瀑河橡胶坝工程的设计要点

黄 晶，程 珺

（河北省承德市水利水电勘测设计所，067000，承德）

橡胶坝是20世纪50年代末出现的一种新型拦蓄水建筑物，由于橡胶坝结构新颖，造价低，施工安装时间短，管理运行简便等优点，在我国得到广泛推广运用。近些年我国已建成各类橡胶坝千余座，这些橡胶坝在防洪、灌溉、供水、挡潮、旅游等方面发挥了巨大的经济效益、社会效益和生态效益。

承德市宽城满族自治县瀑河县城段共规划橡胶坝5道，由2002年始建，至2009年全部竣工并投入使用，经过检验运行状态良好。在县城段瀑河河道上形成带状梯级水面，提升了县城的形象，美化了县城环境，增加了沿河周边土地的利用率，并促进了宽城满族自治县的经济发展。

一、河流概况

瀑河是滦河一级支流，发源于平泉县南村子分水岭，穿经平泉、宽城两县，并在宽城县汇入潘家口水库，流域总面积1 990 km2，河道总长度147 km，平均坡降7.87‰。

宽城满族自治县属于暖温带半湿润、半干旱的大陆性季风型燕山山地气候。多年平均气温8.6℃，多年平均降水量662.2 mm，降雨主要集中在汛期6～9月份，占全年降水总量的70%～80%，其中主汛期7、8两月降雨量约占全年降水量的60%。受中小尺度天气系统影响，汛期7、8两月经常出现历时短、强度大、笼罩面积小的局部暴雨。

瀑河流域地处燕山迎风区，洪水特点是年内分配不均匀，年际间变化悬殊。由于流域比降较大，降水集中，一次洪水过程持续时间也较短，一般历时为3～5天左右。受气象条件影响，洪水年际间变化十分悬殊，据实测资料统计，1962年最大洪峰流量4 260 m3/s，而1981年最小洪峰流量仅8.08 m3/s，二者相差近530倍。

瀑河宽城满族自治县县城段设计洪水主要根据水文站实测资料情况，橡胶坝坝址处1956—1975年洪峰流量系列采用大桑园水文站观测资料利用面积比法求得：

式中，Q设为橡胶坝洪峰流量(m3/s)；Q参为大桑园水文站洪峰流量(m3/s)；F参为大桑园水文站控制流域面积1 860 km2；F设为橡胶坝控制流域面积1 661 km2；n 为指数，取 n=0.65。

利用实测系列和经考证的历史洪水资料按P—Ⅲ型曲线进行频率分析，得出设计洪水成果。

利用海、滦河流域已经通过审查的桃林口、潘家口、陡河等20多座水库的洪峰流量成果，点绘迎风区千年一遇洪峰流量—流域面积关系图，本次计算宽城站洪峰流量模数在趋势线附近，符合海、滦河流域的一般规律，因此洪水分析成果具有合理性。

二、工程设计

1.工程等级及设计标准

橡胶坝工程是宽城满族自治县城区一项集游乐、美化县城风景、改善生态与环境为一体的社会公益性工程，可拦蓄上游河道径流，形成人工湖区，美化县城风景，同时抬高地下水位，改善生态与环境，社会效益显著。根据《水利水电工程等级划分及设计标准》（SL 252-2000）， 将该枢纽工程定为四等工程，橡胶坝、泵房等主要建筑物为4级建筑物。

