軟水性織物壩在國內外的應用現狀及發展概況

張淏韋

摘 要：軟水性織物壩是一種隨著高分子合成纖維和橡膠工業的發展而出現的新型低水頭建筑物。它用高強力合成纖維織物做受力骨架，內外涂敷橡膠為保護層，制成織物布壩袋，并按要求的尺寸錨固于底板上成封閉狀，通過沖排管路用水（氣）將其充脹形成的袋式擋水壩，壩頂可以溢流，并可根據需要升高或降低壩高，已達到控制水位的目的，已被廣泛應用于防洪、灌溉、發電、供水、航運、擋潮等工程中。

文章總體介紹了軟水性織物壩的應用現狀及發展概況，通過列舉世界范圍內工程的案例，詳細描述了其基本工作原理、分類依據、水力結構計算等，以及在織物壩與攔河閘工程方案對比中，論證了軟水性織物壩在水利工程中應用的可行性及優勢。

關鍵詞：軟水性織物壩;攔河閘;錨固;應用現狀;發展概況

引 言

軟水性織物壩是自20世紀60年代以來，隨著高分子合成材料工業的發展應運而生的一種新型水利工程。壩袋用的膠布是由高強力合成纖維織物等做受力骨架，內外涂敷合成橡膠作粘結保護層加工制成的，它代替了自古以來建設壩體的土，石，木，鋼等材料，屬于水利工程中的一項技術創新。根據壩袋所采用材料的性質和本身特性，軟水性織物壩在國外稱可充塌壩，可伸縮壩，織物壩，尼龍壩等，在我國習慣上稱軟水性織物壩，橡膠壩。

自1957年世界上首座軟水性織物壩在美國誕生至今約半個世紀以來，在國內外得到了更廣泛的應用和發展。

我國自20世紀60年代開始組織跨行業技術攻關，1966年建成第一座軟水性織物壩。經過幾十年的工程實踐，我國軟水性織物壩在規劃設計，壩袋制造，施工安裝及運行管理等方面積累了許多寶貴經驗，逐步形成了自己獨有的特色，并達到世界先進水平。

文章的結構主要分為七個部分，第一二部分，描述了國內外軟水性織物壩發展概況，第三部分概括了軟水性織物壩在世界范圍內的布局，第四部分闡述了軟水性織物壩的分類依據，第五部分講解了軟水性織物壩建設的基本條件，第六部分進行了軟水性織物壩計算方法研究，第七部分通過織物壩與攔河閘建設方案對比，展示了軟水性織物壩工程的優缺點。

一、國外軟水性織物壩概況

1.軟水性織物壩是20世紀60年代，隨著高分子合成材料工業的發展而出現的一種新型的水工工程。世界上首座軟水性織物壩誕生于美國洛杉磯河道上，它的設計師是當時擔任美國加利福尼亞州水利電力局的工程師——努曼·伊姆伯遜（Norman Imberson），他設計并制造了可重復使用的彈性橡膠材料，并于1957年在美國洛杉磯河上投入使用（見圖1）。壩高為1.52 m，長為6.1m，膠布厚為3 mm，膠布強度為90 kN / m，壩袋由火石輪胎橡膠公司生產，并在壩內安裝了水泵，壩體升高到設計高度僅需要25分鐘，并且壩高可以自動調節，這一舉措使得洛杉磯河上游水位升高了40m，極大的緩解了該地區水資源供應短缺的矛盾。

2.日本是一個地震頻發的國家，由于軟水性織物壩對振動和地面沉降的敏感性較低，因此軟水性織物壩在日本廣泛建造。目前世界各國興建軟水性織物壩的總數量約為3000座，但日本一國，據稱已達2000多座。例如在日本黑谷河上的福島充氣軟水性織物壩（見圖2），壩高6.00m，壩長34.5m，單跨。1968年，日本住友工業制造商改良了軟水性織物壩技術，外殼材料使用更穩定的乙烯-丙烯-二烯單體（EPDM），極大的緩解了水流過壩帶來的振動。1978年日本在國際市場上正式推出了第一批充氣式軟水性織物壩，其中一座充氣式織物壩安裝在中國香港（壩長32m，高2.70m），目前運行良好。1983年，日本制定了《軟水性織物壩規劃技術指南》，并在壩袋減振等方面進行了許多創新，例如導流板，挑流鰓，雙層鋼絲網壩袋，以增加彈性，減輕壩袋振動，從而減少對壩袋造成的損壞。

