16年后再“斤斤計較”新洲舉水橡膠壩工程設計

【摘要】新洲舉水橡膠壩是2000年設計施工建造的，已經運行約16年，為當地灌溉、供水、水生態環境等方面起得了良好的社會效益和經濟效益。橡膠壩建成時其高度和跨度屬國內規模較大的，該壩在這些年的運行管理過程中，積累了一些寶貴經驗。作為參與設計者之一，現在回頭看當初的設計固然有可喜成功之處，但更有值得今后改進和完善的地方。

【關鍵詞】橡膠壩；設計；改進

1、引言

橡膠壩是20世紀50年代末，隨著高分子合成材料工業的發展而出現的一種新型水工建筑物。它是用高強力合成纖維織物做受力骨架，內外涂敷合成橡膠作粘結保護層，加工成膠布，按要求的尺寸，錨固在混凝土基礎底板上，成封閉袋形，用水、氣或水氣混合充脹，形成擋水壩。不需要擋水時，泄空壩袋內的水、氣，便可恢復原有河渠的過流斷面。壩高可調節，壩頂可溢流，起活動壩和溢流堰的作用。橡膠壩具有投資低、節省三材、結構簡單、施工及安裝簡便、制造工廠化、工期短、生效快、運用管理靈活方便、泄量大淹沒小和抗震性能良好等特點，一般適用于低水頭大跨度的閘壩工程。

我國自1965年開始橡膠壩的研制工作，至今已建成各種橡膠壩以千余座計，遍及我國絕大多數省市，并以每年50座左右的速度發展。應用范圍十分廣闊，不但用來代替各種閘門、活動溢流堰、船閘閘門、防潮閘，還建成了片閘、渡槽、袋式活動圍堰、防浪促淤浮網片壩等等。但在2000年以前，湖北和湖南地區橡膠壩并不多見。自2000年5月武漢市新洲區舉水橡膠壩建成后，由于獨創的設計特點，贏得了普遍好評，并成為當地示范工程，被廣泛推廣應用。

2、工程概述

舉水地處長江中游下段北岸，是鄂東北地區跨行政區域的一條較大水系。它發源于大別山中段南麓鄂豫交界處的風包泐山，自北向南流經麻城、新洲、團風等市、區、縣，在距武漢市下游66.1 km處新洲大埠街境內注入長江。舉水干流長170.4 km，平均坡度0.63‰，流域面積4 054.6 km2。

新洲舉水橡膠壩工程位于武漢市新洲區城關舉水河新大橋上游900 m處，距舉水在長江出口27.5 km。它是舉水灌區補源主體工程。樞紐建筑物自左向右分別為帶有升臥式平面鋼閘門的泄水閘、2跨5 m高橡膠壩、河心灘、2跨3 m高橡膠壩。根據水量平衡計算確定的興利庫容和沿河兩岸抽水泵站、涵閘對水位的要求，確定新洲舉水橡膠壩的正常擋水位26.00m。橡膠壩壩址處主河槽寬250 m，河床平均高程20.90m；次河槽寬130 m，河床平均高程23.05 m。主河槽與次河槽之間有近100 m寬的灘地，灘地平均高程27.5 m。根據防洪、灌溉、供水及生態、環境等要求，確定新洲舉水橡膠壩的總體布置為：橡膠壩正常蓄水位26.00m，主河槽內橡膠壩底板高程21.00 m，壩高5.00 m，布置兩跨，每跨105.0 m，采用斜坡錨固，中墩、邊墩的斜坡段坡度1：2；次河槽內橡膠壩底板高程23.00 m，壩高3.0 m，布置1跨，跨度100.0 m，采用堵頭式錨固。壩袋與混凝土底板均采用螺栓、鋼板壓條錨固。

根據舉水河流域規劃，在符合防洪規劃的前提下，舉水橡膠壩庫容可滿足舉水灌區內1.37萬hm2在農田85%年份的灌溉需水量以及河道兩岸城鎮生活用水和工業用水，同時改善水生態環境。

3、工程設計方面較成功之處

3.1 底板高程、跨度定得較合理

（1）底板高程

底板高程與河床高程息息相關，通常情況下底板高程與河床高程齊平或弱高，但是，什么是河床高程？河床不是水平的，河床有河槽和灘地，因此，河床高程是指河床的平均高程，既不是河槽高程，也不說河灘高程，應該是將建壩處的河床橫斷面測繪出來，然后按圖分段加權平均計算河床平均高程。橡膠壩壩址處主河槽寬250 m，河床平均高程20.90m；次河槽寬130 m，河床平均高程23.05 m。設計底板高程取與河床高程大致齊平原則，即：主河槽內橡膠壩底板高程21.00 m，次河槽內橡膠壩底板高程23.00 m。