根据防洪规划，瀑河宽城满族自治县县城段河道现状治理防洪标准为30年一遇，因此橡胶坝设计洪水标准也确定为30年一遇，相应洪水流量2 860 m3/s。

2.工程布置

枢纽工程根据防洪要求及坝址地形、地质等综合考虑布置，主要包括橡胶坝工程、泵房和充排水系统等。

橡胶坝沿轴线方向分为三段，坝袋总长174 m，按深、浅槽布置，底板顺水流方向长度均为11.5 m，深槽坝段长58 m，设计坝高4.0 m；两侧浅槽段坝长均为58 m，设计坝高3.0 m。深、浅槽之间的混凝土分隔墩厚0.8 m，长度同底板。橡胶坝段底板上游设长20 m的混凝土铺盖，厚30 cm。底板下游接长8 m的混凝土护坦，厚60 cm；为削减坝基渗透压力护坦上φ5 cm的排水孔3排，孔、排距均为1.5 m，梅花形布置，下设反滤层。护坦末端下部接防冲墙，墙底高程嵌入基岩0.5 m；防冲墙采用混凝土灌注桩，桩径80 cm，孔距70 cm，墙顶与混凝土护坦连为一体。边墩采用悬臂式挡土墙形式，顶宽80 cm，上游、下游边墙均为重力式混凝土挡土墙，墙顶宽0.5 m。为避免橡胶坝袋两端与墩墙（中墩及边墙）结合部位出现坍肩现象，引起局部溢流，影响橡胶坝的正常运行，将中墩和边墩端部1.2 m宽底板采用1∶10边坡抬高12 cm以消除坍肩影响；橡胶坝袋堵头与墩墙接触部位用1∶2水泥砂浆或细石混凝土抹平压光。底板、铺盖和护坦分缝间距为3.8～11.0 m，缝间采用651型橡胶止水，缝内填塞聚乙烯闭孔泡沫板。

3.水力计算

（1）泄流计算

橡胶坝坍坝行洪能力根据《橡胶坝技术规范》按宽顶堰计算，并根据承德市宽城满族自治县瀑河河道防洪标准为30年一遇洪水相应的30年一遇设计洪水时下游水位计算。

经计算，30年一遇洪水橡胶坝坍坝行洪时深槽段过流流量1 182.95 m3/s，浅槽段1 737.92 m3/s，全断面总过流能力为2 920.87 m3/s，大于河道30年一遇洪水时洪峰流量2860m3/s，因此，建坝后对原河道行洪能力没有影响。

（2）冲刷计算

河床冲刷深度计算包括铺盖首端冲刷和护坦末端冲刷深度计算。铺盖首端冲刷河床冲刷深度根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)中公式进行计算，护坦末端河床冲刷深度计算采用《铁路工程水文勘测设计规范》（TB 10017-1999）非黏性土河床冲刷公式进行计算。

经计算，坝体坍坝行洪30年一遇洪水时为铺盖首端河床冲刷深度计算的控制工况，深槽段冲刷深度为1.83 m，浅槽段为1.90 m。坝体坍坝行洪30年一遇洪水时为护坦末端河床冲刷深度计算的控制工况，深槽段冲刷深度为5.83 m，浅槽段为3.39 m。

4.坝袋设计

（1）坝型选择

橡胶坝袋按充胀介质不同分为充水式、充气式。充气橡胶坝由于气体具有较大的压缩性，充气橡胶坝在坝顶溢流时，出现凹口现象，水流集中，对下游河道冲刷较强，同时对橡胶坝的气密性要求高，运行过程中控制不灵活，在我国采用的为数很少。充水式橡胶坝在坝顶溢流时袋形比较稳定，过水均匀，对下游冲刷较小，同时对坝袋材料的气密性要求较低，景观效果较好，我国在充水式橡胶坝方面已形成了具有自己特色的橡胶坝设计、制造和运行管理等技术。宽城满族自治县瀑河橡胶坝坝袋采用充水式，材料采用二布三胶锦纶帆布。

（2）坝袋内压比选择

坝袋计算关键在于选择合适的内压比，以充分利用坝袋胶布的强度，并尽可能使坝袋面积减少，降低工程造价。为便于施工和坝袋加工，选择不同内压比对橡胶坝坝袋的袋壁环向拉力、坝袋周长、坝袋贴地长度和每延米容积特征值进行计算，设计坝高为4.0 m。计算根据《橡胶坝技术规范》（SL 227-98）查表进行。

