橡胶坝运行安全风险的调查与分析

2022-12-29杨佳栋

河北水利 2022年10期

□杨佳栋

橡胶坝是将坝袋按设计要求锚固于底板或端墙成封闭体，通过连接坝袋和充排系统管道及动力控制设备，用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝。橡胶坝可升可降，既可充坝挡水，又可塌坝过流；坝高调节自如，溢流水深可控，起到闸门、滚水坝和活动坝的作用。橡胶坝枢纽工程等级最高为Ⅱ等，大多为Ⅳ等、Ⅴ等，其运用条件与水闸相似，并广泛用于河道防洪、渠道灌溉、小水电站运行、地下水回灌及城市水环境治理等工程中。随着更多橡胶坝建设，橡胶坝安全运行得到更多的重视，橡胶坝安全风险调查，可为橡胶坝安全评价指标体系构建提供准确、真实的数据支撑，为系统、规范开展橡胶坝安全评价提供支撑。

1.橡胶坝结构调查分析

1.1 基础土建

橡胶坝坝基结构主体工程部分主要为坝底板、中边墩、坝体段连接翼墙、上下游护坡（护岸）。坝体上游设防渗铺盖或地下防渗墙体，坝体下游设消力池、海漫、防冲槽等工程与坝底板相连接。橡胶坝坝底板通常采用钢筋混凝土结构，坝底板主要是承载和锚固密封橡胶坝袋，使其成为一个完整的坝体。混凝土坝底板不但要承载来自坝袋的自重，还要承载坝体内的水重和坝袋外部的不同水压力等荷载。坝底板是橡胶坝坝基础结构组成中的重要组成部分，不但承受来自外力的荷载，同时它还对橡胶坝砂石基础起到缓解受力和保护作用。上游翼墙主要起到橡胶坝坝基段和上游岸坡的连接作用，使水流在进入坝体断面内能够平顺通过橡胶坝泄流。下游翼墙作用是使过坝水流能够均匀、平顺扩散。护坦主要作用是通过结构布设消除过坝水流能量，避免水流长期冲刷影响坝体结构的安全稳定。海漫一般采用浆砌石或石笼，海漫与护坦（消力池）的出口紧密相连，起到二次消能作用。

1.2 挡水坝体

橡胶坝的挡水坝体指锚固在底板和墩（墙）上的橡胶坝袋，橡胶坝的挡水坝体由橡胶坝坝袋胶布、坝体内充胀介质和坝袋锚固系统3部分组成。挡水坝体是橡胶坝枢纽工程的主体性挡水建筑物，帆布是坝袋胶布的骨架材料，通过浸胶等工艺流程，使帆布纤维表面形成一层完整胶膜。它不但是坝袋内充胀介质和坝袋外水压力承载的主体，而且通过选型、搭接等技术手段，可起到稳定坝袋胶布尺寸的作用。因此帆布强度、厚度的大小直接影响到橡胶坝建设规模和橡胶坝运行安全稳定性。橡胶层通常分为外层、夹层和内层，起到保护并粘结坝袋胶布的各层帆布，和帆布融为一体，来承担外部荷载的作用，其性能好坏直接影响坝袋使用寿命长短。坝袋应选取具有较高耐老化、耐腐蚀、耐磨损性能，有足够强度，能够满足高热、高寒等特殊自然环境下技术指标的橡胶坝袋。橡胶坝锚固系统是采用锚固构件，将橡胶坝袋胶布沿其锚固线安装固定在坝底板和岸墙（中墩）上，橡胶坝坝袋锚固结构应用最多的是螺栓压板式锚固，其次为楔块挤压式锚固和胶囊充水式锚固。不同型式锚固构件的选用是按工程规模、加工条件、耐久性、施工维修等条件，经综合经济比较后选定，锚固系统的完整、安全使用是橡胶坝坝袋能够长期安全并稳定挡水的决定因素。

1.3 控制和安全观测系统

橡胶坝控制和安全观测系统包括充排水管路和动力设备的控制运行，用于橡胶坝体超压溢流和上、下游水位观测的安全及检测装置等，它是橡胶坝工程运行的关键组成部分，任何一项设备缺失和受损，都将影响橡胶坝安全运行。橡胶坝控制安全监测系统的使用是综合调度、相互联动的，利用监测数据，合理调节橡胶坝坝高，高效利用水资源。控制系统主要用于实现坝袋的充排和实际运行的调节。橡胶坝安全与观测系统是对橡胶坝袋充水（气）的超压溢流或排气，进行坝袋内压力监测和上、下游水文观测。

