吉县清水河橡胶坝锚固设计及研究

任衍斌

（临汾市水利勘测设计院 临汾 041000）

1 清水河橡胶坝工程概况

清水河是黄河的一级支流，是吉县境内最大的季节性河流之一，由县城东北向西南横穿而过。清水河橡胶坝工程位于山西省临汾市吉县县城段的清水河上，是吉县清水河河道综合治理工程之蓄水工程的重点。清水河吉县城属四等城镇，工程按20年一遇的洪水标准设防，河道洪峰流量为1 025 m3/s，工程等级为IV等，挡水建筑物为4级。挡水建筑物即橡胶坝计划共建9座，坝段分为橡胶坝段和消力池段两部分，橡胶坝段长10 m，消力池段长12m，均采用钢筋混凝土结构，橡胶坝坝宽最大为40 m，采用的充水式橡胶坝为单向挡水，坝袋内外压比为1.3，坝袋采用彩色橡胶坝袋，为二布三胶，堵头为一布两胶，坝袋抗扯断强度为360 kN/cm，在每个坝段坝袋端部设排气孔，坝袋高即蓄水高度考虑设计流量及河道宽度不同，分别为2.7 m和2.0 m，相应的橡胶坝两端端墙为箱涵式挡墙，高度分别为3.2 m和2.5 m，挡墙宽1.0 m，箱涵宽0.2 m仅用于排污。工程于2010年5月进行招投标设计，现已建成4号橡胶坝，其余的橡胶坝在施工中。

2 坝袋锚固线布置形式和锚固结构形式设计

充水式橡胶坝工程锚固的要求是既要牢固可靠地承受坝袋的拉力，又要密封不透水，以使橡胶坝起到挡水作用。锚固结构是橡胶坝工程主要组成部分，是橡胶坝能否安全可靠运行的关键部件之一。考虑到设计的橡胶坝较高，坝袋固线布置采用对坝袋磨损和震动影响较小的双线锚固布置，单向挡水枕式坝锚固形式。上、下游及两端头固线平行，锚固高程相同。端头锚固线布置在端根部，为减少坝袋塌肩对设计高度的影响，端墙底板设计成1:10的坡度，长度2.0 m。上、下游锚固线的距离，根据所选取的内压比及坝高2.7 m和2.0 m,按照《橡胶坝技术规范》［1］通过查表法计算求得上、下游均设置锚固线的距离，分别为5 612 mm和4 916 mm。橡胶坝底板槽深为0.175 m,槽与坝袋的接触面为1:0.4的斜坡,宽为0.2 m,深为0.175 m。端墙的端头锚固采用墙内锚固形式，槽底宽及接触面坡度与底板锚固槽相同，受底板坡度的影响，深度变为0.169 m。

锚固结构设置在橡胶坝底板的锚固槽内，采用了工程中较为常用的螺栓平面压板式穿孔式锚固形式：螺栓采用M27螺栓，长900 mm，间距200 mm；为减少坝袋充水挡水后因锚固力而产生静滑动摩擦对坝袋的破坏,橡胶坝袋被夹在垫平片、抗磨片与止水海绵、底垫片之间。锚固结构安装完成后，槽内填充M4.0水泥砂浆。锚固结构中垫平片、抗磨片、底垫片均为橡胶片,止水海绵粘在底垫片上主要起密封止水作用，抗磨片主要布置在下游侧，是为防止锚固安装后因锚固槽内填充水泥砂浆对坝袋的磨损而增设。为了稳固M27螺栓，螺栓锚固段特加设φ20钢筋,通长布置;上、下压板长度锚固为侧60.4 m,堵头锚固侧为8.2 m，采用曲线形，螺栓和上下压板均为钢板；其结构详见图1。

图1 橡胶坝锚固结构详图

3 锚固力计算与研究

在设计过程中螺栓压板式锚固力计算主要根据坝袋径向设计拉力，来设计螺栓和上压板。现以坝袋高为2.7 m的橡胶坝为例进行锚固结构各参数分别进行设计。

3.1 螺栓直径的计算

螺栓直径d取决于螺栓受力情况，穿孔锚固形式的受力情况主要是:在坝袋充胀挡水时，螺栓既承受锚固坝袋所需拉力，又承受上压板的偏心拉力（假定螺栓横断面应力成均匀分布），螺栓所承受的锚固力实际为二者之和。《橡胶坝技术及应用》［3］第119页提供了相应的计算公式如下：

式中：P0——螺栓设计拉力，N/cm；

K——安全系数，取K=3.0；

T——坝袋径向拉力，N/cm，《橡胶坝技术规范》L227—98［1］第19页附录B里称之为坝袋径向计算强度。

其中：α=H0/H1，称为坝袋内外压比，又称内压比；H0为坝袋内水压力；H1为设计坝袋高（270 cm）；γ为水的容重，根据《橡胶坝技术规范》［1］SL227—98 经方案比较选取 α=1.3。

