橡胶坝坝袋安全评价研究

郝连柱，张武来，张立功，张 弛

(北京市潮白河管理处，北京 101300)

0 引言

橡胶坝是用橡胶涂覆织物制造，锚固于基础底板上成封闭代替，利用充排水(或空气)控制其升降的挡水水工建筑物，主要包括坝袋和结合基础底板两部分[1]。由于其结构简单、施工便利、造价低等诸多优点，被广泛应用[2-4]。我国于上世纪60年开始研究橡胶坝技术，并与1966年6月成功建成了第一座橡胶坝：北京右安门橡胶坝，至今已建成橡胶坝逾千座[5-6]。

橡胶坝坝袋是用帆布等骨架材料和橡胶制成，经拼接成型，可锚固于橡胶坝基础底板的橡胶涂覆织物制品，用于橡胶坝挡水部分[1]。橡胶坝主要通过坝袋来控制水位，调节下泄流量，是影响橡胶坝安全的最重要结构之一，根据《北京市水闸、橡胶坝安全监测与安全评价技术指导意见》，设计条件、坝基、坝袋和锚固结构安全性分级中有一项为C级，可评定为四类橡胶坝，可见坝袋对橡胶坝安全运行的重要性。

橡胶坝坝袋由于受内外因素综合作用的影响，随着使用年限的增加，将出现老化，高分子材料结构逐渐失去原有的优良性能，以致最后丧失使用价值[7]。孙英祥、傅仑瑛等人采用人工加速臭氧老化的室内试验方法和实际工程的观测和验证，初步判定橡胶坝带的使用寿命为13～25年。此外，由于坝袋材料既轻又柔，它的坚固性与刚性材料无法比拟，运行中坝袋可能受到冰凌、尖锐石块及人为破坏等也会严重影响坝袋使用寿命，进而影响工程安全，因此加强运行管理工作对橡胶坝工程极为重要[8-9]。

早在1970年Harrison已使用有限元方法建立了上下游都有水且无溢流情况下的橡胶坝二维模型；1990年Hsieh等人建立了上游有水、下游无水情况下，坝袋无自重、无形变的橡胶坝静态模型；2000以来，美国弗吉尼亚综合研究院与州立大学对橡胶坝的自由振动、三维振动、非线性振动、坝顶溢流方面进行了试验研究[2-6]。国内方面，中国水利水电科学研究院、天津大学等许多单位结合具体的橡胶坝工程对不同坝型进行了振动研究。为适应在不同条件下应用橡胶坝，我国进行了大量的试验研究，如坝袋胶布的胶料配方研究，采用帆布试制，开展坝袋抗波浪试验、泥沙冲淤试验、坝袋振动试验，橡胶坝流量系数试验、坝袋锚固、充气橡胶坝技术研究等[2-6]。

目前，国内外对橡胶坝坝袋的特性研究多处于设计、制造阶段，已运行多年的橡胶坝坝袋由于取样困难，对其拉伸强度、断裂伸长率等特性研究较少，相应的坝袋检测规范也较少。因此，运行多年的坝袋大多通过外观检查来评价其工程质量。本文以潮白河河槽村橡胶坝为例，通过现场检查、取样、制样、室内试验、强度计算等综合评价坝袋质量，为今后已运行多年的橡胶坝坝袋安全评价提供借鉴和参考。

1 工程概况

河槽村橡胶坝位于北京市密云区潮白河河道上，桩号0+900，于2009年建成，至今已运行13年。该工程等别为Ⅲ等，建筑物级别为3级，地震原设防烈度为Ⅶ度。橡胶坝坝高3.5m，坝长210m，采用斜坡式结构，坝袋采用J260260-2材料，坝袋帆布为两布三胶。坝袋内压比为1.4，共三跨。正常蓄水位为4m，蓄水量约120万m3。工程段顺水流方向全长97m，由进口铺盖段、坝身段、消力池、海漫、充排系统和管理房等组成。河道地基为砂砾料地基。

2 坝袋检测

2.1 坝袋外观

为了解橡胶坝坝袋外观质量，现场采用查看、尺量等方法检查坝袋有无凹陷、缺胶、帆布断裂、气泡、死褶等，并对典型外观缺陷进行拍照显像，记录坝袋外观缺陷[10-12]。

经现场检查，发现橡胶坝坝袋表观存在老化，局部修补过的部位表观脱胶，局部表皮脱落、破损。

2.2 坝袋检测

橡胶坝已运行多年，现场处于过流状态，如对主要受力部位取样，势必破坏坝袋整体性。因此，本次对锚固端尾部非受力坝袋进行现场取样。

(1)检测依据及采用仪器

根据室内试验条件，本次检测项目主要包括胶层厚度、胶料拉伸强度、断裂伸长率、硬度、坝袋拉伸强度、最大负荷下的伸长率、胶料与织物粘合强度[13-14]。

胶料的拉伸强度、断裂伸长率试验主要依据GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》，主要试验仪器包括裁刀、测厚计、拉力试验机；胶料硬度检测依据GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法》，主要使用仪器为邵氏硬度计；坝袋拉伸强度、最大负荷下的伸长率主要依据SL 235—2012《土工合成材料测试规程》中的条带拉伸试验法，试样按宽条法制备，主要仪器包括具有等速拉伸功能的试验机、夹具等；胶料与织物粘合强度检测包括剥离力及剥离强度，依据GB/T 532—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶与织物粘合强度的测定》，主要仪器包括试验机、自动图表记录仪。

