淺談充水橡膠壩壩袋設計中需要注意的幾個問題

摘 要：文章簡要介紹橡膠壩設計壩袋計算工作流程及特點，著重提出了在設計過程中需要注意的問題，針對各個問題提出了作者的觀點，供讀者共同研究探討。

關鍵詞：橡膠壩；壩袋；設計；問題

1 設計工作背景

半支箭河橡膠壩蓄水工程位于新區（八家組團）東側半支箭河上。赤峰市是內蒙古東部地區重要交通樞紐，是鐵路、公路、航空運輸的集散地。半支箭河橡膠壩蓄水工程已建有3座橡膠壩，壩址編號從下游至上游分別為BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ，橡膠壩間距依次為745米、500米?，F擬建的BⅣ-Ⅳ橡膠壩工程位于第三道橡膠壩上游470米處，即半支箭河王府橋上游425米，巴林橋下游520米。半支箭河BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ橡膠壩建設已分別于2005年、2006年完成，在上述工程實施的基礎上，進行了半支箭河BⅣ-Ⅳ橡膠壩蓄水工程的設計。

2 橡膠壩壩袋設計基本內容

2.1 橡膠壩工程規模確定

根據《水利水電工程等級劃分與防洪標準》（SL252-2000）及《水閘設計規范》（SL265-2001），橡膠壩段（發生100、50、20年洪水時橡膠壩必須坍壩泄洪）防洪標準為100年，100年一遇洪水過堰洪峰流量為1550m3/s。根據攔河閘工程分等指標，工程等別依據其過流流量確定，由于過閘流量在1000-5000m3/s，工程等別屬Ⅱ等，大（2）型，主要建筑物級別為2級。

根據《橡膠壩技術規范》（條文說明）（SL-227-98）之1.0.3款，由于此橡膠壩位于中心城區，屬重要工程，工程建筑物級別為3級。并根據《水閘設計規范》（SL265-2001）2.1.6款的規定，參考《新城區橡膠壩蓄水工程初步設計報告》中Ⅰ-Ⅰ橡膠壩工程等別的確定，確定半支箭河橡膠壩工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級，臨建為5級。橡膠壩洪水為20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核，臨建洪水標準為5年一遇。

2.2 橡膠壩工程總體布置

主河槽為正常蓄水庫區，壩區半支箭河段主河槽寬為76～77米。在橡膠壩上游回水區域內的右岸河道堤防護砌采用抗滲標號為W6的半縫混凝土板，左岸為膜袋砼。壩址以上設計河底比降4.5‰，為了防滲在壩前庫底100厘米下鋪設兩布一膜土工膜（700g/m2）與半縫混凝土板膠結為一體，庫底總防滲面積分別為4.26萬平方米。考慮運行后土工膜有局部損壞滲漏時產生揚壓力，可能使覆膜膨鼓，所以在壩區覆膜范圍內每隔30米鋪設一道鉛絲石籠壓膜帶，壓膜帶高100厘米，寬70厘米。

橡膠壩設計壩高為3.0米，總壩長為76.8米，壩頂以下蓄水庫容為8.14萬立米，相應水面面積為5.64萬平米。

橡膠壩為2孔，為充水型橡膠壩?？卓趦魧捑鶠?8米，立壩蓄水時，壩頂允許最大溢流量為55.08m3/s。壩底板順水流方向長度11米，墩寬0.8米，上游砼鋪蓋5米，下游消力池長為10米，消力池深0.6米，海漫順水流方向水平段長6米，斜坡段長12米，防沖槽深1.0米，寬6米。

泵房及管理房建布置在橡膠壩右壩防洪堤外側，總建筑面積184.45m2。泵房布置水源井一眼，管道泵2臺，輸排水管路及各控制盤柜、儀表。主變壓器及各電氣保護布置在泵房處的開關站內。

2.3 橡膠壩泄洪能力計算

壩袋充脹時，根據《橡膠壩技術規范》SL227-98，泄流能力計算公式如下：

Q-過壩流量，m3/s；

B-溢流斷面的平均寬度，B=n×b；

n-孔數，n=2；

b-單跨凈寬，b=38m；

h0-包括行近流速水頭的堰頂水頭，m；

m-流量系數；

σ-淹沒系數，取值1.0；

ε-堰前側收縮系數。

因壩袋為雙錨固結構形式，橡膠壩運用中雙錨固充水橡膠壩流量系數按以下公式計算：

m=0.1630+0.0913■+0.0951■+0.0037■

H0-壩袋內壓水頭，m；

H-運行時壩袋充脹的實際壩高，m；

h1-壩上游水深，m；

h2-壩下游水深，m。

在橡膠壩運用期泄流能力計算時，考慮了兩種情況。一是考慮最高水頭為0.3米時橡膠壩頂溢流能力，二是泄洪前橡膠壩逐漸坍落過程中橡膠壩頂溢流能力。參照已建類似工程經驗，為防止橡膠壩堰上水頭過高而引起壩體震動，確定橡膠壩運行時堰上最高水頭為0.3米。橡膠壩逐漸坍落時，假定壩頂水頭不變，壩袋逐漸降落20cm、40cm、60cm、80cm的流量計算，計算泄流成果見表1。

根據表1計算成果、壩區庫容曲線及坍壩時間對壩區庫水位、逐漸坍壩時泄量和坍壩時間關系進行計算。根據表1計算結果及橡膠壩運行狀態時泄流能力計算公式對橡膠壩逐漸坍落時壩頂泄流能力進行修正，結果如表2。

2.4 橡膠壩壩袋設計

2.4.1 壩袋強度安全系數的確定

橡膠壩技術規范中要求強度安全系數K≥6。

壩袋是很薄的膠布制品，與鋼筋混凝土結構相比，堅固性較差，容易被刺傷和磨損。橡膠壩位于赤峰市新城區內主要河段上，沿岸均為生活區，位置比較重要，應適當提高工程安全性，故本次設計選定壩袋強度安全系數為8。