θ—坝袋径向拉力T与基础底板夹角（°）,本次设计θ=75.5°；

l——上压板端头至螺栓中心的距离，cm；

L——上压板宽度，cm；

f——坝袋胶布与止水海绵胶片之间的摩擦系数；f1——坝袋胶布与上压板间的摩擦系数。

上式中，上压板宽度L一般为2l,则公式可简化为：

以上公式既考虑到了螺栓在坝袋充水及挡水后因水压力而产生的坝袋径向拉力对锚栓锚固力的影响，又考虑到胶布材料及胶布与上压板之间的摩擦,以及坝袋径向拉力T与基础底板夹角θ对锚栓锚固力的影响。其中坝袋径向拉力取决于设计坝高H1和内压比α，加上θ角值设计时它们的值均以选定；而胶布材料及胶布与上压板之间静摩擦系数则与所选材料有关，因此选取的上压板和胶布材料不同，其间的摩擦系数会有差别。《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74—95）[2]中推荐的橡皮对钢的静摩擦系数f1在0.65与0.3之间，橡皮对不锈钢的静摩擦系数f1在0.5与0.2之间。至于坝袋与止水海绵则属同种材料之间的摩擦，其值则大于橡皮对钢的f值，由此可知锚固结构发生滑动破坏，必发生在上压板与坝袋或坝袋与止水海绵之间。

在设计过程中考虑到上压板与坝袋、坝袋与止水海绵之间的摩擦系数选取范围较大，设计时则改用的是《橡胶坝技术规范》L227—98[1]第45页附录D.1螺栓压板式锚固中所提供的经验公式计算进行初选,公式如下：

式中：Q0——每根螺栓承受的荷载，kN；

T0——单位长度螺栓计算荷载，kN/m；

k1——栓紧力及扭转力的影响系数，选取k1=1.75；T0——单位长度螺栓计算荷载，kN/m；

n——1 m长度内的螺栓根数，通过计算螺栓间距可求，螺栓间距应根据所采用的压板刚度和螺栓直径进行计算确定，螺栓间距宜取0.2～0.3 m，本工程取0.2 m，则n实际为5个。

从公式(4)可知每根螺栓承受的荷载Q0主要跟单位长度螺栓计算荷载T0有关。《橡胶坝技术规范》L227—98［1］附录D第45页规定:单位长度螺栓计算荷载T0应考锚固件的强度、耐久性、锚固力、锈蚀等因素，根据所采用的锚固结构形式计算确定。因此在设计初选计算T0时，参考了《橡胶坝技术及应用》[3]所提供的穿孔锚固螺栓计算公式（1）,用公式中所提供的安全系数K乘以利用公式（2）所求的坝袋径向拉力T就认为是T0，此时的T0单位为N/cm，换算成kN/m后代入公式（4），以此公式来计算单位长度（1m）每根螺栓承受的荷载Q0为30.62 kN。

螺栓直径的选取除了考虑每根螺栓承受的荷载Q0外，还与所选螺栓的材料允许拉应力［σ］有关,《橡胶坝技术规范》L227—98附录D第45页提供公式如下为：

式中：d——螺栓直径,m；

［σ］——螺栓允许拉应力（kN/m2），设计时所选的螺栓材料允许拉应力经换算为110 000 kN/m2。

根据以上参数,初步确定d≥0.0 215 m。因此选取螺栓直径应不小于22 mm，相应的螺栓规格为M22。

需要指出的是，由于此种方法忽略了胶布材料之间及胶布与上压板之间静摩擦以及坝袋径向拉力T与基础底板的夹角θ对计算结果的影响，只增加了规范提供的栓紧力及扭转力的影响系数kl，按这种方法设计得出的螺栓直径d偏小，只能作为螺栓的初选值。设计螺栓直径d时，仍需要在确定胶布材料之间及胶布与上压板之间静摩擦系数之后，利用参考《橡胶坝技术及应用》[3]第118页至119页提供的相关公式进行计算。另外由中国水利水电出版社出版的《橡胶坝工程技术指南》[4]第152页至158页中也提供了锚固螺栓直径设计的相关计算公式。设计时两者都可采用，然后结合已有同类工程经分析后确定螺栓直径d,对重要工程还应该在做专门的锚固结构试验，以保证锚固的牢固可靠。本次设计最后经综合分析后确定选用M27螺栓。

3.2 螺栓锚固长度的计算

螺栓锚固长度由埋设在混凝土内和混凝土表面外两部分组成。

混凝土表面外的长度应考虑安装时给底垫片2.0 mm、止水海绵10 mm、坝袋7.0 mm、抗磨片7.0 mm、垫平片7.0 mm、两个M27螺母预留长度。另外在拧紧螺母后还需预留至少2～3个牙纹的长度，对于M27粗牙螺纹一个牙纹长度为3 mm，则至少预留9 mm。经计算混凝土表面外的初选长度为71 mm。考虑到还有上压板厚度没有计入并加大预留长度值，最后根据具体情况确定设计值为135 mm。

