无塌肩橡胶坝技术设计探讨

周政民 曹晓芬

（承德市武烈河河道管理处 067000）

1 问题的提出

橡胶坝是20世纪50年代末随着高分子合成材料的发展而出现的一种新型挡水建筑物。橡胶坝具有型式新颖、外形美观、结构简单、管理运用方便、使工期短、投资省、见效快等许多优点。在我国已建橡胶坝中，以直墙式堵头结构的枕式坝袋为主。对于高水头枕式橡胶坝，橡胶坝充坝运行时，受坝袋本身重力、坝袋与中边墩岸墙产生的摩擦力等多种因素的影响，致使坝端产生的局部褶皱不能打开，端部坝袋不能全部展开，形成坝袋端部塌肩现象。坝头塌肩，一是降低橡胶坝的有效坝高，工程效益不能充分发挥；二是坝袋溢流不均，影响坝体的整体美观，加速坝袋老化；三是坝袋端头褶皱处胶布易形成应力集中，久而久之会使胶布过早老化和脱胶，给工程运行带来隐患。

坝头塌肩现象在直墙枕式坝袋中是一种普遍现象，坝袋设计高度越高，坝头塌肩现象越大、越明显。从已建成的橡胶坝运行情况看，2.0m以下的橡胶坝基本不存在塌肩（见图1），2.0m以上的橡胶坝塌肩现象普遍存在，尤以4.0m以上的高坝更加明显（见图2）。

针对枕式橡胶坝坝头塌肩现象，多年来，在枕式橡胶坝的设计上进行了有益的探索和尝试，提出了一些塌肩解决办法。

a.改进中边墩施工工艺方式。将中边墩做磨光处理，在端墙应用钢丝网水磨石面或在端墙表面涂抹环氧树脂，减少坝袋堵头与中墩的摩擦力；另外抬高端部底板，将靠近两岸端的坝底板锚固线稍许抬高。

b.采取人工踩踏坝头方式。将坝袋端部平铺展开，在充坝过程中，人工及时踩踏端部坝袋，使坝袋尽量不形成褶皱，减少坝头塌肩。

图1 承德市武烈河第五道橡胶坝（浅槽坝高2.0m）

图2 承德市武烈河第五道橡胶坝（深槽坝高3.5m）

c.采取往两端坝头充气方式。首先向坝袋内充水，通过充气使坝头端部打开、展平，减少坝端的褶皱，从而减少坝头塌肩现象。

d.采取在中边墩安装自动化起吊设备，解决坝头塌肩问题。通过起吊设备将端部坝袋在未充坝之前全部展开到设计高度，将坝端褶皱全部打开，解决橡胶坝坝头塌肩现象。

但这些措施，需要人工现场辅助操作，操作运行受运行条件的限制，没有从设计根本上解决橡胶坝坝头塌肩的问题。解决好枕式橡胶坝坝头塌肩现象，对推动我国橡胶坝技术的全面发展具有重要的现实意义。

2 解决方法的探讨

橡胶坝坝头塌肩归根到底，与中边墩的设计结构、形式有着直接的关系，枕式坝袋在坝头处产生塌肩，而斜坡式橡胶坝坝袋两端部不存在塌肩现象，而只在坝袋两端部起坡点处易出现皱折现象。笔者认为，将两种设计型式、设计结构结合起来，能够有效地解决橡胶坝的塌肩的问题。在我国，既有枕式坝袋又有斜坡式橡胶坝，他们各有其优、缺点，但在工程的结构布置上又有很多相似之处，不妨进行想象，改进边坡的连接形式，既保留枕式橡胶坝的连接型式又保留斜坡式橡胶坝的连接型式，将中边墩设计成斜坡直墙式型式。

2.1 斜坡直墙式连接型式的设想

我国已建橡胶坝高度一般在6m以下，2.0m以上的橡胶坝塌肩现象普遍存在，尤以4.0m以上的高坝更加明显，而已建成的2.0m以下橡胶坝基本上不存在塌肩现象。斜坡直墙式连接型式的橡胶坝在距离中边墩1.0m以内起坡，坡比大于1，根据橡胶坝坝袋的设计高度确定斜坡的高度，通过斜坡连接相对抬高了橡胶坝坝底板的锚固高度，坝袋在斜坡上通过自重直接平铺于斜坡上，坝袋充水时，坝袋展开的以下部分不会出现褶皱，而是直接紧贴于中边墩上，上边剩余坝袋高度控制在2.0m以下。通过以上措施，可从根本上解决橡胶坝塌肩现象。

