阿什河阿城城區段防洪工程橡膠壩設計

王 冰，李 曼，柏金鳳

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2.綏化市氣象局，黑龍江綏化152000)

阿城城區段防洪工程是一項綜合工程。工程主要任務是防洪，完善阿什河城區段防洪體系，提高防洪標準，逐步改善河道及兩岸水環境和生態環境，增加濱水空間。治理范圍為阿什河上游301國道至下游民合攔河閘范圍及下游2.48 km回水堤。橡膠壩主要作用是攔蓄河水，使蓄水河道非汛期形成二級蓄水水域，汛期橡膠壩壩，不影響河道泄洪。

1 工程概況

根據哈爾濱市阿城區近期城市規劃的要求，在糖廠位置設置橡膠壩，以滿足城區景觀要求，為打造濱水城市創造條件。所以本次設計在右岸樁號6+200位置布置橡膠壩，前提是不影響原有河道行洪，即滿足50 a一遇洪水泄洪條件，選定底板頂高程135.80 m，分三孔布置，每孔凈寬40 m。

2 橡膠壩總體布置

橡膠壩由進口護砌段、混凝土鋪蓋段，橡膠壩段、消力池段、海漫段組成。

進口段由8 m長的干砌石護砌段構成。混凝土鋪蓋段長8 m，寬125 m。橡膠壩段由底板、中墩、邊墩及壩袋組成。橡膠壩段長10 m，寬125 m，分3孔，每孔凈寬40 m壩袋為橡膠壩袋，分3段，每段40 m，壩袋頂高程為138.30 m。

消力池段長8.0 m，寬125 m，底板頂高程135.00 m海漫段由10 m長的干砌石護砌段構成，右側為干砌石護坡，左側與原泄洪閘銜接。橡膠壩布置見圖1。

圖1 橡膠壩布置圖

3 水力計算

3.1 橡膠壩過流能力計算

過壩流量計算公式為:

式中:Q為過壩流量，m3/s;B為溢流斷面的平均寬度，m;h0為堰頂水頭，m;m為流量系數;σ為淹沒系數;ε為側收縮系數。壩袋完全坍平時，視作寬頂堰，流量系數取0.385;壩袋充脹時，視作曲線型實用堰，流量系數取0.43。橡膠壩頂溢流時，嚴禁壩袋發生振動，溢流時將溢流水深控制在0.3 m的范圍內。

經計算壩袋完全坍平時泄流量為1 017 m3/s，加上右側原有泄洪閘的能力104.9 m3/s，共計1 121.9 m3/s，大于50 a一遇的洪峰流量1 047 m3/s，滿足設計過流要求。

3.2 橡膠壩消能防沖計算

橡膠壩采用底流消能措施，在坍壩時可不設消力池，充壩時堰上水深0.5 m下游水深0.3 m為控制條件。

3.2.1 消力池深度計算

躍前水深hc按下式推求:

式中:T0為由消力池底板頂面算起的總勢能;q為過閘單寬流量，m3/s;α為水流動能校正系數;ψ為流速系數;

躍后水深hc″按下式推求:

出池落差ΔZ按下式計算:

式中:hs為出池河床水深。

消力池深度d按下式計算:

式中:σ0為水躍淹沒系數。

經計算，d=0.38 m，設計取0.5 m。

3.2.2 消力池長度計算

水躍長度:

消力池長度:

式中:Lj為水躍長度，m;Ls為消力池斜坡段投影長度，m;Lsj為消力池長度，m;β為水躍長度校正系數。

經計算，Lsj=6.0 m，設計取8 m。

3.3 海漫計算

3.3.1 海漫長度計算

海漫長度計算公式為:

式中:Lp為海漫長度，m;qs為消力池末端單寬流量，m3/s;Ks為海漫長度系數;ΔH'為上、下游水位差，m。

經計算，Lp=9.8，設計取10.0 m。

3.3.2 防沖槽深度計算

防沖槽深度計算公式為:

式中:dm為海漫末端河床沖刷深度，m;qm為海漫末端河單寬流量，m3/s;［v0］為河床土質允許不沖流速，m/s;hm為海漫末端河床水深，m。

經計算防沖槽1.0 m。

3.4 壩袋設計

壩袋徑向計算強度為:

式中:T為壩袋徑向計算強度;γ為水的容重;α為內壓比;H0為內壓水頭;H1為設計壩高。

設計內壓比α值根據橡膠壩的其它參數，本著使膠布強度得到充分利用，達到壩袋有效周長最短，并結合廠家實際參數比較和計算確定為1.45。

壩袋徑向計算強度T=29.69 KN/m

壩袋的有效周長:采用雙錨線的壩袋，分壩袋有效周長和底墊片的有效長度兩部分，實際有效長度再加上錨固所需長度。

壩袋有效周長和底墊片有效長度按下式計算:

式中:n為上游貼地段長度;α為內壓比;H1為設計壩高。

式中:R為上游壩面曲線段半徑。

式中:S1為上游壩面曲線段長度，m;S為下游壩面曲線段長度，m;X0為下游貼地段長度，m;L0為壩袋有效周長;l0為底墊片有效長度，m。

經計算壩袋有效周長為5.96 m，底墊片有效長度為4.5 m。

3.5 錨固設計

我國橡膠壩工程常用的錨固型式有:螺栓壓板錨固、楔塊擠壓錨固及膠囊充水錨固3種。本工程選用比較經濟耐久的楔塊擠壓錨固型式。

3.6 充排水系統設計

橡膠壩的充排水系統由水泵、水井、管道和控制系統組成，充水時用水泵抽水井中的水通過管道進入壩袋充起，需要坍壩時，用水泵抽壩袋內的水通過管道抽回進入消力池。充壩管徑D=300 mm。

4 結語

橡膠壩具有節省“三材”、造價低、壩時不阻水、抗震性好及結構簡單、安裝速度快、工期短、操作靈活等特點。是適宜低水頭大跨度的攔河工程，尤其適宜經常性充水，泄量較多的河道當閘門使用。阿什河阿城城區段具有河道寬，過洪頻繁特點，修建橡膠壩非常適合。本工程取得了較好的經濟效益，也為發展當地旅游業提供了一個新的亮點。隨著材料科學技術的發展及壩袋生產技術水平的提高，橡膠壩將得到更廣泛的應用。但是，必須做好防冰凌防泥沙淤積等實際管理技術與對策。

［1］黑龍江省水利水電勘測設計研究院.黑龍江省哈爾濱市阿城區阿什河阿城城區段防洪工程［R］.哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2009.

［2］王溥文，韓昌海，童中山.橡膠壩技術與應用［M］.北京:水利水電出版社，2008.

［3］中國水利水電科學研究院.SL227－98橡膠壩技術規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1998.