埋在混凝土基础中的深度，应保证锚栓通过其和混凝土之间的粘着力传递拉力。根据钢筋与混凝土粘结原理，若混凝土在锚固力的作用下受拉破坏，会产生类似圆锥的破裂面。而橡胶坝混凝土基础受锚栓拉力未破坏时的应力状态为锥形，简称应力锥，而在应力锥面积范围内的应力则为有效应力。为防止出现应力锥重叠使锚栓的拔拉破坏机率增大，应使锚栓纵向应保持合适的距离,即限制单位长内锚栓的个数。若发生重叠则还需按要求增加混凝土基础锚固螺栓的长度。

设计时埋置在混凝土基础中的深度计算，可根据锚栓的工作拉力P来求，设计参考《橡胶坝工程技术指南》[4]第160页提供公式如下：

式中：Ld——锚栓埋深；

P——锚栓的工作拉力；

X——为系数，对于埋入混凝土中的锚头取0.65，若锚头超出表面钢筋以外，X=0.85；

R——C25混凝土标准抗压强度；

Ad——锚头面积，保守计算按φ25选取。

初选计算Ld时我们把每根螺栓承受的设计荷载Q0值代入公式（6），经换算后发现其值很小为172 mm，锚栓埋深应根据规范按构造来计算。《橡胶坝技术规范》SL227—98［1］第45页规定:对于光面钢筋锚固长度，当其直径d>16 mm时，锚固长至少为20d，考虑到锚栓的要求，其弯钩则为4d。经计算结果为648 mm。设计时适当加长确定Ld为765 mm，螺栓锚固设计长度合计总长为900 mm。

3.3 扭紧力矩及上压板强度和刚度

为了严防扭紧力过大将螺栓扭断破坏，需计算扭紧力矩。对于标准螺纹的螺栓扭紧力矩，设计时参考《橡胶坝技术及应用》[3]第119页提供的计算公式：

MC——螺栓扭紧力矩,N·cm；

Q0——每根螺栓计算荷载，N；

d——螺栓直径，cm。

经计算确定扭紧力矩Mc=6 613.9 N·cm。

在工程中应根据实际情况扭紧力矩可适当增减，并且每次坝袋充水后，都要将螺母反复多次拧紧，使其获得足够的扭紧力。

上压板的强度是由坝袋径向拉力T的垂直分力Tsinθ作用在上压板端头上的弯矩M和上压板材料允许压应力[σ]以及上压板抗弯截面模数Wx来确定，其计算参考《橡胶坝技术及应用》第120页提供的公式为：

根据《橡胶坝技术规范》L227—98[1]附录D第46页所提供的公式可知，θ取90°时上压板所承受的弯矩最大,此时计算较为安全，公式则简化：

M——坝袋拉力作用在压板上产生的弯矩，N·cm；

T——坝袋拉力N/cm；

I——力臂，为螺栓中心至压板边缘的距离，cm；

k2——为安全系数,一般取3；

[σ]——上压板材料允许应力，N/cm2。

由于现阶段我国没有对上压板的型号及尺寸进行过统一的规定，所以其型号及尺寸一般依厂家根据现场试验情况而定。

3 总结和建议

以上就是根据现有的充水橡胶坝设计中常用的螺栓压板式锚固理论知识及相关公式，进行了吉县清水河橡胶坝坝袋锚固线布置形式及锚固结构形式设计，计算初步选取验证了螺栓直径、螺栓锚固长度、扭紧力矩等参数。分析上述参数可以看出，决定橡胶坝锚固设计质量的因素有：坝袋径向拉力，坝袋胶布之间及坝袋胶布与上压板之间的静滑动摩擦系数，锚固螺栓的直径，所选材料的性能等，其中坝袋径向拉力取决于设计水位和坝袋充水挡水时的内外压比，坝袋径向拉力在选择橡胶坝的形式和水位时已经基本确定。设计和实际工程应用中存在的一些不确定性因素主要是所选材料的性能及材料与材料之间的相互关系，而这些不确定因素设计时一般难以掌握，往往只能采用单一安全系数计算对质量进行控制，以减少不确定性因素对橡胶坝锚固结构的影响。因此在实际橡胶坝工程中，设计单位宜根据施工现场的实际情况，对锚固结构设计计算中一些如实际的工作拉力、扭紧力矩等工程参数通过技术手段进行收集和整理，以便与本次设计中计算的相应的设计参数对照,分析如坝袋胶布之间、坝袋胶布与上压板之间的静滑动摩擦系数等不确定性因素对它们的影响,优化螺栓压板式锚固设计。设计单位应及时与施工单位及相关设施生产单位进行联系，加强技术交流和相互学习，从而不断总结经验，使设计成果更加科学完善、经济合理。

［1］水利部.（SL227—98）橡胶坝技术规范.北京：中国水利水电出版社，1999.19,45～46.

［2］水利部.（SL74—95）水利水电工程钢闸门设计规范.北京：中国水利水电出版社，1996.73.

［3］王溥文，韩昌海，童中山.橡胶坝技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社,2008.118～120

［4］高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京:中国水利水电水电出版社,2006.152～160