柳杭橡膠壩設計分析與研究

張淏韋

摘 要：橡膠壩是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。壩袋用的膠布是以高強力合成纖維織物等做受力骨架，內外涂敷合成橡膠做黏結保護層而加工制成的。其按要求的尺寸錨固于底板上，呈封閉狀，人們通過沖排管路用水（氣）將其充脹，形成袋式擋水壩。壩頂可以溢流，人們可根據需要升高或降低壩高，以達到控制水位的目的。它代替了自古以來建設壩體的土、石、木和鋼等材料，屬于水利工程中的一項技術創新，已廣泛應用于灌溉、發電、防洪和城市綠水工程等方面。本文介紹了柳杭橡膠壩的自然概況及工程概況，分析了柳杭橡膠壩設計中的壩址位置、工程方案、壩體結構、設計蓄水位高程以及孔數型式選擇，為橡膠壩同類工程設計提供參考。

關鍵詞：橡膠壩;攔河閘;設計方案選擇;水利工程

中圖分類號：TV644文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）02-0088-04

Design Analysis and Research on Liuhang Rubber Dam

ZHANG Haowei

（Shandong Linyi Water Conservancy Engineering Corporation，Linyi Shandong 276400）

Abstract： Rubber dam is a new type of water conservancy project that has emerged with the development of the polymer synthetic material industry since the 1960s. The rubber cloth used for the dam bag is made of high-strength synthetic fiber fabric as the force-bearing framework， and the inner and outer parts are coated with synthetic rubber as a bonding protective layer. It is anchored on the bottom plate according to the required size and is in a closed shape， people inflate it with water （gas） through the flushing and draining pipeline to form a bag-type dam. The crest of the dam can overflow， and people can raise or lower the height of the dam as needed to achieve the purpose of controlling the water level. It replaces the soil， stone， wood and steel materials used in the construction of dams since ancient times， and belongs to a technological innovation in water conservancy projects and has been widely used in irrigation， power generation， flood control and urban green water projects. This paper introduced the natural and engineering overview of Liuhang Rubber Dam， and analyzed the location of the dam site， engineering scheme， dam structure， design water level elevation and hole number selection in the design of Liuhang rubber dam， so as to provide reference for similar engineering design of rubber dam.

Keywords： rubber dam;sluice;design scheme selection;water conservancy project

橡膠壩由于其造價低、結構簡單、工作靈活、施工便利，并且利用自然，又不破壞自然等優點，在河道上廣泛使用[1-3]。目前，橡膠壩在我國發展較快，在山東省也得到了廣泛的應用。通常，其應用于以下幾個方面：用作灌溉系統的大型進水閘、分水閘、節制閘等;用作灌區渠道的臨時引水壩;用作低水頭的滾水壩;用作在多沙河流灌區上的擋沙水閘;代替河道上的水閘;加高水庫的溢洪道，增加蓄水量和發電水頭;在河道上建橡膠壩形成人工湖，美化環境等。水利工程的建設不僅可提高城市的防洪能力，還可大大改善城區的水環境現狀，提高城市品位，充分利用水資源，實現水資源可持續發展，對改善城市整體投資環境起到十分重要的作用，其防洪效益、環境效益、社會效益和經濟效益均十分明顯。

1 自然概況

1.1 區域特征

沂河屬淮河流域，北起山東省淄博市沂源縣西部，南止江蘇省宿遷市苗圩村駱馬湖，沂河流域上游屬泰沂山區，河道比降陡、切割深，中部為綿延起伏的丘陵地帶，下游為地勢平坦的河谷沖積平原，河道比降小較為順直。沂河全長為333 km，總庫容為22.45億m3，流域面積為11 820 km2。