3.1967年，前蘇聯在克基爾亞（Китерна）河上建成第一座軟水性織物壩，壩高2m，壩長15m。灌溉期運行，冬季拆除。1970年在羅斯托夫州白河上建成一座壩高2m，壩長24m，且具有特色的軟水性織物壩（見圖1—3）。其上游鋪蓋和下游海漫也采用膠布作防滲防沖材料，并在下游消力池附近修建了一座尺寸較小的軟水性織物壩聯合運用。前蘇聯還對用橡膠織物材料做渠道和渡槽進行了研究，并總結編寫了《水工建設中的軟水性壩體結構》一書。書中系統介紹了各國軟水性織物壩技術發展概況，設計原理和壩袋制造工藝等方面的經驗，并研究提出了90種壩袋的結構型式，可供借鑒。

在水利工程發展與融合過程中，美國，日本，俄羅斯等國家不斷地對軟水性織物壩進行試驗研究，正式由于各國的高度重視，使得軟水性織物壩技術在世界范圍內廣泛傳播。

二、我國軟水性織物壩概況

自20世紀60年代以來，軟水性織物壩在我國推廣應用的曲折經歷，是一個不斷解決工程中一系列技術和質量問題的逐步發展過程，我國軟水性織物壩的發展進程，按年代大體可分為4個階段：第一階段（1965-1970年），研究試驗階段。第二階段（1970-1979年），總結完善階段。第三階段（1979-1992年），穩步發展階段。第四階段（1992年至今），快速發展階段。

1. 1966年，中國建立第一座軟水性織物壩，名為北京織物壩（見圖4），位于北京南護城河上，是城市工業用水和分洪的節制閘，設計壩高為3.4 m，壩頂長為37 m，壩底長為24 m，河道邊坡為1：2，錨固型式為螺栓錨固，充水水源分兩種，一是取河水，二是取井水，采用水泵充排壩袋。原壩袋運用21年后，于1987年更換壩袋，同時將原來的單錯固改為雙錨固。

2. 1997年，小埠東軟水性織物壩樞紐工程在臨沂沂河上建成（見圖5），沂河河道總長333km，河道寬度約1200m，控制流域面積11820平方公里，上游山洪河道，山高坡陡，比降大，洪水峰高量大，水土流失嚴重，下游水流平緩，泥沙淤積河床。小埠東軟水性織物壩現為世界上最大的軟水性織物壩，壩頂高程65.5米，壩底高程62.0米，設計壩高3.5米，正常蓄水位65.2米，設計洪水位65.5米，軟水性織物壩采用16節，單節凈長70.0米，總凈寬1120米，每兩節壩袋之間設置鋼筋混凝土隔離墩，墩厚1.0米，底寬9米;底板澆筑采用C10鋼筋混凝土，順水流方向長13米，厚0.5米;上游連接段采用C10鋼筋混凝土，順水流方向長12米，厚0.4米;下游連接段由一級消力池，平臺段，斜坡段，二級消力池及防沖槽組成。一級消力池斜坡段長6.4米，坡度1：4，水平長9米，池深1.1米，池底高程60.3米，二級消力池長16米，池底高程56.5米，后接防沖槽，軟水性織物壩設計內壓比為1.3，壩袋采用三布四膠。小埠東軟水性織物壩樞紐工程最大庫容量約2830萬平方米。永久性建筑物設計洪水標準為50年一遇。設計流量16000立方米每秒;100年一遇校核，校核流量19000立方米每秒。

國家的高度重視不僅為我國的軟水性織物壩事業提供了物質基礎，更為軟水性織物壩工程的快速發展奠定了制度保障。目前在我國各種河流上大約有3，000座軟水性織物壩，并以每年平均建設100座的速度擴展，中國建設軟水性織物壩的質量與速度均已達到世界領先行列。

