探討多跨大型橡膠壩設計中應注意的幾個問題

李 娜

（山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000）

橡膠壩由于其外層采用橡膠作為防護涂層，所以從外表上看很像個大橡膠。它是一個使用水或氣體調節大小的橡膠壩，將它固定在水底的底板上，在充滿氣體或液體的時候就會膨脹成為一個封閉的壩體，通過調節水袋中的液、氣體體量來控制水壩的高度，能夠有效的調節上游水位，對于周邊的農業灌溉、水力發電、航船運輸、防洪排澇、抵汐擋潮有著重要的調節作用，本文結合月亮島橡膠壩進行分析，針對其特點探索橡膠壩的設計需注意的問題。

1 橡膠壩特點和發展

1.1 橡膠壩的分類及特點

橡膠壩主要可以分為五大類外形，即枕式橡膠壩、斜度橡膠壩、弧形橡膠壩、脊背式橡膠壩、擾流橡膠壩。橡膠壩通常都是里面充水或者充氣。枕式橡膠壩和斜度橡膠壩在外形相類似，在坡度上有所區別，主要用于大跨度的水工建筑中，可用于調節水庫泄洪、水渠卸閘，有利于調節蓄水和水位調節，也可以用作沿海的抵汐擋潮，由于材質的原因不受到海洋生物和海水的侵蝕，相對于傳統海防設施有著更可靠的優點。脊背式橡膠壩顧名思義其截斷面類似于書本，整個壩體外觀平整光滑，在出廠時一次壓膜成型，更具有整體性，對于較少震動緩解水流撞擊更有優勢，由于脊背式橡膠壩外形美觀一次成型，在撤氣或撤水的時候會完全扁平，減少了壩體的低流干擾[1]。例如云南省西部邊緣地區的瑞麗江流域建立的月亮島橡膠壩，就是位于姐告河段下游800 m處，設計理念就是充分利用瑞麗江水資源，完善生態文明建設，優化水資源配置，改善周邊人居環境，提升城市形象。

1.2 橡膠壩的發展

我國目前的橡膠壩數量已建成的已有很多，按照我國的水利工程的實際情況以及多年的建設經驗，已經形成了具有中國特色的橡膠壩體系，但是通常都是以中、小型為主。大型多跨橡膠壩其實在實際應用中有很多地方可以使用，也是未來水利工程的重要發展趨勢，隨著科技的發展與技術的不斷完善，大型多跨橡膠壩的需求量也在不斷增加。由于跨度大、跨數多、水容量大等特點，其工程布置形態、水泵安置位置、充氣和充水系統、上下游防護措施等方面需要進行更加嚴格的規劃考量，這也是我國目前大型多跨式橡膠壩設計的重點與難點[2]。

2 多跨大型橡膠壩設計中應注意的若干問題

2.1 高低壩布置形式或深淺槽布置形式

橡膠壩的地底基礎有多種形式，我國采用的平底板型居多，但是這種基礎底板不太適合于寬流域的水道以及山坳中的河道，寬流域的水道水流大但是流速低，而山坳中的河道則可能帶有大量的泥沙，在平底板基礎高低一致，就會導致水流變道或改變形態，尤其是泥沙會促成壩上和水庫產生沉落淤積，長期以往對橡膠壩有著非常不利的影響。大型多跨橡膠壩由于跨度大、跨數多很容易造成嚴重的落淤現象，一旦達到一定的程度就會致使橡膠壩損壞甚至報廢，涉及到的經濟成本非常高[3]。例如月亮島橡膠壩的沖沙閘工作閘門位于閘室偏于上游部位，閘門為8.0 m（寬）×6.0 m（高）平面鋼閘門，閘門單重11.7 t，共計3扇，根據以往的實踐，有的山坳河道中可以保留原有的深基槽，并采用深淺基槽的布置方式，小洪水可以從深河道中串流，在不改變水流形態的基礎上減少橡膠壩的塌落次數，以此延長其使用壽命。

2.2 排水系統的布置

很多河道水流湍急、水量大，在其周邊布置泵站是設計環節必須要重視的問題，一旦排水系統設置不夠精確或者不合理，直接關系到日后的運行情況。大型多跨式橡膠水壩一般設置在河道較寬、壩體沿線長的地段，所以必須要滿足使用設計功能，但是上游可能突發洪水，就要有足夠的泄洪能力，同時壩體泄氣后也不能阻止水流，所以涉及相關的運行管理及經濟投資等問題。例如月亮島橡膠壩可控制流域面積7762 km2，設計洪水為50年一遇洪峰流量2730 m3/s，20年一遇洪峰流量2580 m3/s，在設計環節，上游如果泄洪橡膠壩必須能夠快速的塌壩，這就首先要計算泵站的運行能力，保證符合排水規模，但是充壩的時間很少有約束。所以在泵站布置的時候要盡量使用大泵排水、小泵充氣，水下要預埋潛水泵作為不時之需的備用泵。用大泵站排水主要是為了泄洪時爭奪時間，由于充水、充氣一般不受時間限制，所以采用小泵來充水可以避免經濟上的浪費，還能利用小泵站排除殘留余水。采用大、小泵站相結合的方式具有更高的性價比。潛水泵由于不受到水位的影響，即便是水位較低也能從底部將水抽取上來，同時也能為排水作出貢獻[4]。

