某橡胶坝工程安全检测与分析评估

陈西宁，陈宁波，鲁小涛

(南京瑞迪建设科技有限公司，南京 210029)

1 工程概况

某橡胶坝位于入江口约60m处，作为河口的挡水建筑物。橡胶坝的主要功能是保证河流枯水期的正常水位，以满足沿线景观和生产用水，并且可以控制枯水期河流污水的排出，保护水厂水源。汛期来临时，该坝能满足泄洪需要。

橡胶坝坝长67m，设计坝高3.5m，内外压比a=1.25，充水时坝顶标高9.3m(吴淞高程系，下同)。坝袋与底板采用螺栓压板锚固。自上游至下游顺水流方向依次布置有钢筋混凝土护坦长30m、钢筋混凝土坝底板长14m ；下游布置有钢筋混凝土护坦、浆砌石护底和抛石防冲槽，护坦长25m混凝土、护底长10m、防冲槽长2m。

经过15a的运行使用，橡胶坝各构件老化损伤问题凸出，急需进行安全鉴定，为橡胶坝的使用、维修、加固提供依据。

2 现状调查和安全检测

橡胶坝工程包括：水工建筑物、坝体、充排系统和观测系统等。根据《水闸安全鉴定管理办法》、《水闸安全鉴定导则》、《橡胶坝技术规范》对橡胶坝的现状调查和常规性检测内容包括：坝底板、斜底板、护坡等部位是否有异常沉降、倾斜、滑动等现象，护坦、护底、防冲槽是否有冲刷、淘刷现场，充排设备性能和机械电气设备参数状况等。主要调查和检测结果如下：

1)坝袋：坝袋材料严重老化，表面龟裂，搭接黏合处表层胶开裂；坝袋与底板接触面存在块石，与护坡连接部位褶皱明显。存在局部破损部位并修补；坝袋漏水，每天需充水2次。坝袋锚固系统无异常。

2)建筑物：坝底板混凝土整体质量较好，部分分缝处填料缺失。坝底板、消力池挡墙、下游钢筋混凝土护坦段、混凝土护坡整体质量较好；下游护坡局部破损、断裂，分缝处杂草丛生。控制室整体外观老旧，质量一般，面积偏小，布置较拥挤；未发现明显裂缝；泵房层潮湿、墙体砂浆脱落[1]。

3)土工建筑物：工程范围内未发现有大面积雨淋沟和渗漏的现象。下游右岸浆砌石护坡整体较好，局部泥沙淤积覆盖；左岸浆砌块石护坡整体质量一般、个别部位砂浆大部分脱落，浆砌块石格埂冲刷破损、缺失，格埂内部干砌块石缺失；入江口块石堆积。

4)充排水系统：充排水系统包括水泵、电机、管路等。水泵、电机外壳、闸阀油漆完好，局部锈蚀，混流式水泵、闸阀漏水，运行噪声较大。电控开关柜简陋，外观无锈蚀、内部导线排列工整，元器件完好、箱内开关触点良好、接头牢固，柜体控制面板的操作按钮、指示灯完好，接地2处，其中一处接地扁铁断开。真空泵铸铁储水容器锈蚀明显。线路保护钢管锈蚀、真空泵、排水泵线路私自布设，未设置保护，存在安全隐患。

5)安全监测：橡胶坝工程在坝上下游仅设置水位尺、经现场检查下游水位尺缺失。

6)混凝土抗压强度：原设计主要构件混凝土抗压强度C20，回弹法、钻芯法实测强度值介于21.7-24.4MPa，大于设计强度值。依据现行《水工建筑物结构设计规范》根据构件所在部位、工作条件、气候条件和耐久性要求，坝底板、斜面板所处环境为三类，混凝土最低强度等级均为C25，坝底板、斜面板部位混凝土抗压强度等级不满足现行规范要求[2]。

7)碳化深度，实测橡胶坝坝底板混凝土碳化值的范围在3.5-4.0mm之间，平均碳化深度为3.7mm，实测混凝土保护层厚度平均值为33.9mm。抽检构件混凝土碳化为B类碳化，属于一般碳化，混凝土碳化不会影响混凝土结构耐久性。

8)电机电气参数，控制柜接地电阻实测值3.30Ω满足规范要求； 1#水泵电机控制回路绝缘电阻165.0 MΩ、二次控制回路绝缘电阻4.8 MΩ；2#水泵电机控制回路绝缘电阻167.0 MΩ、二次控制回路绝缘电阻3.2 MΩ。1#、2#水泵电机控制回路和二次控制回路绝缘电阻满足规范要求。1#水泵电机V1V2和W1W2两组线圈直流电阻偏大，三相直流电阻不平衡率达24%(标准为10%)，电机U1接线桩头有严重过热老化氧化现象，建议1#电机进行检修。2#水泵电机试验合格。1#机组振动速度1.3mm/s，烈度级评价为1.3级；位移13mm/s、加速度5.9m/s2，综合烈度级和分类，评定1#机组振动级别为B类。

