橡膠壩壩袋安全評(píng)價(jià)研究

郝連柱，張武來，張立功，張 弛

(北京市潮白河管理處，北京 101300)

0 引言

橡膠壩是用橡膠涂覆織物制造，錨固于基礎(chǔ)底板上成封閉代替，利用充排水(或空氣)控制其升降的擋水水工建筑物，主要包括壩袋和結(jié)合基礎(chǔ)底板兩部分[1]。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便利、造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[2-4]。我國(guó)于上世紀(jì)60年開始研究橡膠壩技術(shù)，并與1966年6月成功建成了第一座橡膠壩：北京右安門橡膠壩，至今已建成橡膠壩逾千座[5-6]。

橡膠壩壩袋是用帆布等骨架材料和橡膠制成，經(jīng)拼接成型，可錨固于橡膠壩基礎(chǔ)底板的橡膠涂覆織物制品，用于橡膠壩擋水部分[1]。橡膠壩主要通過壩袋來控制水位，調(diào)節(jié)下泄流量，是影響橡膠壩安全的最重要結(jié)構(gòu)之一，根據(jù)《北京市水閘、橡膠壩安全監(jiān)測(cè)與安全評(píng)價(jià)技術(shù)指導(dǎo)意見》，設(shè)計(jì)條件、壩基、壩袋和錨固結(jié)構(gòu)安全性分級(jí)中有一項(xiàng)為C級(jí)，可評(píng)定為四類橡膠壩，可見壩袋對(duì)橡膠壩安全運(yùn)行的重要性。

橡膠壩壩袋由于受內(nèi)外因素綜合作用的影響，隨著使用年限的增加，將出現(xiàn)老化，高分子材料結(jié)構(gòu)逐漸失去原有的優(yōu)良性能，以致最后喪失使用價(jià)值[7]。孫英祥、傅侖瑛等人采用人工加速臭氧老化的室內(nèi)試驗(yàn)方法和實(shí)際工程的觀測(cè)和驗(yàn)證，初步判定橡膠壩帶的使用壽命為13～25年。此外，由于壩袋材料既輕又柔，它的堅(jiān)固性與剛性材料無(wú)法比擬，運(yùn)行中壩袋可能受到冰凌、尖銳石塊及人為破壞等也會(huì)嚴(yán)重影響壩袋使用壽命，進(jìn)而影響工程安全，因此加強(qiáng)運(yùn)行管理工作對(duì)橡膠壩工程極為重要[8-9]。

早在1970年Harrison已使用有限元方法建立了上下游都有水且無(wú)溢流情況下的橡膠壩二維模型；1990年Hsieh等人建立了上游有水、下游無(wú)水情況下，壩袋無(wú)自重、無(wú)形變的橡膠壩靜態(tài)模型；2000以來，美國(guó)弗吉尼亞綜合研究院與州立大學(xué)對(duì)橡膠壩的自由振動(dòng)、三維振動(dòng)、非線性振動(dòng)、壩頂溢流方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究[2-6]。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、天津大學(xué)等許多單位結(jié)合具體的橡膠壩工程對(duì)不同壩型進(jìn)行了振動(dòng)研究。為適應(yīng)在不同條件下應(yīng)用橡膠壩，我國(guó)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，如壩袋膠布的膠料配方研究，采用帆布試制，開展壩袋抗波浪試驗(yàn)、泥沙沖淤試驗(yàn)、壩袋振動(dòng)試驗(yàn)，橡膠壩流量系數(shù)試驗(yàn)、壩袋錨固、充氣橡膠壩技術(shù)研究等[2-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)橡膠壩壩袋的特性研究多處于設(shè)計(jì)、制造階段，已運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋由于取樣困難，對(duì)其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等特性研究較少，相應(yīng)的壩袋檢測(cè)規(guī)范也較少。因此，運(yùn)行多年的壩袋大多通過外觀檢查來評(píng)價(jià)其工程質(zhì)量。本文以潮白河河槽村橡膠壩為例，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查、取樣、制樣、室內(nèi)試驗(yàn)、強(qiáng)度計(jì)算等綜合評(píng)價(jià)壩袋質(zhì)量，為今后已運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋安全評(píng)價(jià)提供借鑒和參考。

