充氣橡膠壩壩袋改造中復核方法的分析

朱 軍，馬振文，丁立國

（1.沈陽市渾河管理中心，遼寧 沈陽110011；2.遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003）

王家灣橡膠壩工程位于渾河沈陽城段上游河道上，是一座以攔河蓄水形成連續(xù)水面，開發(fā)旅游、美化環(huán)境、改善自然景觀的水利工程項目。工程建成于2004年10月，工程形式為單跨66m的6孔充氣式橡膠壩，總長401m，壩高3.5m，防洪標準50年一遇。壩底板采用C20鋼筋混凝土結構，寬10m、厚1.5m。壩袋采用二布三膠堵頭式無縫彩色壩袋，雙錨線螺栓錨固，徑向強度520kN/m、緯向強度260kN/m，安全系數(shù)11。

1 問題的提出

王家灣橡膠壩底板高程43m，壩頂高程46.5m，正常運行水位47m。因當時設計周期短，考慮安全性因素，內外壓比選用0.75，部分項目相對考慮不周。建成后，橡膠壩長期處于高水位運行狀態(tài)，對上游右岸濱水路及苗圃等設施造成淹沒，對岸邊沖刷破壞時有發(fā)生。為彌補氣壩無調節(jié)能力的缺陷和壩上過流對下游沖刷的不利影響，2005年10月在1號壩段下游增設了二級消力池及護坦，對下游河岸進行了加固處理。2006年對橡膠壩進行了功能優(yōu)化改造，將原66m長的6號壩段由氣壩改成兩孔等寬的充水式橡膠壩，仍采用原壩袋，底板抬高0.6m，在水氣壩之間增加了導流墻。對2～5號壩段下游進行了河底防護。在水壩建成后，雖然用水壩調節(jié)，使氣壩不過流，暫時解決了上游回水的影響。但在陽光直射下，壩袋實際高度達到了4.0m，受風擺影響壩頭磨損漏氣現(xiàn)象時有發(fā)生。工程無法正常運行且安全隱患極大。

考慮到王家灣橡膠壩工程建成僅5年時間，建設成本達到4000萬元，如果完全新建或進行大規(guī)模的改建都是不經濟的，在現(xiàn)有基礎上進行局部改造，可最大程度地節(jié)約改造成本。為此，提出了仍采用原充氣設備、壩袋和錨固槽，只降低壩袋高度的改造方案，并委托相關部門進行復核計算。

2 2種復核方法分析

壩袋改造的復核計算主要經歷了2個階段，應用了2種復核方法，得到的結果卻存在較大差異。

2.1 在壩袋與底板夾角為零情況下的復核方法

首先采用的是規(guī)范中列舉的在壩袋與下游底板夾角ω=0情況下的復核方法，此種方法在新橡膠壩設計過程中被廣泛采用。

（1）基本公式

式中γ為水的容重，10kN/m3；α為袋內壓比，即內壓水頭與設計壩高之比；H1為設計壩高，m。

式中T1為壩袋設計徑向拉力數(shù)值，此次從安全角度出發(fā)按原設計數(shù)值衰減50%計算，取260kN/m。

（2）驗證結果

采用上述方法進行復核，考慮到橡膠壩降低壩高后，仍采用原錨固槽形狀發(fā)生的變化。從降低壩袋高1.0m開始向下試算壩袋內壓比數(shù)值和壩袋安全系數(shù)，復核是否滿足規(guī)范要求。經計算和查閱充氣式橡膠壩壩袋設計參數(shù)表，得出在壩高降至2.7m、內壓比0.57、安全系數(shù)為7.47最為合理。但《規(guī)范》中規(guī)定：充氣式橡膠壩宜選用的數(shù)值為內外壓比為0.75～1.10，安全系數(shù)為8.0以上。由于試算產生的結果不在規(guī)范的推薦范圍內，請相關專家進行論證，得出極有可能產生V字流和壩端漏水嚴重現(xiàn)象，建議進一步研究并進行水工模型試驗的結論。

2.2 壩袋與底板夾角不為零的情況

通過進一步分析和查閱相關資料，特別是從2007年10月河南省水利學會橡膠壩學組會議中交流的 《橡膠壩壩袋與下游底板夾角不為零情況下參數(shù)的計算》成果獲得啟示，認識到王家灣橡膠壩為維持錨固槽不變，會出現(xiàn)壩袋與下游底板夾角不為零的情況。使用MATLAB軟件，用3次樣條插值計算橢圓積分值，進行重新復核，并采用《規(guī)范》中ω=0的特殊情況進行驗證。計算示意圖見圖1。

圖1 充氣式橡膠壩計算示意圖

（1）公式

袋壁拉力公式T=R·P，

式中R為曲率半徑，m；P內外壓差，kN/m2。

壩袋上游面內外壓差P=r(H0-y），

式中r為水的容重，10kN/m3；ω為下游壩袋與水平面夾角；y下游曲線任意點縱坐標；H0為內壓水頭，m；H1為設計壩高，m。

應用橢圓積分公式，上游任一點坐標（x1，y1），

式中E，F(xiàn)為橢圓積分。

（2）驗證結果

采用壩高H1=2.5m，原設計內壓比H0=0.75H1，ω=0，驗證見表1，最大誤差0.4cm，在允許范圍內，用此方法進行壩袋設計是合理的。

表1 公式驗證表

（3）壩袋復核

參數(shù)計算：從節(jié)約成本方面考慮，橡膠壩錨固槽長度（即是貼地段長度）要求保持不變，為2.53m，在壩高2.5m情況下，采用內外壓比0.75，0.8，1.0分別進行復核，見表2。

表2 壩袋復核參數(shù)表

壩袋強度復核：橡膠壩原壩袋膠布徑向強度520kN/m，正常運行時間是15～20年。考慮橡膠壩已運行4～5年，按最不利情況強度衰減50%計算，壩袋強度取260kN/m時，在內外壓比分別取0.75，0.8，1.0時， 計算壩袋拉力對應為 24.397，26.259，33.858，安全系數(shù)為 10.66，9.90，7.68。 可見除內外壓比采用1.0除外，其它兩種情況可滿足《規(guī)范》提出的安全要求。

壩袋長度復核：橡膠壩原上部壩袋有效長度10.183m，為改造可利用長度，重新錨固所需長度為1.7m，按改造后壩袋有效長度在8.483m以下條件進行復核。根據表2中計算數(shù)據，計算壩袋有效長度分別為6.949，6.908，6.849m，都可以滿足要求。

綜上所述，經計算得出：從壩袋與下游底板不為零的實際情況出發(fā)，王家灣橡膠壩仍采用原有錨固槽、壩袋，選用內外壓比為0.75，0.80時，將壩高降低至2.5m時的改建方案都是可行的。

3 結語

采用《規(guī)范》中常用的方法復核，在此情況下的壩袋應力最為均勻，是新設計橡膠壩中最為常見的一種理想情況，而在實際情況下，特別是在壩袋改造過程中，條件發(fā)生變化，一定程度上反映出了此種計算方法的不適用性。所以，在橡膠壩改造過程中，應針對壩體的實際情況，選用與之相適應的計算方法，才能對實際工作起到相關的指導作用。

[1]SL227—98，橡膠壩技術規(guī)范[S].

[2]高本虎.橡膠壩工程技術指南[M].北京.中國水利水電出版社，2004.

[3]陸吾華，候作君.橡膠壩設技與管理[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[4]劉要敏.橡膠壩設計與施工淺議[J].河南水利與南水北調，2008，(7).