1.2 水文氣象特征

臨沂市屬北暖溫帶季風區、半濕潤過渡性氣候，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量集中。春季風和日暖，氣候干燥;夏季酷熱多雨;秋季晴朗氣爽;冬季干冷，雨水偏少，形成春旱、夏澇、秋旱，旱澇交替發生的規律。臨沂市多年平均氣溫為13.2 ℃，平均年降水量為818.8 mm，年內降水量分配很不均勻，全年降水量主要集中6—9月，降水量年內變化較大，春旱、夏澇嚴重。臨沂市平均陸地蒸發量在507～563 mm，多年平均水面蒸發量在889～1 128 mm，全市多年平均年日照時數為2 402 h。

1.3 地質特征

壩址區處于上游蒙山山丘與下游沂河沖洪積平原相銜接的過渡地帶，北部為蒙山余脈，西南部是魯中南山區邊緣。臨沂城內地勢平坦，地面坡降為1：1 000～1：2 000，高程為60～70 m，地層巖性以砂壤土、中粗砂為主，局部含碎石。

2 工程概況

2.1 工程規模

柳杭橡膠壩位于沂河臨沂城區段中泓樁號80+945處，處于臨沂市風景區，樞紐工程橫跨沂河。柳杭橡膠壩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，高差不小于0.5 m，不影響兩岸排澇。柳杭水利樞紐庫容為2 200萬m3，水面面積為6.5 km2，回水長度為10 km。壩址處主河槽寬約為460 m，左岸灘地高程為75.0～75.3 m，右岸灘地面高程為75.5～76.3 m，河床平均高程為69.22 m。根據以上原則，綜合考慮河床現狀、過流能力及消能設施等因素，確定樞紐底板高程69.00 m，壩高5 m，正常蓄水位74.00 m。壩段全長為455.8 m，共5節，每節壩袋凈長為90 m，是目前臨沂市擋水高度最高的橡膠壩。結合本工程實際及其在國民經濟中的重要性，綜合確定本工程規模為大（3）型，其由上游鋪蓋、壩底板、護坦、消力池、防沖槽、橡膠壩袋、充排水管路、充排水泵站、岸翼墻和管理設施等工程組成。

2.2 工程任務

柳杭橡膠壩為新建的攔水工程，工程設計防洪標準為二十年一遇，流量為10 000 m3/s;工程校核洪水標準為五十年一遇，流量為13 000 m3/s。施工期洪水標準為非汛期10年一遇，洪峰流量為230 m3/s。

工程任務是對沂河徑流進行攔蓄，增加地表水的利用量，為下游工農業供水，緩解下游地區的水資源短缺矛盾，改善臨沂城區的小氣候和生態環境。

2.3 工程建設必要性

2.3.1 臨沂城區現狀及總體發展規劃要求。工程建成后，可一次蓄水2 200萬m3，形成水面面積6.5 km2、回水長度10 km的水域。該工程與下游的桃園橡膠壩工程、小埠東橡膠壩工程、劉家道口樞紐工程組成縱貫市區南北長44.18 km的水面，改善了臨沂城區的小氣候和生態環境，促進了臨沂城區的旅游觀光、休閑娛樂、房產開發等產業的發展。

2.3.2 工程的興建是緩解臨沂城水資源供需矛盾的需要。臨沂城區現狀年保證率為50%時，缺水0.15億m3，保證率為75%時，缺水2.56億m3，保證率為90%時，缺水3.6億m3。2020年保證率為50%時，缺水4.46億m3，保證率為75%時，缺水7.14億m3，保證率為90%時，缺水8.25億m3。從數據可以看出，下臨沂市的水資源是非常短缺的，而沂河多年平均出境水量為19.53億m3，因此，通過在沂河上興建攔蓄工程，進行梯級攔蓄，增加地表水的利用量，緩解水資源短缺的矛盾是非常必要的。

