加格达奇区橡胶坝工程坝体设计

王志远，夏凤兰

(黑龙江省中部引嫩工程管理处，黑龙江齐齐哈尔161006)

1 概述

加格达奇区位于黑龙江省西北部，大兴安岭山脉南麓，行政区划隶属大兴安岭地区，是大兴安岭行政公署所在地，全区总面积1 587 km2。城区现有人口15.53万人，工业形成了以木材加工为中心，农机、化工、电力、建材、纺织、食品加工为骨干，门类比较齐全、设备比较先进的工业体系，服务业和旅游业发展迅速。城南区总面积12.5 km2，是“十五”、“十一五”期间作为重要军事、政治、科研和教育中心进行重点投资和建设的地区。

甘河是嫩江上游右岸的一级支流，由西向东流经加格达奇主城区后折向南，城区内有甘河支流加格达奇河和东小河汇入。

2 基本资料

加格达奇区位于黑龙江省西北部甘河中游，是黑龙江省大兴安岭行政公署所在地，地理位置在 E123°46'～124°26'，N50°09'～50°35'，加格达奇区西南与鄂伦春自治旗毗邻，东部和北部与松岭区接壤，全区总面积1 587 km2。

加格达奇区地处大兴安岭南坡，属于北温带大陆性季风气候区，气温年变化和日变化都较大。夏季炎热而短暂，冬季严寒而漫长，秋季降温迅速多早霜。年最低气温为－41.5℃，出现在1月份;年最高气温32℃，出现在7月份，年平均气温－0.6℃。多年平均降水量500 mm，年降水量的70%集中在6～8月。多年平均风速2.4 m/s，多为西风和西北风。本区封冻期约5～6个月，一般11月上、中旬封河，4月中下旬开河。

3 工程建设的必要性

甘河发源于大兴安岭东麓雉鸡山，由西向东流经加格达奇区，将主城区分为河南河北两部分，于主城区东南角折向南，至柳家屯下游15 km处汇入嫩江，是嫩江上游右岸最大一级支流，流域总面积19 665 km2，河道长447 km。加格达奇水文站以上控制面积9 575 km2，流经加格达奇境内河道长55 km。

甘河加格达奇以上河段较大支流为阿里河，从左岸汇入，流域面积2 150 km2。加格达奇河在城区加格达奇水文站断面上游1 km处从左岸汇入，流域面积100 km2。

甘河上游为大兴安岭山区，属于山区性河流，河道弯曲，坡陡流急。河床一般由砂砾石及卵石构成，流域内植被良好，森林覆盖率60%以上。下游河段河滩地较开阔，沿河两岸滩地多为次生林。城区河段河滩地天然植被破坏严重，地表砂壤土大量流失，河岸塌陷，甘河左岸主城区已修建了城市防洪堤，全长5.9 km。

甘河横跨城区，水量充沛，水质良好，但年内不配不均，春季水量较枯、水位低，严重影响城市水域环境。为了合理利用水资源，充分开发城区江段旅游资源，改善城区河段水环境，增加城市景观的多样性和功能性，提高甘河两岸的区位优势，促进加格达奇区新城区建设和经济的高速发展，修建橡胶坝工程，是非常必要性的。

甘河在加格达奇城区江段近4 km，靠近中心城区，江岸有公园、甘河大桥等景区及城市防洪堤等重要基础设施，供居民及游客观光游览，但由于甘河春季水位低，水量少，景观差，从而使游人很难尽兴。修建橡胶坝可抬高水位扩大水域面积，蓄水成湖，波光潋滟，相互辉映，与堤内公园遥相呼应，更增添游览区秀美山色。湖中泛舟、景中穿行、成为居民观光、休闲娱乐的理想场所，因此修建橡胶坝工程为人心所向。