（2）跨度

由于建壩處屬于平原河道，為了減少修建水工建筑物對河道阻水的影響，盡可能采用大跨度，并參考國內當時同類高度橡膠壩最大的寬度，還考慮單跨壩袋的加工、運輸、重量等因素，最后確定：主壩2跨，每跨105m；次壩1跨100m。

這些年運行表明，在洪水期間，當塌壩運行時既不存在泥沙淤積在壩袋上影響壩袋的升壩，也幾乎不存在阻水造成洪水抬高現象；在正常擋水時，橡膠壩沒有振動、抖動現象，說明橡膠壩底板高程和跨度是合理的。

3.2橡膠壩一側布置水閘，為工程管理提供 “工具”

在橡膠壩主壩左側布置了一孔水閘，其底板低于橡膠壩底板1m，事實證明有很多好處：一是解決換橡膠壩袋時導流問題；二是保證橡膠壩充水進水口處泥沙不淤積問題；三是橡膠壩溢流水頭超過50cm時，可用閘門靈活調節流量，減少過壩溢流水深。

水閘設計考慮的問題：

（1）美觀。橡膠壩是一種低水頭、大跨度且可溢流的擋水建筑物，而水閘跨度小，啟閉室出露于水面之上，在水閘設計時應注意尺寸與橡膠壩協調一致，適當降低水閘高度，避免“碉堡式”水閘的出現。升臥式平面閘門利用平面直升閘門擋水和弧形門槽啟閉的特點，在弧形軌道上作弧形運行，可使平面閘門的機架橋高度顯著降低（一般可降低閘門高度的70%左右）。當水閘整體高度降低后，美觀問題就解決了一半。同時，適當引入建筑美學內容，增強工程整體美感。

例如，新洲舉水橡膠壩注重建筑物的美觀，泄水閘采用升臥式平面鋼閘門，較平面直升閘門方案的啟閉室高度降低4.5m，同時將壩袋錨固的邊墩與泄水閘的邊墩相結合，并將邊墩設計為空心墩，泵房布置其內，空間布置緊湊；此外啟閉室采用古典建筑的亭閣造型，使整個橡膠壩工程與周圍環境融為一體。

（2）換橡膠壩袋時導流。由于橡膠壩袋易老化，每15～20年就要更換一次，在更換過程中，其導流是個大問題。舉水橡膠壩設計時就考慮了利用水閘在冬季換壩袋或檢修導流。水閘的孔口尺寸為9.0×6.0m（寬×高），水閘底板高程比橡膠壩底板低1.0m，當上游水位與閘底板齊平時，水閘過流能力到達10m3/s，即能滿足通過枯水期1-3月5年一遇洪水要求。

（3）中、枯水期開啟水閘還可利用較大流速帶走閘前淤沙，保證橡膠壩充水進水口高于河床不少于0.5m。舉水橡膠壩充水進水口布置在水閘上游側，其底部高程比水閘底板高0.5m，在橡膠壩運用中，閘門經常開啟以在壩前后形成過流沖沙通道，減少壩前淤積。

（4）水閘的消能防沖設計

當水閘上下游水頭差大于3m時，水閘消能防沖問題不容忽視。通常情況下，經規范計算的消力池水深很大，施工比較困難。舉水橡膠壩設計時，為減少池深、提高消能效果，在消力池內設輔助消能工、出口處設尾檻。此外，水閘與橡膠壩之間布置隔離導流墻，在水閘單獨運用時，可減少閘后折沖水流的產生。

3.3橡膠壩壩高宜留余地

橡膠壩的特點之一就是高壩可以當低壩運行，即5m高的壩根據需要可以逐級運行。隨著城市的發展，人們對水景觀和生活休閑的要求也逐漸提高。橡膠壩的修建在枯水期或在河道來水流量小時抬高城區河段水位，形成的人工湖泊、濕地可極大地美化和改善城區生態環境，促進沿河兩岸土地增值。在壩高選擇上，特別是當勘測資料不全時，考慮到橡膠壩運行高度可調，高壩可低壩運行而低壩無法進一步加高運行，在壩高選擇時宜高不宜低，為橡膠壩的再利用留出余地。