2.3.3 可對城區段地下水回灌補源。臨沂市區近幾年地下水超采嚴重，市區形成漏斗區，其沿著臨沂市第一水泥廠向東，呈橢圓形分布，面積約為45 km2，漏斗區中心枯水期地下水位約為58 m，并呈繼續下降趨勢。若長期過量開采，不及時對地下水進行回灌補源，將會造成地面沉陷漏斗區進一步擴大，地質災害嚴重。柳杭橡膠壩建成后，其對臨沂城區地下水回灌補源具有重要作用。

2.3.4 工程投資省，效益高。柳杭橡膠壩工程建設在沂河主河槽內，兩岸灘地高程大，不占遷土地及地面建筑，工程投資小。同時，其具有以下優點：對地形具有較高的適應性，應用范圍廣泛，結構簡單，工作靈活;可用于地質條件困難、徑流量大的河流;耐地震沖擊。

3 橡膠壩設計

3.1 壩址位置比選

人們應根據橡膠壩的功能和特點，考慮地形、地質、水流、泥沙、施工和管理等因素，經技術經濟比選后確定壩址。

柳杭橡膠壩壩址選擇遵循的原則如下：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;橡膠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，高差不小于0.5 m，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≤5.0 m;壩底板高程一般大于河床高程0.2～0.4 m;橡膠壩孔數根據河道寬度確定;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;橡膠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;壩址距離交叉河口較遠，與橋梁的距離不宜太近，間距大于100 m;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，有利于河勢穩定，防止局部沖刷。

根據上述壩址選取原則，本研究擬定兩個壩址進行比較。

3.1.1 1號壩址。其位于河東區高家村，沂河中泓樁號為78+415，河道主槽寬為620 m，河底高程為67.5～68.0 m，左岸灘地高程為72.8～73.5 m，右岸灘地高程為70.2～73.5 m。河槽地質條件為砂基。優點如下：壩下游水深1 m多，有利于行船，沂河水面壩下游、壩上游水位一致。缺點如下：河槽寬，河槽地質條件為中粗砂，建筑物的消能防沖困難，投資大;壩下游水較深，不利于濕生植物、淺水生物生長，生態性差;擋水高度小，蓄水量少，回水長度及回水面積較小;兩岸灘地高程較低，建壩后影響兩岸排水。

3.1.2 2號壩址。其位于河東區柳杭村，沂河中泓樁號為80+945，主河槽寬為460 m，灘地寬為220 m，左右岸均約為110 m，主槽河床高程為68.5～69.5 m，平均高程為69.0 m左右。壩基工程地質條件較好，地基承載力較高，河床表面局部有少許新近堆積的礫質粗砂夾雜少量礫石，下伏基巖為白堊系礫巖，壩址區河床中基巖裸露。

優點如下：最高擋水位和河床平均高程相同;有利于淺水動植物的生長，生態性較好;地形地質條件好，河床較窄，易施工;兩岸灘地高程較高，蓄水量大，回水長度長，面積大。缺點如下：下游水位淺，有局部河床露出，不利于行船通航。

經對兩處壩址綜合分析論證，采用壩址二，即河東區柳杭村。

3.2 工程方案比選

根據河道地形地質條件、防洪要求及臨沂市攔河工程建設經驗，可選擇的攔蓄工程型式主要有兩種：橡膠壩和攔河閘。

攔河閘是一種歷史悠久的水工建筑物，以其運行安全可靠、調控能力強、適用范圍廣、使用壽命長、易于閘橋結合、管理運行方便等諸多優點而經久不衰，其缺點是阻水影響行洪，投資較大，三材使用多。

橡膠壩是一種新型的水工結構，其優點是鋼筋混凝土用量少，不影響水流量，施工周期短。其缺點是維護和管理成本高，壩袋壽命短，不易閘橋結合。

3.2.1 方案Ⅰ：橡膠壩方案。建5孔橡膠壩，每跨凈寬為90 m，橡膠壩中墩直徑為1.2 m，底板厚為0.8 m，壩體總長為455.8 m，壩高為5 m，底板頂高程為69.0m，壩前庫容為2 200萬m3。本工程完成主要工程量17.11萬m3。其中，土方工程為3.45萬m3，石方工程為8.92萬m3，漿砌石為0.78萬m3，混凝土及鋼筋混凝土為2.8萬m3，圍堰填筑為1.16萬m3，總投資為4 160萬元。

