砂性土河道充水式橡膠壩集水廊道失效原因及改進措施

摘 要：充水式橡膠壩的應用日益廣泛使用，其集水廊道失效現象逐漸增多。對砂性河道上充水橡膠壩集水廊道的失效原因進行了分析，提出了改進措施，并以太湖縣長河水環境整治工程3#攔河堰為例，詳細介紹了在無砂混凝土集水廊道的基礎上增加斜插反濾進水管的改進設計，并通過滲流計算驗證了改進結構的可行性和可靠性。相關成果可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：橡膠壩；集水廊道；斜插反濾進水管；長河；攔河堰；砂性土

中圖分類號：TV640；TV139.1 文獻標志碼：A

doi：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2024.0418

0 引 言

20世紀90年代以來，橡膠壩在我國發展迅速。截至2006年10月，我國已建成橡膠壩約2 000 座，近年來更是以每年新建300座左右的速度發展 。橡膠壩適用于低水頭、大跨度的閘壩工程，具有施工期短、工程造價低、運行維修方便、抗震能力強等特點，比傳統閘壩節省投資30%～60%[1]。旱季橡膠壩袋內充水或充氣成壩擋水，滿足工農業及生活用水需要，汛期排出壩袋內的水或氣塌壩，方便河道泄洪。由于充氣橡膠壩內氣體具有較大的壓縮性，充氣橡膠壩在壩頂溢流時出現凹口現象，水流集中，對下游河道的沖刷較強，而且對氣密性要求較高，這些不利因素限制了充氣式橡膠壩的應用。目前，我國大部分橡膠壩充壩介質以水為主。橡膠壩充水水源根據水文條件、河道地質、自來水管網設置的情況，采用自流引水管、自來水、大口井、深水井或無砂混凝土集水廊道等方案[2]。

砂性土河指河床主要由直徑0.075～2 mm的砂土顆粒組成，砂土顆粒間無黏聚力，結構松散，按照粒度組成可分為粗砂、中砂、細砂和粉砂。對位于河床寬大的砂性土河道內的橡膠壩，根據技術經濟比較及以往橡膠壩工程建設經驗，壩袋的充水水源常為無砂混凝土集水廊道。

通過對潛山縣幾座運行多年的橡膠壩工程進行實地查勘調研，發現類似砂性土河道中采用無砂混凝土集水廊道作為充水水源的橡膠壩工程，在工程運行初期充水水源的給水流量較為充足，但在運行過程中，壩袋充水水源給水流量不斷減小甚至影響泵站的正常運行，如何解決這個問題是工程的技術難點。據某橡膠壩現場運管工作人員反映，集水廊道經歷5個汛期后，廊道的集水流量已不能滿足泵站的抽水流量。每個汛期橡膠壩塌壩后再充水，集水廊道的集水流量都會減少。具體表現為第1、2個汛期廊道集水流量減少幅度較小，第3、4、5個汛期廊道集水流量減少幅度較大。受監測手段的限制，不能定量分析廊道集水流量變化。將廊道挖開進行集水流量調查時發現，無砂混凝土集水廊道側墻孔隙附著有細砂，廊道外側的人工濾層內未見明顯細砂顆粒，河床基土未見明顯坍塌。對無砂混凝土側墻進行了透水性試驗，結果顯示其透水性較弱。

1 橡膠壩集水廊道失效原因分析

地下集水廊道正常運行的關鍵是營造穩定的滲濾系統（河床含水層+人工濾層+集水廊道）。造成其失效的原因主要有兩種：一種是最外層濾料與基土間聚集一層細砂造成淤堵；另一種是細砂穿過反濾料，附著于無砂混凝土側墻上造成淤堵[3]。

人工濾層起著承上啟下的作用，但目前地下集水廊道尚未有專門的濾層設計理論與方法，工程上通常采取類比法進行設計。將太沙基濾層設計準則與地下集水工程工況進行對比分析發現[4]：太沙基濾層設計準則的關注點在于“濾土”，被保護土顆粒一般較細，滲透系數小。濾層工作狀況為高水頭、低流量、嚴格保土。而地下集水工程濾層的關注點在于“透水”，要求有較高的滲透系數，濾層工作狀況為低水頭、大流量、強透水、部分保土。顯然兩者的運行工況是不同的，因此集水廊道濾層的設計需具備一定“濾土”功能，并保持適當透水性[5]。工程設計中多采用粒徑較大的級配濾料作為人工濾層[6]，在低水頭作用下，河床基土內部分細顆粒流失并穿過人工濾層，最終附著于無砂混凝土側墻上。