1 工程概況

河槽村橡膠壩位于北京市密云區(qū)潮白河河道上，樁號(hào)0+900，于2009年建成，至今已運(yùn)行13年。該工程等別為Ⅲ等，建筑物級(jí)別為3級(jí)，地震原設(shè)防烈度為Ⅶ度。橡膠壩壩高3.5m，壩長(zhǎng)210m，采用斜坡式結(jié)構(gòu)，壩袋采用J260260-2材料，壩袋帆布為兩布三膠。壩袋內(nèi)壓比為1.4，共三跨。正常蓄水位為4m，蓄水量約120萬(wàn)m3。工程段順?biāo)鞣较蛉L(zhǎng)97m，由進(jìn)口鋪蓋段、壩身段、消力池、海漫、充排系統(tǒng)和管理房等組成。河道地基為砂礫料地基。

2 壩袋檢測(cè)

2.1 壩袋外觀

為了解橡膠壩壩袋外觀質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)采用查看、尺量等方法檢查壩袋有無(wú)凹陷、缺膠、帆布斷裂、氣泡、死褶等，并對(duì)典型外觀缺陷進(jìn)行拍照顯像，記錄壩袋外觀缺陷[10-12]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)橡膠壩壩袋表觀存在老化，局部修補(bǔ)過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損。

2.2 壩袋檢測(cè)

橡膠壩已運(yùn)行多年，現(xiàn)場(chǎng)處于過流狀態(tài)，如對(duì)主要受力部位取樣，勢(shì)必破壞壩袋整體性。因此，本次對(duì)錨固端尾部非受力壩袋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣。

(1)檢測(cè)依據(jù)及采用儀器

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)條件，本次檢測(cè)項(xiàng)目主要包括膠層厚度、膠料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、硬度、壩袋拉伸強(qiáng)度、最大負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率、膠料與織物粘合強(qiáng)度[13-14]。

膠料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率試驗(yàn)主要依據(jù)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》，主要試驗(yàn)儀器包括裁刀、測(cè)厚計(jì)、拉力試驗(yàn)機(jī)；膠料硬度檢測(cè)依據(jù)GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法》，主要使用儀器為邵氏硬度計(jì)；壩袋拉伸強(qiáng)度、最大負(fù)荷下的伸長(zhǎng)率主要依據(jù)SL 235—2012《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》中的條帶拉伸試驗(yàn)法，試樣按寬條法制備，主要儀器包括具有等速拉伸功能的試驗(yàn)機(jī)、夾具等；膠料與織物粘合強(qiáng)度檢測(cè)包括剝離力及剝離強(qiáng)度，依據(jù)GB/T 532—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠與織物粘合強(qiáng)度的測(cè)定》，主要儀器包括試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)圖表記錄儀。

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次對(duì)取樣壩袋的外覆蓋膠、夾層膠、內(nèi)覆蓋膠分別測(cè)量了厚度，對(duì)比SL 554—2011《橡膠壩袋》規(guī)定的層膠厚度，所取試樣均滿足規(guī)范要求。河槽村壩袋膠層厚度檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 河槽村壩袋膠層厚度檢測(cè)結(jié)果 單位：mm

根據(jù)GB/T 528—2009規(guī)定，外層膠拉伸強(qiáng)度≥14MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥400%，本次分別對(duì)外層膠、底層膠做了4組試驗(yàn)，其中外層膠拉伸強(qiáng)度平均值為10.2MPa，是規(guī)范要求的73%，斷裂伸長(zhǎng)率為279%，是規(guī)范要求的70%。膠料的邵氏硬度值，基本滿足規(guī)范要求。由試驗(yàn)可知經(jīng)過10多年的運(yùn)行的河槽村橡膠壩壩袋膠料的力學(xué)性能下降了30%左右。壩袋膠料物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 河槽村壩袋膠料物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

因現(xiàn)場(chǎng)取樣有限，只制備了2個(gè)完整的壩袋寬條試樣，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，壩袋拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3。根據(jù)SL 554—2011壩袋拉伸強(qiáng)度值416kN/m，試驗(yàn)結(jié)果為332.9kN/m，是規(guī)范要求的80%，壩袋整體抗拉強(qiáng)度衰減了20%左右。

圖1 壩袋拉伸試驗(yàn)曲線圖

表3 河槽村橡膠壩壩袋物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

分別對(duì)內(nèi)層膠、外層膠2個(gè)試樣進(jìn)行了硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)，硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，內(nèi)層膠最大剝離力、剝離強(qiáng)度明顯大于外層膠，可能與外層膠受環(huán)境影響較大有關(guān)，從整體來看，橡膠硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度較好。