該方案優點是投資較少，阻水作用小，利于河道行洪，建設工期較短，非汛期小流量情況下壩頂溢流，汛期易形成瀑布景觀;缺點是運行費用高，管理要求高。

3.2.2 方案Ⅱ：攔河閘方案。建51孔8×5.5 m平面鋼閘門攔河閘，每孔凈寬為8 m，提升閘中墩直徑為1.2 m，邊墩直徑為1.5 m，底板厚為1.2 m，攔河建筑物總長為472.8 m。攔河閘擋水高度為5 m，底板頂高程為74.5 m，閘前庫容為2 200萬m3。規劃要求開挖9.1萬m3，回填37萬m3，石材量為72萬m3，鋼筋混凝土量為5.26萬m3，總投資為5 600萬元。

該方案優點是運行安全可靠，調控能力強，使用壽命長，管理方便;缺點是投資較大，阻水作用與橡膠壩相比較大。

根據以上比較，考慮到項目的投資成本、建設等因素，確定選用方案Ⅰ，即橡膠壩設計方案。

3.3 壩型、壩袋內外壓比值以及錨固結構的確定

橡膠壩在實際運用中基本以充水式和充氣式為主，采用水氣混合的較少，我國設計的橡膠壩以充水式為主。在本次設計中，因這條橡膠壩水位調節較為頻繁，橡膠壩頂要溢流過水，從穩定性、壩袋變形及水位調節等方面考慮，選擇充水式橡膠壩。

按照《橡膠壩工程技術規范》（GB/T 50979—2014），充水式橡膠壩內外壓比值宜取1.25～1.60[4]。內外壓比值與壩高成反比，橡膠壩越高，內外壓比值取小值，橡膠壩越低，內外壓比值取大值。本次設計主要根據壩高度、橡膠壩相關設計規范中的有關參數及已在運行橡膠壩的設計經驗來確定內外壓比值。最后確定5.0 m高的橡膠壩內外壓比值為1.3。從實際運行狀況看，本次設計內外壓比值還是比較合理的。

橡膠壩的錨固結構型式多樣，按錨固構件材料可分為螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固和膠囊充水式錨固三種。在這三種錨固結構型式中，以螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固最為常用。楔塊擠壓式錨固是靠夯擊后楔塊擠壓前楔塊，以達到錨固壩袋的目的，錨固計算較為復雜，故本次設計考慮選用螺栓壓板式錨固中的穿孔錨固。穿孔錨固是在錨固部位將壩袋穿孔套進預埋的地埋螺栓，用壓板錨緊。穿孔錨固的優點是施工安裝和拆卸檢修方便，缺點是穿孔部位易滲漏和撕裂，普通螺栓易生銹。為解決以上問題，在本次設計中，螺栓、螺帽及壓板均采用不銹鋼，以防生銹;在穿孔兩側用膠片做補強，以防滲漏和撕裂[5]。

3.4 設計蓄水位的確定

3.4.1 設計蓄水位確定的原則。設計蓄水位一般低于兩岸灘地0.5～1.0 m，防止兩岸漬害影響;根據當前壩袋生產技術和規范要求，壩袋高度小于5.0 m;壩底板高程一般高于河床高程0.2～0.4 m;抬高蓄水位，增加回水長度和水面面積;壩下水位與正常蓄水位高程一致。

3.4.2 擋水高度方案比選。壩址處河床高程為68.5～69.5 m，平均高程為69.2 m左右，左案灘地高程為74.5～75.2 m;右案灘地高程為75.4～76.3 m，按照橡膠壩建成后不影響兩岸排水、不給兩岸造成沼澤的原則，擬建橡膠壩擋水高度分別為4.5 m和5.0 m，兩種方案的擋水水位分別為73.5 m和74 m，比較可知，其優缺點如下。

