橡膠壩壩下浪涌消除對策及工程改造措施

曲 磊

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

在水利水電工程建設中，隨著城市用水、景觀建設、環境整治及灌溉等需求，攔河建筑物得到廣泛的運用。河道中的攔河建筑物具有攔截水流、雍高水位、調蓄水量等作用[1- 3]。橡膠壩作為眾多攔河建筑物的一種，具有施工便捷、造價低廉、運行穩定、塌壩速度快不影響行洪等特點，在國內大部分地區應用較多[4]。

橡膠壩自20世紀90年代以來在我國發展迅速，目前各方面技術都比較成熟。隨著早期建設的橡膠壩使用年限的增大，橡膠壩底板裂縫、壩袋老化、錨固結構強度降低等情況時有發生[5- 6]。并且隨著社會經濟發展的需要以及人們對親水環境的渴求，很多橡膠壩運行工況發生變化，導致橡膠壩的運行條件隨之改變[7]。本文以沈陽市砂山橡膠壩改造工程為技術背景，分析了壩下浪涌形成的原因，采取相應維修改造措施，消除橡膠壩安全隱患，保證橡膠壩穩定運行。

1 改造背景

1.1 砂山橡膠壩簡介

砂山橡膠壩工程位于沈陽市境內渾河城市段的河段上，工農橋下游900m處。橡膠壩為4跨充水式橡膠壩，楔塊錨固型式，設計標準為20a一遇，設計流量為3569m3/s。橡膠壩總長330.4m，壩頂高程為37.00m，壩底板高程為34.50m，壩頂溢流水深為0.3m。

1.2 改造原因

(1)橡膠壩壩后浪涌。砂山橡膠壩下游建有渾河閘，壩下水位由渾河閘正常高水位回水控制。渾河閘在2014年進行了除險加固，原設計正常高水位由于控制運用的要求，由原來的35.00m調整至36.00m。在渾河閘正常高水位運行期間，砂山橡膠壩下游水位保持在36.00m左右，橡膠壩上游溢流水位仍為37.00m。由于砂山橡膠壩下游水位的抬升，橡膠壩的運行工況發生了變化，橡膠壩壩袋下游側出現順壩向波浪，波浪在橡膠壩壩墩間往復運動，如圖1所示。同時，橡膠壩壩袋頂部隨波浪運動出現局部塌陷，塌陷規律與波浪走向同步，如圖2所示。

圖1 壩袋下游浪涌

圖2 壩袋塌陷

(2)橡膠壩錨固楔塊松動。砂山橡膠壩壩袋的錨固形式采用楔塊錨固，壩后浪涌的出現，致使壩袋波動頻繁。通過現場調查發現，部分楔塊發生松動，壩袋錨固后預留的壩袋寬度個別部位減少，壩袋有抽離現象，并導致局部壩袋有效長度增加。

2 改造的必要性

砂山橡膠壩溢流期間，壩袋下游側出現明顯的順壩向波浪，波浪的出現改變了壩袋下游的水流條件，引起壩袋的波動。同時，壩袋錨固長度減少導致壩袋有效長度增加，致使壩袋在充滿狀態下，垂直水流方向上壩袋截面發生變化。截面的不同，導致壩袋不同部位溢流流量發生改變，當相鄰部位的溢流量不同步時，流量較大的一側對流量較小的一側產生一個橫向推力。當這個推力足夠大時，即有可能引起順壩向波浪。

不論是壩袋有效長度的改變，還是壩袋下游側波浪的出現，對橡膠壩的安全運行都是極為不利的。這不但造成了壩袋下游水流的波動，對壩袋結構的破壞也是非常明顯的，若不能及時解決，橡膠壩有滲漏垮壩的風險，存在極大的安全隱患。

3 橡膠壩改造措施

為消除橡膠壩安全隱患，保證壩袋受力均勻、壩頂溢流平順，壩下水流形態平穩，通過增加輔助引流導流墩、改變壩袋錨固型式的方式對砂山橡膠壩進行全面改造[8- 9]。

3.1 壩墩改造

為消除橡膠壩壩下游浪涌現象，通過適當延長橡膠壩壩墩長度并在橡膠壩消力池斜坡增設導流趾墩，使壩后水流能夠平順下泄，同時能夠縮短壩下水面吹程，以降低下游形成浪涌的可能性[10]。橡膠壩改造平面布置如圖3所示。