2.3 充水井的結構

大型多跨式橡膠水壩充水量非常大，但是如果充水井無法滿足壩體的用水量，那么泵站也就不能全功率的運行，不僅浪費了水泵的輸出功率，還可能造成干燒現象。不僅會增加用電量，還可能威脅到泵站電機的使用效果，而且長時間不能泵滿，增加了充水難度，越到后期泵水愈加困難。例如月亮島橡膠壩基中等透水帶厚15.0 m。經計算兩座橡膠壩壩基及堤基滲漏總量分別為477.27萬m3/a、277.91萬m3/a，滲漏對橡膠壩正常蓄水的影響較小。要解決大型多跨橡膠壩的沖水問題要從兩個方面入手，首先是利用天然河道中的水源補給，其次是利用充水井的從地下水中進行水量補充。很多大型多跨式橡膠壩的單個壩袋充水量就需要數千立方米，在水源充足的情況下充滿一次就需要十幾個小時，因此采用將充水井優化的策略，即在地下水不夠充足的情況下使用地下水，增大充水井的進水面積，快速提升充水效率[5]。采用滲透井也是增加充水效果的方式之一，滲透井主要是在壩前打通一個管道，管道直接延伸至河道，但是由于河道中泥沙很多，在設計階段就要考慮如何防止泥沙堵住管道的問題。也有在橡膠壩外圍處建立水箱的特例，在需要充水的時候可以快速將水箱的水導入壩體當中。改善充水井結構也是快速充水的重要解決辦法之一，例如增大鋼筋混凝土的井口直徑，又或者充水井的砌筑結構變更為下部干砌石結構、上部混凝土結構，使得井壁也能透水，增大了透水量也就等于增加的充水水量。

2.4 錨固形式

大型多跨式橡膠水壩跨越長度大、壩體垂直度較高，攔截水量更是驚人。整個壩體都承受了水的壓力，這就不僅需要壩體本身有足夠的強度，還要求壩體與底部的錨固有足夠的剛度和穩定性。橡膠壩的錨固形式主要有螺栓固定形式、楔形塊固定形式、膠囊固定形式。這幾種錨固形式各有優缺點，首先楔形塊固定形式就是利用摩擦力將楔形塊釘入到固定點中，具有施工便捷、經濟適用的特點，但是由于受力不均衡，所以不能承擔過大的壩體，建議僅適用于3.5 m以下的橡膠壩上。其次是膠囊固定形式，這種方式屬于傳統的錨固形式，具有一定的安裝隱患，在新型的水壩中極少用到，僅作為了解。然后是螺栓固定形式，螺栓采用特制的金屬材料并在加工出廠前進行了防腐蝕、防銹蝕的工藝處理，在實際使用中具有安裝方便、施工簡單、施工時間短、維修便捷等多種優點，是目前使用最為廣泛的一種錨固形式，也是大型多跨式橡膠水壩的安全性最高的錨固方式。對橡膠壩、沖沙閘、存在液化可能的砂基部分采用振沖碎石樁進行加固處理，如月亮島橡膠壩采用樁長4 m～5 m；振沖碎石樁樁徑采用1.0 m，振沖器功率采用75 kW，樁間距2.5 m，正方形布置。振沖碎石樁處理完成后，將頂部不密實部分清除，在樁頂上鋪填0.5 m厚水泥土褥墊過渡層，至建基面，對于一些有特殊要求的橡膠水壩可以采用多點組合的形式進行錨固。

2.5 自動補水裝置系統

中型及以上多跨式橡膠水壩在運營期間經常會發生自行塌壩現象，造成這種情況主要是因為壩體錨固位置松動、基礎底板漲縮、閥門關閉不嚴、導管老化等多種因素促成的。當大型多跨橡膠水壩自行塌壩現象出現的時候，大多是以充水方式繼續補水的，但是這樣的補水方式需要消耗大量的人力、物力、電力，是一種資源浪費，而且隨著時間的推移塌壩現象還會繼續，也就是說需要一直不斷的持續補水。自行塌壩現象出現，不能等到完全塌到標準水位再補水，這就在之前的補水就需要泵站開始運行，而一旦運行就可能會產生水錘現象。水錘是一種危害巨大的供水現象，很可能造成管道、閥門、壩袋的損壞。停止補水時泵站也會有反向水錘，所以說塌壩補水的危害很大，在設計中就要充分考慮。設計自動補水裝置系統是目前看來較為理想的措施，當塌壩現象發生時系統會自動進行補水，減少了人力監控的失誤，也能有效防止水錘效應的危害，使得橡膠壩平穩運行。

3 結語

多跨式橡膠壩是我國未來發展的水利工程趨勢，它能有效彌補傳統水壩的短板，且自身具有多種優點。本文對高低壩布置形式或深淺槽布置形式、排水系統的布置、充水井的結構、錨固形式、自動補水裝置等方面進行了問題分析和總結，結果可為我國的水工設計提出更多建議，促進水利工程更加完善，為我國的水利事業獻計獻策。