从计算结果可知，当内压比值较小时，坝袋长度较长，需要的坝底板长度较大，投资相应增加，但袋壁径向拉力较小，材料强度要求较低，安全系数较大。当内压比值增大时，坝袋长度降低，坝底板长度减小，投资相应增加，但袋壁径向拉力增大，材料强度要求相应较高，安全系数降低。而坝袋厚度、有效周长是坝袋造价的主要控制条件。所以如何选取内外压比使坝袋既能满足强度规范要求，又能使坝袋造价最小的优化设计十分重要。

根据《橡胶坝技术规范》（SL 227-98），充水橡胶坝内压比值宜选用1.25～1.60，坝袋强度安全系数应不小于6.0。并且根据有关资料，通过经济比较，充水橡胶坝内外压比值在1.4时造价最低，本次设计结合已建橡胶坝的运行经验，同时考虑橡胶坝的运用情况，经综合考虑选择内压比为1.4，坝袋强度安全系数K为8.33，大于规范要求的6.0，投资适中，且安全可靠。

（3）坝袋锚固设计

橡胶坝的锚固是保证坝袋安全的重要环节，锚固型式按所采用的锚固构件材料不同可分为螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固以及胶囊充水式锚固等3种。混凝土楔块挤压式锚固以其自身节省钢材、造价较低的优点应用较多，但其自身施工安装时的锚固力度较难控制，楔块易受夯击损毁，维修拆卸不便，楔块重复利用率较低，锚固的密封性较差，影响建筑物的安全性能；胶囊充水式锚固运用较少；而螺栓压板式锚固是我国橡胶坝建设之初就采用的锚固形式，目前应用最为广泛，其锚固力可控，安装止水效果好，安装方便，劳动强度低，且易于拆卸检修，锚固构件的重复利用率高，便于施工与管理。综上所述，本工程坝袋锚固形式采用螺栓压板式双线锚固。

三、工程管理

根据《橡胶坝技术规范》(SL 227-98)的要求，橡胶坝工程必须有管理机构，工程管理单位的主要任务是确保工程完整、安全和正常运用，充分发挥工程效益；应结合工程具体情况制定切实可行的管理办法和相应的规章制度，并且还应根据工程运用情况适时进行修订。管理单位应进行科学管理，并对工程进行经常检查、观测、养护、维修和控制运用等。各项记录应及时整理归档，建立完整的技术档案。

①橡胶坝工程检查工作应包括经常检查、定期检查和特别检查。管理单位应指定专人按规定的制度经常对坝袋、锚固件、充排设备、机电设备、通信设施等进行检查，对工程存在隐患及时处理。

②橡胶坝工程观测包括坝袋内压力、坝袋变形、老化、河流上下游水位、河床变形等。管理单位应根据工程具体情况拟订观测项目、观测方法和观测时间。观测工作应保持系统性和连续性，并对观测资料进行整理分析。

③橡胶坝工程的维护修理主要包括坝袋、锚固件、充排设备和土建工程等部分。为保证设备完整整洁、安全运用、操作自如、延长使用寿命，必须经常做好维护修理工作。

④管理单位应制订橡胶坝的运行方案和操作规程，坝袋的运行控制应由专职人员严格按规程的要求进行操作。

⑤严禁坝袋超高超压运用，充水压力不得超过设计内压力。

⑥在充坝时，不得一次将坝袋充至设计高度，宜按坝高分级进行充坝，逐级逐步达到设计坝高，每次停留时间不得少于0.5h，要有专人现场观察，以便发现异常现象时采取必要的措施。

⑦汛期应根据气象和水文预报及时掌握水情，提前采取安全保护措施，在洪水到来之前应及时坍坝，保证安全泄洪。

⑧坝顶溢流时，坝体易产生振动，可通过改变坝高来调节溢流水深从而避免坝袋发生振动。在运用中应注意观测，避免出现溢流流量、坝高、下游水深的不利组合。

[1]陆吾华.橡胶坝技术在我国的应用和发展[J]. 中国水利，1986（5）.