三、軟水性織物壩在世界范圍內的布局

1.迄今為止，自在洛杉磯河建造第一座軟水性織物壩以來，全世界已建造了超過3000座軟水性織物壩（見圖6）。其中大部分坐落在亞洲，89.4%的軟水性織物壩使用空氣，10.4%的軟水性織物壩使用水，空氣和水混合的軟水性織物壩占比0.2%。

圖 6.1956 至 2002 年，世界范圍內軟水性織物壩的布局圖

2.英國迪爾霍夫（Dyrhoff）在1970年創建了軟水性織物壩分布圖，如圖7所示。

四、軟水性織物壩的分類概況

軟水性織物壩的特征是通過壩袋和安裝結構傳遞水平荷載，并且具有混凝土底板的寬度大，壩體結構堅固，彈性柔韌性好等特點，并且對水流振動不敏感。軟水性織物壩和鋼制閘門之間的區別在于，軟水性織物壩袋具有彈性，因此會隨時間長短導致變形和彎曲。關于壩體幾何形狀，填充介質，錨固型式，以及應用領域，軟水性織物壩的分類如下：

1.幾何形狀：膜式和組合式是軟水性織物壩最常見的幾何形狀，通常可以分為垂直，傾斜和橢圓形。在現有的軟水性織物壩系統中，邊界的結構條件通常決定了壩體幾何形狀。其結構型式如圖8，9所示。

2.填充介質：軟水性織物壩是軟水性水工建筑物，其中軟水性織物壩袋與混凝土底板相連接，從而形成密閉的壩袋。可以通過調節內部壓力將壩袋填充并調節到一定高度。通常水或空氣被用作填充介質，但還有一些軟水性織物壩使用水和空氣的混合填充。不同的填充介質決定了壩體的不同特性。例如，充水式軟水性織物壩壩體更穩定，充氣式軟水性織物壩可以快速升高或降低高度以調節水位，水與氣混合式軟水性織物壩即穩定又可以快速調節水位，但密封性較差。其結構型式如圖10，11，12所示。

А —水，В — 氣，1 —壩袋，2 —錨固，3 —抓鎖。

3.錨固型式：錨固的布置可分為單錨固和雙錨固兩種。單錨固是將壩袋膠布安裝錨固在基礎底板上，只有底板上游一條錨固線，通常僅用于充氣式織物壩;雙錨固是兩條錨固線將壩袋膠布分別錨固于四周，通常用于充水式織物壩。單錨固的優點是：錨固件少，安裝簡便，密封和防漏性能好。缺點是：壩袋可移動范圍大，不利于壩袋防震。雙錨固的優點是：成本低，壩袋可移動范圍小，有利于壩袋防振。缺點是：錨固件多，工程量大，密封性差。其結構型式如圖13，14所示。

4.應用領域：軟水性織物壩作為永久性水工建筑物最常應用于生產電能，供水，防洪，灌溉等方面，用于河道上作為低水頭，大跨度的滾水壩或溢流堰;也可以用于渠系上作為進水閘，分水閘，節制閘，能夠方便地蓄水和調節水位和流量。還可以作為臨時水工建筑物存在于河流上，用于沿海岸作防浪堤或擋潮閘。隨著軟水性織物壩在世界范圍內廣泛建設，同時帶動了軟水性織物壩的附屬產品橡膠織物材料的快速發展，為適應在不同條件下應用橡膠織物材料，各國進行了大量的試驗研究，如壩袋膠布的膠料配方研究，帆布試制，壩袋抗波浪技術研究等等，所有這些試驗研究為在不同條件下應用橡膠織物材料提供了可靠的保證，目前橡膠織物材料已經滿足了：抗拉伸;彈性強度高;耐高溫;抵抗沉積物顆粒侵蝕;適應各種氣候等條件的發展要求。下圖15，16，為橡膠織物材料應用實例。

五、軟水性織物壩建設的基本條件

（一）工程建設的必要性

在20世紀中期，在水工建筑物中最常見的是土石壩，混凝土重力壩，鋼閘門等傳統形式的閘壩，它們的使用壽命長達70年，但平均15至20年需要維護保養。隨著水利事業的不斷發展，人們不僅在節省投資，操作和維護費用研究外，開始更多的考慮水利樞紐與環境相適應。因此軟水性織物壩不論在發達國家，還是在發展中國家都具有很強的實用價值和廣泛的適用性，與傳統形式的閘壩相比軟水性織物壩結構簡單，利用自然，又不破壞自然，這一特點也利于生態環境的保護。目前，在世范圍內軟水性織物壩以每年近3000座的速度增長，不僅僅是軟水性織物壩比傳統形式的閘壩在經濟更為節省，我覺得更是以下幾點：