2.4.2 壩袋強度計算

T=■γH12（2？琢-1）

式中：

T-壩袋徑向拉力（t/m）；

γ-水的容重，γ=1.0 t/m3，（t/m3）；

H1-壩袋充脹高度（m）；

α-壩袋內外壓比α=■；

H0-壩袋內壓水頭（m）。

根據《規范》，充水橡膠壩內外壓比值選用1.3，壩袋充脹高度按設計高度，即H1=3.0米，H0=H1+0.90=3.90米，經計算，在設計壩高下壩袋單寬徑向拉力為3.60t/m。

2.4.3 壩袋幾何形狀的計算

（1）壩袋設計參數

根據《橡膠壩技術規范》（SL227-98）附錄B，壩袋各項設計參數采用查表法進行計算，根據α=1.3，查表B.2.2-1得成果如表3。

表3 橡膠壩壩袋設計參數值

（2）壩袋尺寸及容積計算

由表3所查參數值以及壩高值H1=3.0m，計算壩袋各部尺寸，計算結果如表4。

表4 壩袋環向各部尺寸及壩袋單寬容積

（3）壩袋坍落長度、壩袋有效周長、底墊片的有效長度

a.壩袋坍落后下游錨固點到壩袋未端的距離

b.壩袋有效周長（不包括錨固長度）

L0=S1+S=10.586m

c.底墊片有效長度（不包括錨固長度）

L0=n+X0=5.6358m

2.4.4 壩袋材料設計

（1）按壩袋最大計算拉力乘以安全系數來選擇壩袋膠布，即

KT=8×3.6=28.8t/m，選擇徑向抗拉強力不小于28.8t/m的壩袋。

（2）壩袋膠布使用高強且與橡膠具有良好結合性能的錦綸帆布（錦綸網眼布）。錦綸帆布在涂膠前要求對白坯布進行化學藥品浸漬處理，以加強膠料對織物的滲透和涂敷粘合體系。

（3）壩袋膠料主料采用耐老化、耐腐蝕、耐磨損、抗凍性及耐水性好的國產通用氯丁橡膠，彩色壩袋的貼合復合層主料采用氯磺化聚乙烯。

壩袋面層顏色：應具有持久性，彩色壩袋外覆蓋膠采用復合型式，外敷彩色膠厚度為2.5毫米。

壩袋膠布的膠層厚度：外覆蓋膠厚度2.5毫米，夾層膠0.5毫米，內覆蓋膠2.0毫米。除上述膠層，表層另外加覆2.0毫米厚的純氯丁橡膠片，以減少泥沙對壩袋的磨損。

3 橡膠壩設計中需要注意的幾個問題

3.1 壩袋計算中各有關參數的選擇

橡膠壩壩袋計算中需要用到一個很重要的參數，就是內壓比，內壓比的選擇直接關系到壩袋計算的正確與否。內壓比是指壩袋內壓高度與壩袋設計高度之比。當壩高一定時，壩袋的外形尺寸受壩袋的內壓高度的影響。當內壓高度大時，壩袋有效周長短，土建工程量小，但袋壁拉力大，要求材料強度高；若內壓高度小，壩袋有效周長則長，土建工程量大，但袋壁拉力小，要求材料強度低。因此，理論上講，有一個是壩袋拉力和壩袋有效周長的乘積比較小的內壓高度。怎樣選擇一個合適的內壓比，是檢驗一個設計人員是否合格的重要指標。作者認為，從我國建成的數百座充水式橡膠壩工程設計指標中，內壓比選用在1.1-2.0，但絕大多數是采用1.25-1.6。本次設計根據河道自然地理特征及實際條件，選擇內壓比為1.3，是比較合理并符合實情的。

3.2 有關充水橡膠壩袋材料的選擇

作者認為，橡膠壩袋應滿足下列構造要求：（1）在膠布加工條件許可的情況下，應盡量選用布幅較大的帆布。（2）壩袋膠布的帆布層數不宜超過三層。（3）壩袋膠布各層膠的厚度應滿足：外覆蓋膠厚大于2.5mm；夾層膠厚0.3-0.5mm；內覆蓋膠厚大于2.0mm。（4）在有推移質的河道上，壩袋宜考慮緩沖墊層設計。（5）壩袋膠布應具有耐老化、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊、抗屈撓、耐水、耐寒等性能。

壩袋搭接處粘著強度應大于膠布本身強度。壩袋膠布布幅間的搭接強度應大于壩袋緯向設計強度。搭接方法應與膠布制做廠家商定，搭接強度須經試驗驗證，并應保證壩袋錨固安裝有良好的止水效果。在壩體縱斷面為矩形布置，且選用堵頭結構時，可選用平搭接或無搭接壩袋。

4 結束語

以上是作者從事橡膠壩設計工作中的一點體會和心得，特在此提出以和讀者共勉。充水式橡膠壩的設計結構復雜，計算內容繁多，由于篇幅所限作者僅列出了一部分的計算過程，實際計算中還有許多問題沒有說明，希望以后能夠和更多的讀者一起來就橡膠壩計算的內容進行更多的交流討論，也敬請讀者對文中不妥之處批評指正。

參考文獻

[1]橡膠壩設計與管理[M].中國水利水電出版社.

[2]SL27-98.橡膠壩技術規范[S].

作者簡介：李輝，男，本科，學士學位，現就職于赤峰市水利規劃設計研究院，中級工程師，主要從事水利工程的設計工作。

韓超，男，在職研究生學歷，現就職于赤峰市水利規劃設計研究院，中級工程師，現從事水利規劃、設計工作。