橡膠壩塌肩現(xiàn)象特性分析及長(zhǎng)效除控對(duì)策研究

呂孝林，董 瑞

(龍門(mén)景區(qū)伊河管理站，河南 洛陽(yáng) 471000)

橡膠壩是近年來(lái)水工結(jié)構(gòu)中隨著材料的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型產(chǎn)物[1]，橡膠壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切圖見(jiàn)圖1。橡膠壩以其優(yōu)點(diǎn)多，用途廣泛而著稱(chēng)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)在我國(guó)得到迅速發(fā)展[2]。其主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)造價(jià)低；(2)節(jié)省鋼材﹑水泥﹑木材三種建筑材料；(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工期短、操作靈活；(4)不阻水；(5)不漏水、止水效果好；(6)抗震性能好；(7)耐海水腐蝕性能優(yōu)越。

圖1 橡膠壩內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切圖 圖2實(shí)際工程中橡膠壩端頭出現(xiàn)的塌肩現(xiàn)象

然而，橡膠壩端頭在安全服役的過(guò)程中兩邊端頭通常會(huì)出現(xiàn)塌肩現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)使橡膠壩端頭的實(shí)際擋水位達(dá)不到最初設(shè)計(jì)的正常蓄水位，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)工程效益造成影響，實(shí)際工程中橡膠壩端頭出現(xiàn)的塌肩現(xiàn)象見(jiàn)圖2。已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國(guó)已建橡膠壩高度均未超過(guò)6.0 m。這是因?yàn)?.0～6.0 m壩高的橡膠壩普遍存在塌肩現(xiàn)象，壩高4.0～6.0 m壩高橡膠壩的塌肩更加明顯，而已建成的0～2.0 m壩高的橡膠壩基本上不存在塌肩現(xiàn)象。表征隨著壩袋設(shè)計(jì)高度的增高，壩頭塌肩現(xiàn)象呈增大趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)壩高大于4.0 m的枕式橡膠壩中，其兩端的塌肩高度通常均不低于設(shè)計(jì)高度的5%[3]。

若橡膠壩端頭出現(xiàn)塌肩現(xiàn)象，則可能是建造了一座隱患、病害的新型水利工程，具體表現(xiàn)為：(1)兩端的塌肩會(huì)降低整體橡膠壩的設(shè)計(jì)壩高，形成“木桶效應(yīng)”而達(dá)不到預(yù)期工程效益；(2)橡膠壩全斷面溢流不均勻，其整體景觀效果亦不美觀；(3)橡膠壩壩袋內(nèi)壓比增大，對(duì)工程壩體的正常服役帶來(lái)安全隱患。根據(jù)上述分析可知，塌肩現(xiàn)象的產(chǎn)生一直是困擾橡膠壩安全運(yùn)行的一個(gè)難題。為了使橡膠壩能夠更好的正常運(yùn)行，減少塌肩現(xiàn)象對(duì)工程效益的影響，探研橡膠壩塌肩現(xiàn)象長(zhǎng)效除控對(duì)策具有重要意義。

1 橡膠壩端頭塌肩因素分析

橡膠壩充壩安全服役時(shí)，壩體兩端壩袋受自身重力、水壓力以及壩袋受袋內(nèi)緯向水壓力的作用，壩袋與中、邊墩的邊墻會(huì)產(chǎn)生靜摩擦力[4]。這種摩擦力在橡膠壩運(yùn)行時(shí)隨著周?chē)h(huán)境的變化會(huì)發(fā)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的改變，因?yàn)殡S著壩袋內(nèi)外壓比、充壩高度的不斷增加，其接觸面積亦會(huì)逐漸增大，使得這種靜摩擦力逐漸變大。當(dāng)壩袋內(nèi)壓比超過(guò)1.0時(shí)，其袋內(nèi)的水壓力對(duì)壩袋形成一個(gè)斜向拉力，由水力學(xué)知識(shí)可知，該斜向拉力會(huì)隨充壩高度的升高、內(nèi)壓比的增大而增大。