根據對已建工程的調查和分析，橡膠壩集水廊道失效主要原因是無砂混凝土集水廊道淤堵。即河床基料內部不穩定土層中的部分細粒被水帶動，并在滲濾過程中穿過反濾層，最終附著在無砂混凝土廊道側墻上，從而影響整個滲濾系統的透水性。可知，無砂混凝土廊道淤堵是導致廊道長期透水性不能實現的原因[7]。

2 改進措施研究

廊道無砂混凝土側墻淤堵后無簡便有效的清淤措施是導致橡膠壩集水廊道失效的原因。基于此，對廊道原結構進行改進優化。改進前后集水廊道結構見圖1，較傳統結構主要采取以下改進措施。①增加新型結構過水通道，在無砂混凝土廊道側墻設置一定數量的斜插PVC管，管子穿過無砂混凝土側墻，兩端與無砂混凝土側墻內外壁齊平，斜插管進水口低，出水口高，管內填充反濾料，并用鍍鋅鐵絲網封堵管口。無砂混凝土側墻作為斜插管的基礎，在工程運行初期，兩者作為集水廊道透水體共同工作。②新型結構過水通道為可拆卸可更換型式，考慮工程運行一定時間后出現集水廊道無砂混凝土側墻及斜插管內反濾料被堵塞的情況，斜插管管口鐵絲網及管內反濾料采用可拆卸更換的型式，即當斜插管內反濾料發生淤堵時，可將管口鍍鋅鐵絲網拆卸，取出管內反濾料并更換新的反濾料。③斜插反濾管的滲透流量滿足泵站抽水流量的要求，即使無砂混凝土側墻失效，仍不影響工程正常運行。

3 工程實例

3.1 工程概況

長河水環境整治工程位于安徽省太湖縣境內長河干流段，上起花亭湖滾水壩，下至黑河口，全長約27 km。其中3#攔河堰位于長河中上游駝龍山附近，主要功能是抬高蓄水位，解決兩岸居民生活用水及農田灌溉用水問題。堰址處河床總寬約450 m，河底高程23.6 m。攔河堰由深孔閘、淺孔閘組成，左岸為3孔單孔凈寬10 m的深孔閘，其余部位為淺孔閘，采用橡膠壩結構，單孔凈寬61 m，共6孔，總凈寬366 m。橡膠壩采用充水式壩袋，壩袋高2.75 m，壩頂高程27.55 m，底板頂面高程24.8 m，檢修期上游水位24.8 m。河床表層土為松散狀態的細中砂，層厚3.0～6.9 m，往下依次為砂礫卵石、中粗砂夾礫、粉砂質頁巖、砂質頁巖。

3.2 集水廊道布置

本工程集水廊道采用前述改進措施，解決橡膠壩充水水源無法保證可靠給水量的問題。工程總體布置如下：在橡膠壩上游河道內垂直水流向平行布置3道集水廊道（整體偏長河左岸布置，泵房集水池位于左岸），單排廊道長100 m，寬2 m，高1.5 m。集水廊道末端各順接長2 m的DN600引水鋼管，引水鋼管均與1根引水鋼管垂直連接，將水流匯集并輸送至充水泵站集水池。檢修期上游最低引水水位為24.8 m，集水廊道頂高程與上游河道河底高程齊平，為23.6 m，引水鋼管中心高程均為23.0 m，集水廊道平面布置如圖2所示。

集水廊道由素混凝土底板、無砂混凝土側墻、側墻斜插反濾進水管、側墻兩側反濾料、鋼筋混凝土蓋板等組成，順水流向橫剖面布置如圖3所示。每孔集水由遠及近分別布置厚0.5 m粒徑為3～5 mm的反濾料、厚0.5 m粒徑為5～10 mm的反濾料和厚0.5 m粒徑為10～30 mm的反濾料。反濾料頂部由上至下依次設厚0.12 mC25混凝土預制鎖塊（孔隙率25%）、0.1 m厚碎石墊層，混凝土預制鎖塊頂面與河道底高程齊平，為23.6 m，反濾料底高程為22.1 m。混凝土廊道底板為C25素混凝土結構，底板底面高程22.1 m，厚0.5 m，廊道側墻采用無砂混凝土結構，高0.75 m，厚0.5 m。廊道頂部設厚0.12 m鋼筋混凝土預制蓋板，單塊蓋板尺寸0.5 m×0.5 m。廊道縱向每間隔0.4 m（凈距）設一道斜插式反濾進水管，斜插反濾進水管布置見圖4，進水管軸線與側墻交角45°，廊道側為管口較高側，反濾進水管采用內徑0.3 m的PVC管，管內上半部分（近廊道側）填充粒徑為18～24 mm的反濾料，管內下半部分側填充粒徑為6～9 mm的反濾料，管口用鍍鋅鐵絲網封堵固定，網孔直徑3.45 mm。

