枣庄市山家林橡胶坝坝体及锚固结构设计

鞠玉龙，车传迎

（临沂市水利工程处，山东 临沂 276000）

枣庄市蟠龙河综合整治工程山家林橡胶坝项目总投资4 200万元，工期2020年2月～5月，设计规模为中型，主要建筑物级别为3级，总宽度147 m，其中船闸净宽7 m。橡胶坝共设计2孔，坝孔净宽69 m，挡水高度4.8 m，设计洪水标准为50年一遇，蓄水量332万m3，回水长度1 900 m，可实现景观水面约74万m2。

1 橡胶坝坝体设计分析

1.1 坝体极限承载工况分析

根据橡胶坝所面对的工况不同，其所受静水压力也存在很大差别，在此以4种代表性工况分析坝体极限承载情况：a：上游水深等于坝高，下游无水；b：上游水深等于坝高，下游水深H2；c：坝顶溢流，下游无水；d：坝顶溢流，下游水深H1[1]。

橡胶坝为柔性薄膜材料，只能承受拉力作用，而且由于坝袋下游部分受力相对简单，因此本项目只选取下游断面作为分析对象。其中上述4种工况中，以工况b最具有普遍意义，所以在此只针对工况b进行极限承载分析[2]。

在工况b下，下游坝袋所承受的最大作用力F由FT和夹角θ共同决定（受力示意图如图1所示），具体计算见公式（1）[3]。经过计算，新建山家林橡胶坝下游坝袋所承受的最大作用力F≈125.4 kN/m。

图1 工况b下游部分坝体受力示意图

式中：H0为坝袋内充水水头，m；H1为坝高，m；γ为河水容重，N/kg；H2为下游水深，m。

1.2 坝袋断面周长计算

以工况b作为分析对象，坝袋断面周长计算，既要保证坝体高度达到设计标准，又要保证坝体充水后强度达标。坝袋充水后，其形状如图2所示，由此可见：上游长度为“Ln段+S1段”，下游长度为“S段+S2段”，下面分别就上下游坝袋断面长度进行计算。

图2 坝体截面示意图

1）上游坝袋断面长度L上计算。上游坝体所承受压力为一个常数，所以可以近似地看作是一段圆弧S1，只需要求出圆弧半径R1即可，Ln计算需借助R1计算，具体分别见公式（2）（3）[4]，经计算可得R1≈6.1 m，Ln≈3.3 m。

最终L上取值13.0 m。

2）下游坝袋断面长度L下计算。下游坝体所承受压力非定值，因此S段、S2段为一段变曲率曲线。在此为了简化计算，参照其他学者经验，将这两段均利用微分方程化作椭圆积分形式，经计算S≈10.2 m，S2≈1.8 m。

最终L下取值12.0 m。

1.3 坝体最佳内压比设计

橡胶坝内压比a是最重要的参数之一，其值直接决定了坝体工作状态、材料成本、上游水头等。在此还是以工况b为分析对象，确定本项目坝体最佳内压比。

1）内压比变化规律分析。由图3可知：在坝高H1确定的情况下，内压比a在1.1以下时，R值（坝体几何半径）急剧增大，这肯定会使橡胶坝断面过大，因此排除。当a值超过1.2时，R值的变化趋近于稳定，取值范围在5.76～6.72 m之间，因此a取1.2～1.5均较为合理[5]。

图3 坝体上游半径与内压比a变化关系曲线

2）坝高与坝袋强度关系。由图4可知：（1）随着坝高值越大，内压比a值越大；（2）随着内压比a增大，同一坝高H1下，所需坝袋强度越大。因此从安全方面考虑，尽量选择所需较低坝袋强度的方案，所以本项目确定内压比a取值为1.2。已知新建山家林橡胶坝坝高设计4.8 m，对应的坝袋强度约为2.6 t/m，换算后为25.48 kN/m，远小于前文所求的最大作用力F，因此安全系数完全可以保证。

图4 坝高与坝袋强度关系曲线

2 橡胶坝锚固结构设计分析

橡胶坝锚固装置是最重要的结构之一，需要其既有良好可靠的锚固力，又要密封不透水。而目前锚固结构可分为三种：1）螺栓压板；2）混凝土楔块；3）胶囊充水。其中前两种是最常见的锚固形式，在此对本项目最佳锚固结构进行分析。

2.1 锚固力的计算

上游锚固力FT可分为垂直分力FTy和水平分力FTx。经计算，FT≈116 kN/m，略小于前文计算的下游坝袋所承受最大作用力F≈125.4 kN/m。最终本项目设计上游锚固力为140 kN/m，下游锚固力150 kN/m。

2.2 螺栓和压板强度参数设计

1）螺栓参数设计。螺栓需要有足够的强度、耐久性、抗腐蚀性等，参照以往工程经验，螺栓间距在0.2～0.3 m，本项目设计取值0.2 m。经计算得上游F栓=49 kN，下游F栓=52.2 kN，为方便施工，本项目螺栓承载载荷统一设计55 kN，材质为不锈钢，螺栓型号为M36×950，要求最小埋深不低于250 mm。

2）压板强度参数设计。针对橡胶坝压板设计，主要参数有弯矩、应力、截面模量等。本项目为设计方便，直接结合理论计算和参照其他工程经验，设计压板尺寸为：上压板996 mm×200 mm×19 mm，下压板996 mm×220 mm×16 mm。抗弯应力3.2 kN/cm2，每个压板上配备4根螺栓，材质为20#槽钢。

2.3 锚固装置施工要点分析

1）位置固定。利用经纬仪精准确定锚固点位置，按照混凝土底板分缝将锚固点分为若干单元。计算好预留混凝土面螺栓高度后进行与下压板焊接，焊接时注意保证螺栓垂直度。用钢筋作为支架上部与螺栓连接，下部支撑于垫层上进行找平作业。

2）加固。用钢筋将螺栓底部连接，并将支撑筋、架力筋连接，以此来固定下部位置，木槽两侧用网片定位，保证稳定。

3）浇筑混凝土。浇筑顺序按照“先槽下，再两侧”，以防止涨模问题出现。

3 结语

新建山家林橡胶坝于2020年7月份投入使用，各项指标均达到设计标准，而且该工程与后续实施的蟠龙河综合治理起步区工程形成完整的水利综合体，有效保护了沿岸地区生产生活、人民生命财产及重要设施的安全，提高了区域防洪排涝能力和生态景观文化底蕴，改善区域生态环境，实现区域内社会、经济的环境的可持续发展。