5 m；L3坝袋坍落贴地长度,m；L0坝袋的有效周长,m。

经计算,Ld=13.814 m,本次设计坝袋地板顺水流向的长度取14.00 m。

3.2.4 结构设计

（1）坝底板稳定计算

1）基本数据

拟建橡胶坝底板高程为76.50 m,建基面为76.00 m,基础持力层为（1）层砾砂,承载力为160 kPa,基础底面与中粗砂间的摩擦系数为0.4。据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）,工程区的地震动峰值加速度为0.10 g,基本地震动加速度反应谱特征周期为0.40 s,相应地震基本烈度为Ⅶ度。

2）计算工况及荷载组合

计算工况与荷载组合按照《水闸设计规范》（SL265 -2016）规定。根据实际运用情况,对其进行运行工况分析和荷载组合分析,荷载组合分为设计挡水期、充水实验期、正常挡水位+地震。①设计挡水期：上游侧为80.5 m,下游无水。②充水实验期：坝袋内充水、上下游无水。③正常挡水位+地震：上游水位80.5 m,下游无水,按8度地震设防。计算工况及荷载组合见表7。