阿什河橡膠壩工程布置及壩袋相關設計

王 波

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 設計依據

根據哈爾濱市阿城區近期城市規劃要求及黑水發[2010]554號文件，在阿什河防洪堤之間修建橡膠壩工程，在右岸樁號6+200位置處，擋水高度2.5 m，以形成雍水水面，達到改善河流的自然景觀的目的，以滿足城區景觀要求，為打造濱水城市創造條件。前提是不影響原有河道行洪，即滿足50 a一遇洪水泄洪要求，為防止推移質泥沙隨水流卷入壩袋底部從而增加壩袋的磨損，在坍壩行洪時，壩袋被泥沙覆蓋，管理維修困難，滿足行洪要求的前提下，通過流量計算選定橡膠壩底板頂高程135.80 m，分兩孔布置，每孔凈寬60 m，在橡膠壩左側布置沖砂閘，分3孔布置，每孔凈寬6.0 m。

2 橡膠壩工程總體布置

橡膠壩由進口護砌段、混凝土鋪蓋段，壩袋控制段、消力池段、海漫段組成。

進口護砌段長度為8.0 m，底板頂高程為135.50 m，采用厚度為0.3 m的干砌石護砌，下設0.2 m碎石墊層及無紡布一層。

混凝土鋪蓋段長8.0 m，底板頂高程為135.50 m，厚0.70 m，右側采用鋼筋混凝土結構翼墻與右岸相連，懸臂式圓弧擋土墻，圓弧半徑為8.0 m，墻頂高程為140.30 m。

壩袋控制段由底板、中墩、邊墩及壩袋組成。壩袋控制段長11.0 m，底板頂高程為135.80 m，厚1.2 m，總凈寬120 m，分2孔布置，每孔凈寬60 m，左邊墩利用沖砂閘右邊墩，右邊墩采用懸臂式擋土墻型式，中墩厚1.2 m，墩頂高程為140.3 m。

壩袋為彩色橡膠壩袋，分2段布置，每段長60 m，壩袋有效周長為8.4 m，底墊片有效長度為4.05 m，沖水后壩袋頂高程為138.30 m，擋水高度2.5 m。

消力池凈寬度121.20 m，消力池總長度為14.0 m，底板與邊墩采用分離式，左邊墻利用沖砂閘消力池右邊墻，右邊墻采用懸臂式擋土墻型式，采用綜合式消力池，池深為0.3 m，消力坎高為0.2 m，消力池底板頂高程為134.50 m，消力池下游接海漫。

海漫設計長度為25.0 m，前段10.0 m采用鋼筋石籠型式，厚度為0.3 m，下設0.2 m碎石墊層及0.2 m中粗砂墊層，后段采用厚度為0.3 m的干砌石護砌，下設0.2 m碎石墊層及0.2 m中粗砂墊層，海漫末端設深度為1.5 m的防沖槽，海漫下游與下游河道相接。

3 壩袋設計

壩袋按充脹介質可分為充水式、充氣式。充水式橡膠壩在壩頂溢流時袋形比較穩定，振動小，過水均勻，對下游河床沖刷較小。由于氣體具有較大的壓縮性，充氣式橡膠壩在壩頂溢流時，會出現凹口現象，造成水流集中，對下游河道沖刷較強。在有冰凍的地區，充氣式橡膠壩內的介質沒有冰凍問題，但本工程冬季不運行，故不存在此現象;充氣式橡膠壩氣密性要求高，充水橡膠壩這方面的要求相對較低，結合本工程的運用要求和工作條件，采用充水枕式橡膠壩袋。

3.1 壩袋相關參數設計

3.1.1 壩袋經向計算強度

式中:T為壩袋經向計算強度，kN/m;γ為水的容重，10 kN/m3;α為內壓比，H0/H1，根據橡膠壩的其它參數，本著充分利用膠布強度，使壩袋有效周長最短，并結合廠家實際參數比較和計算確定為1.40;H0為內壓水頭，m;H1為設計壩高，m。

壩袋經向計算強度T=28.13 kN/m，對堵頭式壩袋，其中段緯向強度值可按經向強度計算值的0.5倍選取，即:14.07 kN/m。

3.1.2 壩袋外形尺寸的計算

進行壩袋外形計算的目的是確定壩袋各部位的尺寸和壩袋單寬容積。可將充脹后的壩袋輪廓分成4個部分:S1，S，n，X0，計算公式如下:

采用雙錨線錨固壩袋的有效周長(不包括錨固長度)為:

采用雙錨線錨固的底墊片有效周長(不包括錨固長度)為:

表1 壩袋相關參數設計成果表

3.1.3 壩袋橫斷面曲線坐標計算上游壩面曲線段坐標:

下游壩面曲線段坐標:

壩袋橫斷面曲線坐標計算成果見表2。

表2 壩袋橫斷面曲線坐標計算成果表 m

壩袋橫斷面圖見圖1。

圖1 壩袋橫斷面圖

3.2 橡膠壩壩袋展開圖設計

1)堵頭展開圖，根據壩袋橫斷面曲線坐標計算成果表繪制出壩袋橫斷面外形，然后在其周邊再加上黏接寬度a和錨固長度a1即可。確定a為0.2 m，a1為0.45 m。

2)壩體展開圖，壩袋展開圖為一矩形，如圖2。

A=60+2×a=60+2×0.2=60.4 m

B=S+S1+2×a1=4.11+4.3+2×0.45=9.31 m

圖2 橡膠壩壩袋展開圖

3)底墊片展開圖，底墊片展開圖的形狀與壩袋的相近。

3.3 錨固系統設計

橡膠壩的錨固結構型式按所采用的錨固構件材料不同，可分為螺栓壓板錨固、楔塊擠壓式錨固和膠囊充水式錨固3種。

螺栓壓板錨固的錨固力可控，安裝止水效果好，但螺栓壓板錨固的造價較楔塊錨固要高些，但螺栓壓板式的錨固安裝方便，勞動強度低，將來易于拆缷檢修，錨固構件的重復利用率高，此種型式是我國自橡膠壩建設之初采用的，是應用最廣的一種壩袋錨固型式。