圖3 橡膠壩壩墩改造平面布置圖

3.1.1壩墩延長

為減小波浪的傳播距離，在消力池底板上增加一定高度的導流墻。根據橡膠壩下游運行高水位36.00m加安全超高及橡膠壩運行管理經驗，導流墻高度綜合確定為36.50m；導流墻長度根據橡膠壩下游波浪的傳播寬度及體型外觀要求綜合確定。

導流墻自壩墩下游側至消力池水平段垂直底板布置，導流墻水平投影長度為5m，墻頂高程36.50m，墻厚0.4m，導流墻上、下游端部為半徑0.2m圓弧段。導流墻下通過錨筋與原有消力池底板連接，導流墻縱剖面如圖4所示。

圖4 導流墻結構縱剖圖

3.1.2增設趾墩

為改善橡膠壩溢流后的水流條件，通過在消力池底板斜坡段末端增加趾墩輔助消能工措施，使射流沿齒槽分成多股水流，以增加水股深度和上下股水流的擴散作用，緩解順壩向波浪的生成。趾墩下部通過錨筋與原有混凝土底板錨接，趾墩高1.3m，寬0.3m，間距5.0m，平行布置于消力池斜坡段末端，趾墩縱剖面如圖5所示。

圖5 消力池趾墩縱剖圖

3.2 錨固型式改造

本次改造將原壩體楔塊錨固改造為螺栓壓板錨固[11]。與新建橡膠壩預埋螺栓錨固件不同，改造需要在原錨固槽內重新植入螺栓構件，保證植入鋼筋具有足夠的強度以達到壩袋抗拔要求為本次改造重點。壩袋錨固改造根據錨固槽部位的不同，共分為順壩向錨固與端部錨固2種。其中，壩頭端部錨固由于槽內下方有充排水管路，不能植入較深的鋼筋，因此采取了特殊處理。

3.2.1順壩向錨固槽改造

橡膠壩原錨固槽設計寬度為30cm，深度為28cm，對原錨固槽進行改造，采用人工鑿除部分混凝土，鑿除深度為54cm。槽內下入錨固螺栓[12- 13]，螺栓總長度為600mm，螺栓直徑選取27mm，螺栓錨固深度為15dm。混凝土拆除時保留原底板錨固槽鋼筋與新植入的錨固螺栓焊接，在錨固槽內填充C30混凝土[14]，順壩向錨固槽改造結構圖如圖6所示。

3.2.2壩端錨固槽改造

橡膠壩原錨固槽設計寬度為30cm，深度為28cm，對原錨固槽進行改造，采用人工鑿除部分混凝土，鑿除深度為35cm。此處若仍采用順壩段植入長錨筋的形式，有可能會鑿穿充排水管路，因此改為槽內植入錨固鋼板與原有鋼筋焊接，并將預埋螺栓與鋼板焊接，螺栓總長度為290mm，螺栓直徑為27mm。混凝土拆除時保留原底板錨固槽鋼筋與新植入的錨固螺栓焊接，在錨固槽內填充C30混凝土。橡膠壩端部改造結構圖如圖7所示。

3.2.3錨固槽改造要求

擴大原有錨固槽施工，應采用電鎬、風鎬人工拆除混凝土，拆除過程中應保證底板內的鋼筋不發生破壞，且擴槽后的深度不宜超過底板總厚度的三分之二。拆除后的混凝土碎渣首遍清除后，需往槽內注水，浸泡松動但未脫落的混凝土碎屑，浸泡24h后槽內水排空，用鐵刷刷除開槽后混凝土表面松動的碎屑，直至表面再無碎屑脫落，并清理干凈槽內殘渣。新、老混凝土接觸部位均需涂抹混凝土界面劑，以保證新老混凝土的澆結強度。

4 結語

因擴槽對原底板結構有一定破壞，在施工中應密切關注底板變化情況，避免因擴槽導致底板產生裂縫等安全隱患。與新建橡膠壩螺栓壓板埋件一次澆筑相比，工程較好地解決了螺栓壓板埋件后錨固難題，取得的相關經驗，可為類似工程的改造提供借鑒。

圖7 橡膠壩端部錨固槽大樣圖(單位：mm)

砂山橡膠壩自改造完成后，已經過汛期的檢驗，橡膠壩運行穩定，壩下水流平穩，無異常現象發生，工程改造效果良好，達到了相應的技術要求，獲得了較好的經濟效益及生態效益。