2#机组振动速度4.0mm/s，烈度级评定为4.5级；位移30mm、加速度2.2m/s2，综合烈度级和分类，评定2#机组振动级别为C类。

3 复核计算分析

3.1 坝底板尺寸复核

顺水流方向的坝底板长度应按塌平长度以及安装和检修的要求确定，底板顺水流长度按下式计算：

(1)

橡胶坝坝底板顺水流长度为14.00m，坝底板计算需要长度为13.66m，底板顺水流长度满足要求。

3.2 坝底板稳定

该坝底板座落在淤泥质重粉质壤土上，混凝土与土基接触面摩擦系数0.35。该坝底板厚0.8m，齿墙厚1.6m，坝体总净宽37.4m，底板顺水流向长14.0m。

根据《水闸设计规范》，该坝底板稳定计算设计水位组合：上游侧9.30m，下游侧4.00m。

坝底板稳定计算取整个坝体为计算单元，应力不均匀系数、抗滑稳定性与地基允许承载力，计算方法及标准如下：

3.2.1 坝底应力

坝底应力按下式计算，在各种计算工况下，坝平均基底应力≤地基允许承载力，最大基底应力≤地基允许承载力的1.2倍。

(2)

3.2.2 抗滑稳定性

土基上沿坝基底面的抗滑稳定安全系数，应按下式计算：

(3)

橡胶坝坝底板稳定计算结果见表1、表2，计算表明：橡胶坝基底应力、应力比、抗滑稳定性均满足规范要求。

表1 坝底板稳定验算结果汇总表

表2 橡胶坝基底应力计算结果

3.3 坝袋强度复核

根据《橡胶坝工程技术规范》规定及条文，充水式坝袋的强度设计安全系数≥6.0；在确定坝袋强度安全系数时还应考虑坝袋胶布材料加工制成胶布时强度损失一般达15--25，材料强度存在的不均匀性，坝袋在使用过程中因老化所造成的强度损失，以及工程规模和重要性等[3]。

坝袋径向计算强度应按照下式计算：

(4)

橡胶坝坝袋胶面强度为520kN/m，坝袋径向计算强度为45.94kN/m。考虑胶布强度损失25%、现场检查坝袋材料老化严重并依据技术指南2折减25%等情况后，计算的坝袋强度安全系数为6.34，满足要求。

3.4 锚固安全复核

对单位长度螺栓和压板设计荷载根据所采用的锚固结构型式以及锚固构件的强度、耐久性和锚固力按极限状态进行复核[4]。

根据《橡胶坝工程技术规范》，螺栓间距采用的压板刚度和螺栓直径进行计算确定。螺栓间距取200-300mm。

每根螺栓承受的设计荷载Q0：

(5)

螺栓直径x按下列计算：

(6)

橡胶坝采用螺栓压板式锚固结构型式，其结果表明：螺栓间距、直径，压板强度均满足要求。

3.5 渗流安全

3.5.1 轮廓线复核

根据《水闸设计规范》规定，闸基地下轮廓线布置应能满足防渗要求，其渗径长度应按照下式计算：

L≥c△H

(7)

橡胶坝最大水位落差为5.3m，故坝基不透水轮廓线长度包括：上游铺盖长度31.39m，底板不透水长度20.16m，总渗径长度为51.85m，L=51.85m≥c△H=47.70m，满足要求。

3.5.2 坝底渗流分析

防渗复核计算的采用的水位组合工况如表3所示：

表3 计算水位组合

渗流稳定复核采用《水闸设计规范》中的改进阻力系数法。

1)土基上水闸的地基有效深度按下式计算：

2)分段阻力系数采用下列公式计算：

3)各段水头损失下式计算：

(8)

4)进、出口段修正后的水头损失值按下列公式计算：

(9)

5)水平段及出口段渗流坡降值按下列公式计算：

由地下轮廓线可知，地下轮廓线的水平投影长度L0=44.0m，垂直投影长度S0=2.4m，L0/S0>5，水闸土基上无不透水层，则土基上水闸的地基有效深度Te=22.0m。

根据《水闸设计规范》以及《橡胶坝工程初步设计》，该坝底板座落在淤泥质重粉质壤土，其水平段允许水力坡降为0.25-0.35，出口段允许水力坡降为0.50-0.60。在各水位组合工况下，水平段和出口段的渗透坡降均满足规范要求。

4 建 议

根据现场调查、安全检测和复核计算，提出以下处理建议：

1)本工程坝袋已使用15a，坝袋材料严重老化变形，表面龟裂，搭接黏合处表层胶开裂、橡胶接缝处皴裂建议适时更换。

2)修复下游破损、断裂护坡。

3)加强机电设备的养护工作，按规范要求整改电气设备。

4)增加监测设施、并定期观测。

5)增设自动化设施。