圖2 硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)曲線圖

表4 硫化橡膠與織物粘合強(qiáng)度剝離試驗(yàn)結(jié)果

3 壩袋強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算理論與公式

根據(jù)GBT 50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》，充水式橡膠壩壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度可按下式計(jì)算[13]：

(1)

式中，T—壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m；γ—水的重度，10kN/m3；α—壩袋內(nèi)外壓比，取1.4；H1—設(shè)計(jì)壩高，m，取3.5m。

在確定壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)還應(yīng)考慮下列因素：①壩袋膠布材料加工制成膠布時(shí)強(qiáng)度損失一般達(dá)15%～25%；②材料強(qiáng)度存在的不均勻性；③壩袋在使用過程中因老化所造成的強(qiáng)度損失；④工程規(guī)模和重要性等。現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 554—2011給出的壩袋膠布強(qiáng)度已經(jīng)考慮了上述因素，并進(jìn)行了折減。

本次復(fù)核并對(duì)壩袋進(jìn)行了取樣和力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明力學(xué)性能較規(guī)范值下降了25%左右，故在計(jì)算壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時(shí)可直接采用SL 554—2011中的膠布強(qiáng)度折減。

3.2 計(jì)算結(jié)果

河槽村橡膠壩壩袋實(shí)際檢測(cè)強(qiáng)度為332.9kN/m，強(qiáng)度安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為6.04，見表5，略大于GBT 50979—2014中規(guī)定的充水壩壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)不小于6.0的要求。但此次取樣為非受力部位，從理論上講強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果較受力部位偏高。且該壩袋運(yùn)用時(shí)間已接近設(shè)計(jì)年限，存在一定老化和損傷，建議盡快更換壩袋。

表5 壩袋強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 評(píng)價(jià)結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

對(duì)運(yùn)行13年的河槽村橡膠壩壩袋開展安全評(píng)價(jià)工作，通過對(duì)壩袋外觀質(zhì)量檢查、現(xiàn)場(chǎng)取樣及室內(nèi)試驗(yàn)、壩袋強(qiáng)度計(jì)算等得出以下結(jié)論。

(1)從外觀上來看，河槽村橡膠壩壩袋局部修補(bǔ)過的部位表觀脫膠，局部表皮脫落、破損，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)危及整個(gè)壩袋安全。

(2)運(yùn)行13年的河槽村橡膠壩壩袋，膠料厚度、硬度基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，橡膠硫化橡膠與織物粘合性良好，但膠料抗拉強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率降低了30%左右，壩袋抗拉強(qiáng)度降低了20%，壩袋整體力學(xué)性能指標(biāo)下降顯著。

(3)壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)為6.04，與規(guī)范規(guī)定的充水壩壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)不小于6.0的要求很接近，本次取樣均為非受力部位，計(jì)算結(jié)果可能較受力部位高。

4.2 建議

壩袋外觀出現(xiàn)了老化及局部破損，現(xiàn)狀強(qiáng)度安全裕度較低，且已運(yùn)行13年，臨近使用年限，建議盡快更換壩袋。為保障河槽村橡膠壩安全，建議在更換壩袋之前，制訂保壩安全應(yīng)急措施。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著橡膠壩運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，壩袋會(huì)出現(xiàn)老化、破損等現(xiàn)象，影響壩袋使用壽命，甚至危及橡膠壩工程安全。本文以潮白河河槽村橡膠壩為工程實(shí)例，探討了運(yùn)行多年的壩袋安全評(píng)價(jià)方法。從外觀質(zhì)量、室內(nèi)試驗(yàn)、強(qiáng)度計(jì)算3方面綜合評(píng)價(jià)了壩袋質(zhì)量，為之后運(yùn)行多年的橡膠壩壩袋安全評(píng)價(jià)提供重要借鑒。

本文所取試驗(yàn)樣品均取自壩袋非受力部位，其檢測(cè)的抗拉強(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能僅僅反映了壩袋局部質(zhì)量狀況，而壩面、錨固等壩袋受力部位未取樣檢測(cè)。根據(jù)判斷，受力部位壩袋的力學(xué)性能指標(biāo)衰減應(yīng)比非受力部位更嚴(yán)重，為更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壩袋質(zhì)量狀況，需進(jìn)一步研究檢測(cè)評(píng)價(jià)方法。