4 工程设计

4.1 坝袋计算

4.1.1 坝袋计算条件

按坝袋挡水达到设计高度，坝后无水的情况下，作为坝袋计算的控制条件。

4.1.2 内压比选定

根据运行工况、溢流水深及坝袋有较短的设计周长并充分利用坝袋强度的原则，选定内压比α=1.35。

4.1.3 坝袋径向强度计算

根据SL227－98《橡胶坝技术规范》规定，坝袋径向强度计算公式为:

式中:T为坝袋径向计算强度，kN/m;γ为水的容重，kN/m3;α为内压比，H0/H1;H0为内压水头，m;H1为设计坝高，m。

依据运行工况、溢流水深及坝袋有较短的设计周长并充分利用坝袋强度的原则，选定内压比α=1.35。

选用JBD2.5－180－2型坝袋，其径向强度为360 kN/m，安全系数K=13.55＞6，满足强度要求。

4.1.4 坝袋有效周长计算

可将冲胀后的坝袋轮廓分成4个部分:上游坝面曲线段长度S1，下游坝面曲线段长度S，上游贴地段长度n，下游贴地段长度X0，详见图1。

图1 充水式橡胶坝示意图

坝袋各项设计参数可通过查表格法进行计算，根据内压比α=1.35，查《橡胶坝技术规范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡胶坝坝袋设计参数表得出:

上游坝面曲线段长度:S1=1.692H1=4.23 m

下游坝面曲线段长度:S=1.7418H1=4.35 m

上游贴地段长度:n=1.1952H1=2.99 m

下游贴地段长度:X0=0.5394H1=1.35 m

a坝袋的有效周长(不包括锚固长度)L0=S1+S=8.58 m

b底垫片有效长度(不包括锚固长度)L0=n+X0=4.34 m

4.1.5 坝袋实际周长计算

坝袋加工需加上锚固长度△l=1.0 m，则

坝袋的实际周长L=L0+△l=9.58 m

底垫片的实际长度l=l0+△l=5.34 m

4.1.6 坝袋容积计算

根据内压比α=1.35，查《橡胶坝技术规范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡胶坝坝袋设计参数表得出:

坝袋单宽容积V0=1.6275H12=10.17 m2则:

单袋充水量V'=711.9 m3

坝袋总充水量V=3V'=2135.7 m3

4.2 橡胶坝底板顺水流长度计算

本次设计橡胶坝采用单向坍落式，计算公式为:

式中:Ld为橡胶坝底板顺水流方向长度，m;l1、l2为上、下游安装、检修通道，一般取0.5～1.0 m，采用1.0 m;l3为坝袋坍落贴地长度，m;其他符号L0、l0含义同前。

取坝底板长度为8.5 m。

4.3 锚固计算

坝袋采用双锚固线螺栓压板式锚固，锚固构件由螺栓和压板组成，螺栓间距为0.2 m。

4.3.1 每根螺栓承受的荷载计算

式中:Q0为每根螺栓承受的荷载;T0为单位长度螺栓计算荷载，kN/m;k1为栓紧力及扭转力的影响系数，取k=1.75;n为1 m长度内螺栓根数，n=5。

4.3.2 螺栓直径计算

式中:d为螺栓直径，cm;[σ]为螺栓允许拉应力，MPa，不锈钢螺栓[σ]=246 MPa。

经计算:

采用螺栓直径d=0.26 cm。

压板强度验算公式为:

式中:M为坝袋拉力作用在压板上的弯矩，N·cm;L为力臂，为螺栓中心至压板边缘的距离，cm;k2为安全系数，取3.0;Wx为抗弯截面系数，cm3。

采用的压板选用Q235制成，上压板尺寸为130×20 mm，下压板尺寸为145×10 mm。

[1]中国水利水电科学研究院.SL227－98橡胶坝技术规范[S].北京:中国水利水电出版社，1998.

[2]中水东北勘测设计研究有限责任公司.SL211－98水工建筑物抗冰冻设计规范[S].北京:中国水利水电出版社，1998.

[3]齐齐哈尔市水利勘测设计研究院.加格达奇区橡胶坝工程初步设计报告[R].齐齐哈尔:齐齐哈尔市水利勘测设计研究院，2008.