1.工程投資省，效益高，對地形具有較高的適應性和應用范圍廣泛。并且結構簡單，工作靈活，可用于地質條件困難，徑流量大的河流。以及它自重輕，不阻水，并且耐地震和沖擊，不會對水體，環境造成破壞。

2.符合城市總體規劃的要求。隨著工業化進程不斷加快，城區地下水超采嚴重，易在市區形成漏斗區，大都呈橢圓形分布，通過建設軟水性織物壩工程對城區段地下水快速回灌補源，避免地面沉降帶來的次生災害，并增加了地表水的利用量，有效緩解了城水資源供需矛盾。

3.施工期短，可做到當年施工當年受益，當特大洪水來臨時，可以迅速進行塌壩泄洪，安全度汛保障壩體安全。

（二）工程布置原則

隨著科技水平的提高，軟水性織物壩技術將日臻完善，其獨特的優點被越來越多的人所認識。根據世界軟水性織物壩的發展以及在中國應用30多年的具體實踐表明，閘壩址選擇應根據其特點和功能，考慮地形、地質、水流、泥沙、施工、管理等因素，經技術經濟比較后確定，因此我認為軟水性織物壩壩址選擇所遵循的原則如下：

1.閘軸線應與河道中心線垂直，滿河道布置，少壅水;擋水高度不淹沒灘地。

2.軟水性織物壩工程長度根據主河槽寬度確定，避免減少河槽行洪斷面;壩高根據蓄水位確定，蓄水位一般低于兩岸灘地不小于0.5m，不影響兩岸排澇;根據當前壩袋生產技術和規范要求，壩袋高度要小于5.0m;壩底板高程一般高于河床高程0.2～0.4m;軟水性織物壩孔數根據河道寬度確定。

3.壩址處河道順直，地面坡降比低，河床、河勢穩定，水流平穩，地質地形條件良好。

4.軟水性織物壩適用于溫帶季風區、半濕潤氣候，光照充足，氣候溫和，雨量集中等地區。

5.壩址距離交叉河口較遠處，與橋梁的距離不宜太近，間距大于100m。

6.樞紐布置應使工程投資最省，效益高，不影響其他建筑物安全。

六、軟水性織物壩計算方法研究

（一）在正常運行狀況下的結構分析

1.軟水性織物壩壩袋是由氣密性聚合物涂層或合成增強膜的軟性材料構成，通過快速吸收釋放拉應力來維持自身良好的彈性。由軟性材料制成的水工建筑物的形狀和設計可分為以下主要類型：

（1）.填充式——具有罐狀封閉式圓柱外殼，工作原理為，由氣體（空氣）或液體（水）的壩袋和混凝土底板復合擠壓產生壓力。

（2）.幾何式——具有垂直，傾斜和橢圓形外殼。工作原理為，由鋼板、軟水性織物壩袋和混凝土底板，三者共同相互作用，進行阻水。

2.軟性結構與硬性結構不同，硬性結構在大多數情況下可以分開計算外力和內力，而在水利工程軟性結構中，壩袋的形狀和尺寸與外力的大小有關。因此在計算軟性水工結構中，首先切割幾何形狀，通常劃分為圓與橢圓，再分別計算殼體中產生的內力與載荷類型。但由于在大多數情況下，軟性結構的長度較大，它的長度是其高度的幾倍，因此我們可以假定它們是在正常運用時期狀態下工作，根據其結構穩定性和在安全度汛的條件來計算壩袋輪廓長度和厚度。

3.軟性水力結構的計算是根據謝爾蓋夫教授（Б.И.Сергеевым）和伏洛素教授（В.А. Волосухиным）提出的方法進行研究的。

對于靜水壓作用下的第i個截面，通常用計算公式為a≥0和a≤0時f（y）的函數計算。