(2)试验结果及分析

本次对取样坝袋的外覆盖胶、夹层胶、内覆盖胶分别测量了厚度，对比SL 554—2011《橡胶坝袋》规定的层胶厚度，所取试样均满足规范要求。河槽村坝袋胶层厚度检测结果见表1。

表1 河槽村坝袋胶层厚度检测结果 单位：mm

根据GB/T 528—2009规定，外层胶拉伸强度≥14MPa，断裂伸长率≥400%，本次分别对外层胶、底层胶做了4组试验，其中外层胶拉伸强度平均值为10.2MPa，是规范要求的73%，断裂伸长率为279%，是规范要求的70%。胶料的邵氏硬度值，基本满足规范要求。由试验可知经过10多年的运行的河槽村橡胶坝坝袋胶料的力学性能下降了30%左右。坝袋胶料物理力学性能检测结果见表2。

表2 河槽村坝袋胶料物理力学性能检测结果

因现场取样有限，只制备了2个完整的坝袋宽条试样，进行了拉伸试验，坝袋拉伸试验结果如图1所示，力学性能检测结果见表3。根据SL 554—2011坝袋拉伸强度值416kN/m，试验结果为332.9kN/m，是规范要求的80%，坝袋整体抗拉强度衰减了20%左右。

图1 坝袋拉伸试验曲线图

表3 河槽村橡胶坝坝袋物理力学性能检测结果

分别对内层胶、外层胶2个试样进行了硫化橡胶与织物粘合强度剥离试验，硫化橡胶与织物粘合强度试验。试验结果分别见表4、如图2所示。从试验结果来看，内层胶最大剥离力、剥离强度明显大于外层胶，可能与外层胶受环境影响较大有关，从整体来看，橡胶硫化橡胶与织物粘合强度较好。

图2 硫化橡胶与织物粘合强度剥离试验曲线图

表4 硫化橡胶与织物粘合强度剥离试验结果

3 坝袋强度计算

3.1 计算理论与公式

根据GBT 50979—2014《橡胶坝工程技术规范》，充水式橡胶坝坝袋径向计算强度可按下式计算[13]：

(1)

式中，T—坝袋径向计算强度，kN/m；γ—水的重度，10kN/m3；α—坝袋内外压比，取1.4；H1—设计坝高，m，取3.5m。

在确定坝袋强度安全系数时还应考虑下列因素：①坝袋胶布材料加工制成胶布时强度损失一般达15%～25%；②材料强度存在的不均匀性；③坝袋在使用过程中因老化所造成的强度损失；④工程规模和重要性等。现行行业标准SL 554—2011给出的坝袋胶布强度已经考虑了上述因素，并进行了折减。

本次复核并对坝袋进行了取样和力学性能试验，试验结果表明力学性能较规范值下降了25%左右，故在计算坝袋强度安全系数时可直接采用SL 554—2011中的胶布强度折减。

3.2 计算结果

河槽村橡胶坝坝袋实际检测强度为332.9kN/m，强度安全系数的计算结果为6.04，见表5，略大于GBT 50979—2014中规定的充水坝坝袋强度安全系数不小于6.0的要求。但此次取样为非受力部位，从理论上讲强度检测结果较受力部位偏高。且该坝袋运用时间已接近设计年限，存在一定老化和损伤，建议尽快更换坝袋。

表5 坝袋强度计算结果

4 评价结论及建议

4.1 结论

对运行13年的河槽村橡胶坝坝袋开展安全评价工作，通过对坝袋外观质量检查、现场取样及室内试验、坝袋强度计算等得出以下结论。

(1)从外观上来看，河槽村橡胶坝坝袋局部修补过的部位表观脱胶，局部表皮脱落、破损，进一步发展会危及整个坝袋安全。

(2)运行13年的河槽村橡胶坝坝袋，胶料厚度、硬度基本满足现行规范要求，橡胶硫化橡胶与织物粘合性良好，但胶料抗拉强度、扯断伸长率降低了30%左右，坝袋抗拉强度降低了20%，坝袋整体力学性能指标下降显著。

(3)坝袋径向计算强度安全系数为6.04，与规范规定的充水坝坝袋强度安全系数不小于6.0的要求很接近，本次取样均为非受力部位，计算结果可能较受力部位高。

4.2 建议

坝袋外观出现了老化及局部破损，现状强度安全裕度较低，且已运行13年，临近使用年限，建议尽快更换坝袋。为保障河槽村橡胶坝安全，建议在更换坝袋之前，制订保坝安全应急措施。

5 结语

随着橡胶坝运行年限的增长，坝袋会出现老化、破损等现象，影响坝袋使用寿命，甚至危及橡胶坝工程安全。本文以潮白河河槽村橡胶坝为工程实例，探讨了运行多年的坝袋安全评价方法。从外观质量、室内试验、强度计算3方面综合评价了坝袋质量，为之后运行多年的橡胶坝坝袋安全评价提供重要借鉴。

本文所取试验样品均取自坝袋非受力部位，其检测的抗拉强度、扯断伸长率等力学性能仅仅反映了坝袋局部质量状况，而坝面、锚固等坝袋受力部位未取样检测。根据判断，受力部位坝袋的力学性能指标衰减应比非受力部位更严重，为更准确评价坝袋质量状况，需进一步研究检测评价方法。