由于橡膠壩袋是一種新型的柔性薄殼體壩，服役過(guò)程中當(dāng)壩袋達(dá)到一定的齡期，就會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，造成其安全性能下降，表現(xiàn)為壩袋的彈性變形逐漸變小，壩袋與端墻接觸處出現(xiàn)褶皺的幾率變大，最終使得壩袋與端墻間的靜摩擦力變大。一方面，受水流的影響，橡膠壩壩體兩端亦會(huì)由于伸展不開(kāi)而形成不規(guī)則的褶皺；另一方面，壩袋與端墻產(chǎn)生的靜摩擦力、壩袋自重均大于作用在壩袋上的水荷載形成的斜向拉力，所以橡膠壩端部壩袋不能充分展開(kāi)，造成壩袋端部塌肩現(xiàn)象[5]。

通過(guò)以上分析，可知影響枕式橡膠壩端頭塌肩的因素。這里將其歸納為3點(diǎn)：(1)邊墻和中墩面糙率大，使得壩袋端頭與其產(chǎn)生了較大的摩擦力，阻礙了橡膠壩端頭的抬起。(2)壩袋內(nèi)外壓比值大，而對(duì)邊墻或中墩正壓力大，則摩擦力也大，增加壩袋塌肩量。(3)壩袋端頭粘接工藝。枕式橡膠壩在加工制作時(shí)，其壩袋端頭位置粘合了堵頭膠布，因橡膠壩壩袋膠布有一定的硬度，故在搭接縫位置上會(huì)形成如圖3所示的一個(gè)圓弧，使得充壩擋水時(shí)在壩袋與堵頭結(jié)合位置形成圓弧形塌肩[6]。

圖3 橡膠壩的圓弧形塌肩

2 塌肩長(zhǎng)效除控對(duì)策

2.1 塌肩現(xiàn)象長(zhǎng)效除控措施

針對(duì)橡膠壩的塌肩現(xiàn)象，結(jié)合大壩運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，總結(jié)并提出了橡膠壩塌肩現(xiàn)象的8種長(zhǎng)效除控措施[7-8]。

(1)增加中邊墩墻表面光滑度。降低壩袋與墩墻之間摩擦系數(shù)，例如，將墩墻表面整鑲不銹鋼板、貼大理石、涂環(huán)氧樹(shù)脂等。

(3)采用自動(dòng)化起吊設(shè)備，輔以人工踩踏壩頭方式。在未充壩前，借助起吊設(shè)備將端部壩袋全部展開(kāi)至設(shè)計(jì)高度，同時(shí)輔以人工踩踏端部壩袋，使壩袋盡量展開(kāi)而不形成褶皺。

(4)安裝剛性“牛腿”。安裝“牛腿”是處理枕式橡膠壩較常用的手段，安裝“牛腿”橡膠壩示意圖見(jiàn)圖4，枕式橡膠壩囊體采用“一布兩膠”橡膠壩布制作，一塊壩布，兩邊用螺栓壓條固定在牛腿下邊沿，囊體內(nèi)壁粘袋體，將10 kg左右的砂石袋裝在袋內(nèi)，使囊體自然下垂，從而達(dá)到適應(yīng)不同塌肩程度的情況。這種方案效果直接有效，但在壩袋塌壩或低壩高運(yùn)行時(shí)，外觀效果較差，行洪時(shí)會(huì)影響泄洪。

圖4 安裝“牛腿”橡膠壩示意圖 圖5 墻內(nèi)錯(cuò)固

(5)墻內(nèi)錨固。堵頭膠布在壓板邊緣形成接近垂直向上的形式，墻內(nèi)錯(cuò)固圖見(jiàn)圖5，這種方式可以減少堵頭膠布貼墻長(zhǎng)度。此外，由于堵頭膠布不發(fā)生變形，不宜產(chǎn)生導(dǎo)致被撕裂的應(yīng)力，即消除了因錨固而造成堵頭塌肩的因素。

(6)壩袋肩部粘附囊體。根據(jù)橡膠壩袋塌肩大小，制作一些囊體，粘附在橡膠壩端部頂點(diǎn)，以彌補(bǔ)塌肩所形成的空隙，從而達(dá)到擋水效果。

(7)增加堵頭膠布剛性。增加堵頭膠布剛性，提高堵頭膠布的抗折皺能力。具體方法為：在現(xiàn)有橡膠壩堵頭膠布的中下部位(易形成折皺部位)，增貼一層較大厚度和硬度的壩袋膠布，從而增大壩袋堵頭膠布剛性，增加堵頭膠布剛性方案圖見(jiàn)圖6。