楔塊擠壓式錨固造價較螺栓壓板錨固式的低，施工安裝時的錨固力較難控制，楔塊易受夯擊損毀，維修拆缷不便，楔塊重復利用率較低，錨固的密封性較差。

膠囊充水式錨固是先建造一個橢圓形的錨固槽，再制作一條與錨固槽形狀相似的封閉膠囊，將壩袋膠布、底墊片和膠囊共同置于錨固槽內，給膠囊充水使壩袋膠布受到擠壓，靠此擠壓使壩袋膠布和錨固槽之間產生的摩擦力來抵抗壩袋的拉力，此種方法須保持膠囊內壓持續穩定，管理較麻煩，且受北方寒冷天氣影響較大。

綜上所述，考慮到第1種型式錨固安裝方便，勞動強度低，將來易于拆缷檢修，錨固構件的重復利用率高，且此錨固在大多生產廠家已成批的制造，故本次采用螺栓壓板錨固型式。

下游側臨界狀態下所需錨固力Pd按下式計算:

式中:μ1為底墊片和底板(或鋼墊板)間的靜滑動摩擦系數;μ1為壩袋(或補強膠布)和壓板間的靜滑動摩擦系數。

上游側臨界狀態下所需錨固力Pu按下式計算:

錨栓直徑d的計算:

式中:P為錨栓在臨界狀態下所需錨固力，kN;K1為綜合安全系數，取3～4;n為1 m的錨線上布置n個錨栓;T為每根螺栓承受的荷載，kN;[σ]為錨栓允許拉應力，kN/cm2;Aj為每根錨栓所承需抗拉凈截面積，cm2;d為錨栓外徑，cm。根據上述計算值選取螺栓規格為M24。

表3 錨固螺栓計算成果表

螺栓長度由埋設在混凝土內錨固長度和混凝土表面外兩部分組成。

混凝土表面外的長度考慮安裝時底墊片、止水海綿，壩袋、抗磨片、墊平片及螺母預留長度，另外在擰緊螺母后還需預留至少2～3個牙紋的長度，結合實際工程及部分廠家材料，確定設計值為90 mm。

埋設在混凝土內錨固長度的確定，可按下式計算:

式中:Ld為錨栓埋深;P為錨栓的工作拉力;X為系數，對于埋入混凝土中的錨頭，X=0.65，若錨頭超出表面鋼筋以外，X=0.85;R為混凝土標準抗壓強度;Ad為錨頭面積。

通過計算，其計算值很小，Ld=33 mm，根據《橡膠壩技術規范》SL227-98中規定:對于光面鋼筋錨固長度，當其直徑d＞16 mm時，錨固長至少為20 d，考慮到錨栓的要求，其彎鉤則為6.25 d，經計算為630 mm，設計時適當加長確定 Ld=710 mm，螺栓長度合計總長為800 mm。

3.4 充排水泵選型設計

3.4.1 水泵流量

計算公式為:

式中:Q為計算的水泵所需最小流量，m3/h;V為壩袋流水容積，m3;n為水泵臺數，兩用一備;t為充壩或坍壩所要求的最短時間，h，由于本工程位于行洪河道上，充排時間盡量短些，結合實際確定為1.5 h。經計算Q=388.24 m3/h。

3.4.2 水泵揚程計算

計算公式為:

式中:H0為水泵所需的揚程，m;α為壩袋內外壓比賽;H1為壩高，m;Z0為出水口(壩底板)高程，m;Zd為井內動水位或水泵吸水管最低水位，m;Σhf、Σhj分別為水泵吸水管進口至伸入壩袋內的充水口之間的管道沿程和局部水頭損失，m。

經過計算水泵揚程為9.16 m，結合廠家材料，選擇水泵型號為:ISW300-235B，流量600 m3/h，揚程12.5 m，功率37 kW。

4 結論

橡膠壩是低水頭擋水建筑物，具有結構簡單，節省三材，造價低，工期短，管理方便，運行費用低，跨度大，地形適應性強，不妨礙河道行洪，充放自如的優點，而且橡膠壩建成后，相當于一座小水庫，其濕地效應將較為明顯，可提高堤周邊地下水位，在一定程度增加了空氣濕度以凈化空氣，相對改善當地氣候質量。但橡膠壩設計中壩袋設計及其重要，本文以實例進行了壩袋設計及計算，供同仁設計參考使用。

[1] 高本虎.橡膠壩工程技術指南[M].北京.中國水利水電出版社，2006.

[2] 中華人民共和國水利部.SL227-98橡膠壩技術規范[S].北京.中國水利水電出版社，1998.

[3] 黑龍江省水利水電勘測設計研究院.哈爾濱阿城區阿什河景觀工程初步設計[R].哈爾濱.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，2011.