2.2 斜坡直墙式连接型式的可行性

斜坡橡胶坝的坝袋长度（垂直水流方向）必须等于河床的湿周（这也是坝袋塌坝放水时坝袋平铺于底板、不阻水的基本要求）。当坝袋充水达到最高点时，坝袋顶点线满足河道开口要求，因此湿周大于河道开口直线，故坝袋在坡脚处必然产生折皱。而直墙式橡胶坝（枕式橡胶坝）由于坝袋靠堵头与直墙连接，坝袋不与直墙锚固，当坝袋充水达到最高点时，坝袋顶点线与河道开口相同，坝袋在直线段不产生折皱。但由于坝袋堵头与侧墙之间产生摩擦力，端部坝袋不能全部展开，形成坝袋端部塌肩现象。

斜坡直墙式连接型式既保留了枕式橡胶坝具有的优点，同时有兼有斜坡式橡胶坝的优点。斜坡直墙式连接型式在距离中边墩1.0m以内起坡，行洪断面减少有限，坝袋塌落后，平铺于坝底板和斜坡上，基本不影响河道行洪。同时斜坡断面的增加，也更有利于中边墩的结构稳定。此外，所设斜坡段立坝蓄水时全部在水面以下，不影响整个河道景观。

2.3 斜坡直墙式连接型式对行洪的影响

按照上述设想，假定坝高4.0m，斜坡边坡比为m=1，则斜坡高度为h1=1m，斜坡坡长为h2=1.414m，h塌高=4－1－1.414=1.586m＜2m，斜坡段面积 S=1/2×1×1×2=1m2，基本不影响行洪。

而斜坡式橡胶坝假定坝高4.0m，斜坡边坡比为m=1，则斜坡高度为 h1=4m，斜坡段面积 S=1/2×4×4×2=16m2，对行洪有一定影响。

而直墙式橡胶坝假定坝高4.0m，目前设计上采取的措施一般是将靠近两岸端的坝底板锚固线稍许抬高0.1m左右，斜坡边坡比为m=1，则斜坡段面积S=1/2×0.1×1×2=0.1m2，对行洪基本没有影响。

2.4 斜坡直墙式橡胶坝高度的设计（见图3）

图3 斜坡直墙式橡胶坝高度设计

设斜坡直墙式橡胶坝的坝高为h≤6m，斜坡边坡比为m≤1m，假设塌肩静高度h塌高≤2m，则斜坡段高度应满足h1=（h－2）/2，斜坡坡长为h2={[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2。

斜坡上部与直墙折角处以上坝袋受坝袋自重的影响，自然向下平铺塌落于斜坡段上，即（h－2）/2+{[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2高度以下的坝袋在坝袋升高过程中会平铺于斜坡墙及中边墩墙上，不会产生褶皱。（h－2）/2+{[（h－2）/2]2+[（h－2）/2m]2}1/2=h－h塌高。

将上述已知条件代入上式得：h塌高≤2m，符合设计要求。

斜坡直墙式橡胶坝各段坝高的设计计算结果见下表。

按照以上理论计算，从上表可以看出，当h≤2m时，h塌高≤2m，可以不设斜坡段即为直墙式（枕式）橡胶坝；当 h＞2m 时，设置斜坡段后，h塌高＜2m，满足设计要求。从计算结果分析来看，设计坝高较高时，坡比选择大一些，设计坝高较小时，坡比选择小一些，更符合实际要求。

斜坡直墙式橡胶坝各段坝高设计计算结果表

斜坡直墙式橡胶坝坝袋展开图（见图4）设计在斜坡段参照斜坡橡胶坝展开图进行参数计算，在直墙段参照直墙式橡胶坝展开图进行参数计算。斜坡段上游侧最好按照坝袋设计断面的弧线布置，下游侧可按直线布置，若上游侧采用折线布置时，则应将上游底板的锚固线向边坡延伸0.3～0.4m，然后才分布若干段折线向上布置，解决坝袋在转角处产生折皱问题。

3 结语

图4 斜坡直墙式橡胶坝坝袋展开图

斜坡直墙式橡胶坝型式的提出，丰富了橡胶坝的设计型式，解决了橡胶坝塌肩的技术难题，对促进我国橡胶坝技术的发展，一定会起到积极的促进作用。