圖6 增加堵頭膠布剛性方案圖

粘補(bǔ)用膠布：“三布四膠”，藍(lán)色，厚度不小于10 mm，寬度每件0.8 m左右，長(zhǎng)度2.5 m，每個(gè)堵頭貼六塊，從而增加堵頭膠布剛性，減少折皺產(chǎn)生幾率。

(8)壩頭充氣。借鑒充氣橡膠壩不易塌肩的特點(diǎn)，在壩袋充水前，先往壩袋內(nèi)充一些空氣，使壩袋堵頭鼓起，壩袋充脹過(guò)程中由于氣體的支撐和浮力，使壩袋堵頭不易下墜，從而達(dá)到防止折皺產(chǎn)生的效果。若試驗(yàn)成功，需加裝充氣管路和安裝自動(dòng)排氣閥(超壓自動(dòng)排氣)。

2.2 無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)現(xiàn)行橡膠壩出現(xiàn)的塌肩現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)方案，即斜坡直墻式連接型式橡膠壩。具體步驟為：首先，在距離端部中邊墩1.0 m以?xún)?nèi)起坡，其坡比不小于1。其次，確定橡膠壩壩袋的設(shè)計(jì)高度，再根據(jù)>1的坡比計(jì)算斜坡的高度，起坡的高度相對(duì)抬高了無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)壩底板的錨固高度。最后，將壩袋展鋪于設(shè)計(jì)的斜坡上，結(jié)構(gòu)壩袋充水時(shí)將直接緊貼于中邊墩上，其壩袋下部會(huì)伸展而不易出現(xiàn)褶皺，上部剩余壩袋設(shè)計(jì)限高2.0 m以?xún)?nèi)即可。垂直水流方向的斜坡橡膠壩的壩袋長(zhǎng)度需等于河床的濕周，即滿足了壩袋塌壩放水時(shí)壩袋平鋪于底板、不阻水的基本要求。此外，由于斜坡段立壩蓄水時(shí)全部在水面以下，這樣設(shè)計(jì)既美觀又從本質(zhì)上消除控制橡膠壩的塌肩現(xiàn)象。

2.2.1 無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)對(duì)行洪的影響

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，計(jì)算一下無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)方案對(duì)行洪的影響，假定一橡膠壩的壩高位4.0 m，其斜坡邊坡比為m=1，根據(jù)上述步驟可知，斜坡高度為=1.0 m，斜坡坡長(zhǎng)為=1.4 m，塌肩高度=4.0-1.0-1.4=1.6 m<2 m，斜坡段面積S=0.5×1×1×2=1 m2，可知所提方案基本不影響行洪。

2.2.2 無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)高度的設(shè)計(jì)

圖7 無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)上述無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的步驟，將已知條件代入計(jì)算式可得：h塌高≤2 m，符合設(shè)計(jì)要求。無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)各段壩高的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 無(wú)塌肩橡膠壩結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

由圖8可知，當(dāng)h≤2.0 m時(shí)，h塌高≤2.0 m，可不設(shè)斜坡段即為直墻式橡膠壩；當(dāng)h>2.0 m時(shí)，設(shè)置斜坡段后，h塌高<2.0 m，滿足設(shè)計(jì)要求。綜上所述，橡膠壩的設(shè)計(jì)壩高值較大時(shí)，坡比宜選擇較大值；設(shè)計(jì)壩高值較小時(shí)，坡比宜選擇較小值更符合實(shí)際要求。

3 結(jié)語(yǔ)

橡膠壩以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而發(fā)展迅速，在我國(guó)水利建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮了巨大作用。但是橡膠壩塌肩現(xiàn)象這一問(wèn)題始終是橡膠壩行業(yè)中的難題，為了使橡膠壩能夠更好的正常運(yùn)行，立足于減少塌肩現(xiàn)象對(duì)工程效益的影響，提出了相應(yīng)的塌肩長(zhǎng)效除控措施及一種無(wú)塌肩現(xiàn)象橡膠壩的設(shè)計(jì)方案，初步完善了橡膠壩的塌肩問(wèn)題。橡膠壩是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而誕生的一種新型壩，在發(fā)展過(guò)程中仍存在一些缺陷和問(wèn)題，在實(shí)踐過(guò)程中需要不斷探索和完善。