4、以后類似設計可改進之處

4.1 充水設備不需要大而全

舉水橡膠壩充水設備選擇了兩套水泵及配套電機。水泵參數流量Q=1600～1900m3/s，揚程H=9～15m，電機功率110kW，當時設計的理由是一臺（套）常用，另一臺（套）備用。現在看來有點“浪費”。由于舉水橡膠壩的排水出口是布置在橡膠壩下游，當打開閥門可自行排水，無需水泵排水，基本上可將壩袋內的水排掉80%左右。在平時管理運行時，水泵利用率很低。建議以后同類壩設計時沖排水設備規模減半，即采用兩臺（套），其水泵參數流量Q=800～900m3/s，揚程H=9～15m，電機功率45kW，兩臺（套）相互既可常用，也可備用，降低造價，節約泵房空間，還可減小變壓器等電器設備。

4.2 消能防沖設施需考慮河道采砂水位下降影響

橡膠壩投入使用后，必須嚴格控制橡膠壩下游一定范圍內采砂，以免對橡膠壩的穩定造成影響。下游河道多年采砂，容易導致河道整體下切，橡膠壩海漫尾部出現陡坎，從而對橡膠壩的穩定構成極大威脅，因此管理單位必須嚴格控制橡膠壩下游采砂。此外，在橡膠壩設計時，下游海漫的長度20～30m、坡度通常在1/10，如果河道有采砂且很難控制，建議加大海漫后面的防沖槽深度和斷面尺寸，防止河道采砂引起下游水位下降不大的情況下不至于影響海漫和消力池的安全，因為消力池、海漫、防沖槽之間是“唇亡齒寒”的依賴關系。一旦消能工破壞，整個閘室工程隨即破壞。

5、工程管理方面的問題探討

橡膠壩工程能否安全運行、充分發揮效益，除了有合理的設計、精心的施工及高質量的壩袋外，加強工程管理維修、健全嚴格的運行制度也是十分重要的。新洲舉水橡膠壩工程在其運行管理階段，安排了高素質、懂技術的管理人員，嚴格執行橡膠壩這一特殊水工建筑物的管理條例，并將橡膠壩觀測資料進行整理計算和校核，為橡膠壩的研究和發展積累經驗，以確保工程在安全高效條件下運行。

從舉水流域面積4054.6km2，壩址以上流域面積3176 km2，壩址處多年平均輸沙量為35.4噸，一次洪水過后，壩址斷面泥沙沉積厚度最大為9.4cm，最小為4.7cm，據有關資料，壩袋上泥砂覆蓋厚度小于50cm時，不影響壩袋運行，因此泥沙不影響壩袋運行。本工程由于單跨壩長在壩高為5m的情況下為全國最長，為了不影響壩袋的安全運用，在高壩左側建一升臥式調節閘，在溢流水深超過0.5m時開啟調節閘，當流量大于217m3/s時塌壩運行。

為保證橡膠壩安全運行，應特別注意如下幾點：

（1）橡膠壩嚴禁超高、超壓運行，只能在低于或等于設計壩高、內壓的情況下運行。

（2）必須做好壩體充排水準備工作，包括：清除壩袋及錨固件上的雜物，檢查機泵、管路及閥門等設備是否正常。

（3）對壩區水流、含沙量等進行定期觀測。①觀測水流是否平順，水躍是否發生在消力池內，有無折沖水流、洄流、漩渦等不良流態；②觀測河道含沙量的變化，防止泥沙對壩袋的磨損，同時在含沙量較大時塌壩排沙沖淤，保持一個長期而有效的可利用庫容。

（4）控制壩高達到設計高度情況下壩頂溢流水深在0.5 m以內，若壩頂溢流水深超過0.5 m，及時降低壩高運行。

（5）運行過程中對壩袋的工作狀況進行實時觀測。避免出現溢流水深和下游水位的不利組合，若出現壩袋振動，及時通過調節泄水閘門開度或改變壩高等措施來減輕或消除振動。

6、結語

新洲舉水橡膠壩工程是當時國內建設規模較大橡膠壩之一，，在設計過程中解決了很多難題，也有許多創新之處，豐富了橡膠壩工程的設計內容，達到了工程建設的目的，工程建成后示范作用十分突出，自工程開工建成后參觀者絡繹不絕。工程建成運行至今，社會效益、生態效益和環境效益顯著，為湖北省其它地方乃至全國修建類似的橡膠壩工程積累了寶貴的設計施工及運行管理經驗，雖然有成功之處，但16年后回頭看，也存在有很多改進空間，特別是一些“細節”，如果認識不到位，直接影響工程造價、運行管理、效益發揮等。

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