3.4.2.1 方案Ⅰ：擋水高度為4.5 m（擋水水位為73.5 m）。優點如下：擋水高度4.5 m的軟水性織物壩已建成較多，有成功的經驗，設計、施工和安裝均輕車熟路，對兩岸影響較少。缺點如下：擋水水位與兩岸灘地的高程較大，親水性、景觀性差;回水長度及回水面積較小，蓄水量小。

3.4.2.2 方案Ⅱ：擋水高度為5 m（擋水水位為74.0 m）。優點如下：蓄水量大，回水長度較長，回水面積大;對兩岸影響較少，親水性、景觀性好。缺點如下：國內高度為5 m的橡膠壩較少，在設計和建造方面經驗不足。

經過綜合比較及論證，采用擋水高度為5 m即擋水水位為74.0 m的方案。

3.5 孔數方案比選

擬建壩址處河道主河槽寬為460 m，灘地寬為220 m，左右岸均約為110 m。根據主河槽寬度及以建橡膠壩工程經驗，初步擬定3孔、5孔、6孔，其單節長度分別為150、90、75 m。下面對三種方案進行論證，各方案優缺點如下。

3.5.1 方案Ⅰ：3孔方案。優點是單節壩長，中間隔墩少，阻水小，有利于行洪。缺點是加工工藝復雜、困難，運輸安裝不便，且150 m長的橡膠壩國內沒有先例，風險較大。

3.5.2 方案Ⅱ：5孔方案。優點是中間隔墩較少，單節壩長90 m，比較美觀且阻水小，有利于行洪。缺點是施工、運輸、安裝困難。

3.5.3 方案Ⅲ：6孔方案。優點是壩長75 m，壩袋長度適中，生產加工、運輸、案裝比較方便。缺點是隔墩較多，美觀性差，影響行洪，投資多。

經綜合論證，采用5孔方案，單節壩袋長為90 m，中墩厚為1.2 m，橡膠壩全長為455.8 m。

4 結語

橡膠壩適用于低水頭、大跨度閘壩工程。迄今為止，國內外橡膠壩已建成超過5 000座，其成為世界上分布最廣泛的水壩之一。通過對柳杭橡膠壩的分析和研究可以直觀地看到，橡膠壩在小河流域環境中是最理想的選擇之一，它具有結構簡單、造價低、工期短、抗震性能強、自重輕以及汛期不阻水等優點。隨著石油化工產業的快速發展，橡膠織物材料已經滿足抗拉伸、彈性強度高、耐高溫、抵抗沉積物顆粒侵蝕以及適應各種氣候等條件的發展要求，使橡膠壩的優勢得到了進一步的拓展。臨沂市通過3座橡膠壩的科學調控，不僅在城區范圍真正形成了防洪閉合圈，而且在多攔洪水尾水，增加城市河道的蓄水量，充分利用水資源，改善生態環境。盡管橡膠壩這一技術誕生至今只有幾十年的時間，但由于獨特的優點，其能取得顯著的社會效益、經濟效益和環境效益，故發展較快，隨著橡膠壩技術的進一步開發，其應用范圍會越來越廣。

參考文獻：

[1]孫劉偉.橡膠壩設計與應用探討[J].城市建設理論研究，2011（19）：1-2.

[2]中國城市規劃設計研究院，臨沂市規劃局.臨沂市城市總體規劃[Z].2005.

[3]山東省臨沂市水利勘探設計院.柳杭橡膠壩可行性研究報告分析[Z].2007.

[4]住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.橡膠壩工程技術規范：GB/T 50979—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[5]水利部.水閘設計規范：SL 265—2016[S].北京：中國水利水電出版社，2016.