2.橡胶坝运行安全风险要素调查分析

2.1 坝基运行安全风险

坝基安全主要风险要素表现为设计或施工原因，坝基出现渗漏、淘刷等，坝基结构出现沉陷、倾倒等现象；自然环境或人为破坏原因，坝基实体结构出现受损现象；运行管理不尽职原因，库区清淤或维养不及时，坝基部分结构不能发挥功能；其它枢纽附属工程失事，造成坝基受损；遇超标洪水或地震等不可抗力，造成坝基受损。

2.2 坝体运行安全风险

坝袋安全主要风险要素表现为设计或施工原因，造成坝袋密封性和内压力变化异常；受自然环境影响，坝袋出现老化现象；多年的运行导致坝袋出现褶皱、磨损、破损现象；坝袋达到寿命后，超期运行，坝袋出现变形、撕裂等现象；人为破坏导致坝袋出现破损、撕裂、溃坝现象；遇超标洪水或地震等不可抗力，造成坝袋失去功能。锚固结构安全主要风险要素表现为设计或施工原因，锚固结构失效，导致坝袋不能正常运行；多年运行导致锚固构件出现磨损、松动、锈蚀、腐蚀、劈裂等现象；运行管理不尽职，库区清淤或维养不及时，加速锚固构件的磨损、破坏。

2.3 控制运行安全风险

控制系统安全主要风险要素表现为多年的运行，管路、设备和设施腐蚀严重，导致控制系统部分或全部失灵；人为操作不当，导致控制系统失灵。运行管理安全主要风险要素表现为运行管理机构和制度建设不健全，工作开展不规范；日常巡查、检查等不到位，不能及时排除安全风险；库区清淤、运行维养和技术改造等滞后，导致工程存在安全风险。

2.4 主要风险点构成分析

影响橡胶坝运行安全风险要素调查工作是在总结橡胶坝安全运行的机构设置、管理制度建设、检查与观测等常态化因素基础上，结合橡胶坝安全运行难点和关键问题，对坝基安全、坝袋安全、锚固结构、控制系统（充排管道、电气设备、机电设备）、运行管理、规划功能、环境条件等方面开展运行安全风险要素调查。通过对全国范围内31个省（直辖市）63个城市的192道橡胶坝进行运行安全风险要素调查评估。调查统计分析出影响橡胶坝安全运行主要风险要素626项，主要由坝基、坝袋、锚固结构、控制系统运行安全和运行管理等方面构成。

2.5 主要风险因素复核分析

橡胶坝工程主要风险要素是在对实体工程检查和检测基础上形成的，要根据风险大小和影响程度，对工程设计条件开展复核分析，主要因素为橡胶坝施工未达到设计指标，导致工程无法正常运行，进行设计条件复核；工程实体发现渗漏、淘刷和坝基结构变形等，对地基承载、抗渗稳定、消能防冲等设计指标进行复核；当原河道区域规划已改变，或枢纽工程功能已调整，对设计洪水标准、泄流能力和安全监测等指标进行复核；当河道水环境质量发生质变，则需要重点对坝袋和锚固结构的设计指标进行复核。

3.橡胶坝运行安全风险分析

通过对影响橡胶坝运行风险要素的统计分析，按各主要风险要素影响橡胶坝运行安全风险度比分别为：坝袋安全方面152项，占比24.28%；锚固结构方面83项，占比13.26%；坝基安全方面108项，占比17.25%；控制系统方面（充排、电气、机电）143项，占比22.84%；运行管理方面140项，占比22.37%，见表1。

表1 影响橡胶坝安全运行风险调查评估分析

通过调查分析，影响橡胶坝运行安全主要风险从重到轻依次为橡胶坝坝袋安全、控制系统、运行管理、坝基安全和锚固结构，其它为橡胶坝的规划功能和环境条件等因素。

4.橡胶坝安全评价指标结构

橡胶坝安全风险度调查分析，是建立橡胶坝安全评价指标体系关键部分。根据橡胶坝袋安全、控制系统、运行管理、坝基安全和锚固结构等风险，结合橡胶坝安全评价典型范例，建立橡胶坝安全评价指标结构。调查分析可知，影响橡胶坝工程安全因素多而复杂，对评价指标的拟定原则是定量研究橡胶坝工程安全状况基础，其拟定是否恰当，将直接关系到最终评价结论是否合理可靠。评价指标应将以尽量少的、主要的、具有代表性的安全综合评价指标用到橡胶坝的安全评价中去。橡胶坝安全评价指标具体组织结构划分，见图1。