3.3 集水廊道輸水能力計算

橡膠壩充水泵站設計抽水量為4 505 m3，2 h充滿6個壩袋，抽水流量為0.626 m3/s，泵站設計最低運行水位24.6 m。集水廊道進水由斜插反濾管進水及廊道側壁進水兩部分組成，橡膠壩檢修期上游河道最低引水水位取24.8 m，計算集水廊道輸水能力。此時河道與水泵最低運行水位的水位差為0.2 m，集水廊道深度為1.0 m，長度為100 m，進口、彎頭、出口局部水頭損失及沿程水頭損失取0.05 m（實際較小），斜插反濾進水管滲流流程取管長0.71 m，滲透系數取0.15 m/s（經驗值），斜插反濾進水管內徑0.3 m，共計858個斜插反濾進水管。廊道側壁滲流流程壁厚取0.5 m，側壁進水總面積為258 m2，滲透系數取2×10-2 m/s（經驗值）[8-9]。

集水廊道輸水能力計算分別采用達西定律二維平面法和三維有限元法進行計算驗證。

3.3.1 達西定律二維平面法

按照達西定律計算廊道進水流量[10-11]，見式（1）、式（2）。

式中：Q為滲流流量（m3/s）；A為滲流橫斷面面積（m2）；k為沙土的滲透系數（m/s）；v為滲流流速（m/s）；J為水力坡降；ΔH為滲流前后水頭差（m）；L為滲流流程（m）。

經計算，斜插反濾管進水流量Q1=1.91 m3/s，為3.03倍壩袋充水流量；集水廊道側墻進水流量：Q2=1.55 m3/s，為2.46倍壩袋充水流量；集水廊道總進水流量Q = Q1 + Q2 = 3.46 m3/s，為5.5倍壩袋充水流量。綜上，考慮無砂混凝土側墻堵塞，僅斜插反濾管工作的最不利情況，集水廊道滲透流量亦滿足泵站充水流量要求。

3.3.2 三維有限元法

采用Midas GTS NX三維有限元計算軟件進行計算[12]。取1條廊道的單側側墻長度的1/10建立三維實體模型（見圖5）。墻寬0.5 m，長度取10 m（實際長度100 m），墻高方向分為三段，底部為不透水混凝土結構，高0.5 m，中間段為無砂混凝土及斜插反濾管段，高0.75 m，上部為不透水混凝土結構，高0.25 m。側墻上、下游側水頭分別為2.7、2.5m，為保證側墻兩側水頭差的形成，墻上部不透水混凝土結構高度取1.95 m。

以側墻底板底面端頭為坐標原點，X為側墻寬度方向，Y為側墻長度方向，Z為側墻高度方向。側墻兩端及底部假設為滲透系數極小的土體，厚度均取2.5 m。側墻及土體均采用三維實體單元模擬，為四面體單元，單元總數為35 612，節點總數為8 312。

側墻頂部和底部均設置為不透水混凝土各向同性單元，中間段為透水混凝土各向同性單元，土體為滲透系數極小的各向同性單元。

圖6為滲流流量分析結果云圖。整體來看，集水廊道側墻無砂混凝土及斜插反濾進水管范圍內滲流流量較大，其它部位滲流流量很小，符合工程實際情況。無砂混凝土側墻及斜插反濾進水管范圍滲流流量平均值7.6×10-3 m3/s，由此計算整個集水廊道的滲流流量為3.42 m3/s，與達西定律滲流流量計算結果接近，滿足泵站充水流量要求。

3.4 工程運用效果

工程于2024年3月試運行，集取水質清澈，集水流量滿足泵站抽水流量，達到設計預期[13]。

4 結 論

（1）通過對橡膠壩無砂混凝土集水廊道采取一定的改進措施，在砂性土河道上修建橡膠壩集水廊道工程是可行的。

（2）滲流計算分析和工程實踐表明，無砂混凝土集水廊道結構改進設計效果良好，但結構參數主要依據實踐經驗確定，有待于進一步驗證。

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收稿日期：2024-05-17

作者簡介：王麗軍，女，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程結構設計工作。E-mail：153592141@qq.com

2024，8（4）：121-126

Water-filled Rubber Dam on Sandy Soil River

WANG Lijun

（Anhui Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract： Water-filled rubber dams have seen widespread use while the failures of their water collection gallery are also gradually increasing. This study examines the failure causes of the water collecting gallery of water-filled rubber dam on sandy soil river and offers improvement measures. Additionally，taking the water environment improvement project at No.3 weir of Changhe River in Taihu County as a case study，we present a design of adding an inclined anti-filter inlet pipe to the existing sand-free concrete water collecting gallery，and verify the feasibility and reliability of this improved structure through seepage calculation. The findings provide references for similar projects.

Key words：rubber dam；water collecting gallery；inclined anti-filtration inlet pipe；Changhe River；weir；sandy soil