阿什河橡胶坝工程布置及坝袋相关设计

王 波

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 设计依据

根据哈尔滨市阿城区近期城市规划要求及黑水发[2010]554号文件，在阿什河防洪堤之间修建橡胶坝工程，在右岸桩号6+200位置处，挡水高度2.5 m，以形成雍水水面，达到改善河流的自然景观的目的，以满足城区景观要求，为打造滨水城市创造条件。前提是不影响原有河道行洪，即满足50 a一遇洪水泄洪要求，为防止推移质泥沙随水流卷入坝袋底部从而增加坝袋的磨损，在坍坝行洪时，坝袋被泥沙覆盖，管理维修困难，满足行洪要求的前提下，通过流量计算选定橡胶坝底板顶高程135.80 m，分两孔布置，每孔净宽60 m，在橡胶坝左侧布置冲砂闸，分3孔布置，每孔净宽6.0 m。

2 橡胶坝工程总体布置

橡胶坝由进口护砌段、混凝土铺盖段，坝袋控制段、消力池段、海漫段组成。

进口护砌段长度为8.0 m，底板顶高程为135.50 m，采用厚度为0.3 m的干砌石护砌，下设0.2 m碎石垫层及无纺布一层。

混凝土铺盖段长8.0 m，底板顶高程为135.50 m，厚0.70 m，右侧采用钢筋混凝土结构翼墙与右岸相连，悬臂式圆弧挡土墙，圆弧半径为8.0 m，墙顶高程为140.30 m。

坝袋控制段由底板、中墩、边墩及坝袋组成。坝袋控制段长11.0 m，底板顶高程为135.80 m，厚1.2 m，总净宽120 m，分2孔布置，每孔净宽60 m，左边墩利用冲砂闸右边墩，右边墩采用悬臂式挡土墙型式，中墩厚1.2 m，墩顶高程为140.3 m。

坝袋为彩色橡胶坝袋，分2段布置，每段长60 m，坝袋有效周长为8.4 m，底垫片有效长度为4.05 m，冲水后坝袋顶高程为138.30 m，挡水高度2.5 m。

消力池净宽度121.20 m，消力池总长度为14.0 m，底板与边墩采用分离式，左边墙利用冲砂闸消力池右边墙，右边墙采用悬臂式挡土墙型式，采用综合式消力池，池深为0.3 m，消力坎高为0.2 m，消力池底板顶高程为134.50 m，消力池下游接海漫。

海漫设计长度为25.0 m，前段10.0 m采用钢筋石笼型式，厚度为0.3 m，下设0.2 m碎石垫层及0.2 m中粗砂垫层，后段采用厚度为0.3 m的干砌石护砌，下设0.2 m碎石垫层及0.2 m中粗砂垫层，海漫末端设深度为1.5 m的防冲槽，海漫下游与下游河道相接。

3 坝袋设计

坝袋按充胀介质可分为充水式、充气式。充水式橡胶坝在坝顶溢流时袋形比较稳定，振动小，过水均匀，对下游河床冲刷较小。由于气体具有较大的压缩性，充气式橡胶坝在坝顶溢流时，会出现凹口现象，造成水流集中，对下游河道冲刷较强。在有冰冻的地区，充气式橡胶坝内的介质没有冰冻问题，但本工程冬季不运行，故不存在此现象;充气式橡胶坝气密性要求高，充水橡胶坝这方面的要求相对较低，结合本工程的运用要求和工作条件，采用充水枕式橡胶坝袋。

3.1 坝袋相关参数设计

3.1.1 坝袋经向计算强度

式中:T为坝袋经向计算强度，kN/m;γ为水的容重，10 kN/m3;α为内压比，H0/H1，根据橡胶坝的其它参数，本着充分利用胶布强度，使坝袋有效周长最短，并结合厂家实际参数比较和计算确定为1.40;H0为内压水头，m;H1为设计坝高，m。

坝袋经向计算强度T=28.13 kN/m，对堵头式坝袋，其中段纬向强度值可按经向强度计算值的0.5倍选取，即:14.07 kN/m。

3.1.2 坝袋外形尺寸的计算

进行坝袋外形计算的目的是确定坝袋各部位的尺寸和坝袋单宽容积。可将充胀后的坝袋轮廓分成4个部分:S1，S，n，X0，计算公式如下:

采用双锚线锚固坝袋的有效周长(不包括锚固长度)为:

采用双锚线锚固的底垫片有效周长(不包括锚固长度)为:

表1 坝袋相关参数设计成果表

3.1.3 坝袋横断面曲线坐标计算上游坝面曲线段坐标:

下游坝面曲线段坐标:

坝袋横断面曲线坐标计算成果见表2。

表2 坝袋横断面曲线坐标计算成果表 m

坝袋横断面图见图1。

图1 坝袋横断面图

3.2 橡胶坝坝袋展开图设计

1)堵头展开图，根据坝袋横断面曲线坐标计算成果表绘制出坝袋横断面外形，然后在其周边再加上黏接宽度a和锚固长度a1即可。确定a为0.2 m，a1为0.45 m。

2)坝体展开图，坝袋展开图为一矩形，如图2。

A=60+2×a=60+2×0.2=60.4 m

B=S+S1+2×a1=4.11+4.3+2×0.45=9.31 m

图2 橡胶坝坝袋展开图

3)底垫片展开图，底垫片展开图的形状与坝袋的相近。

3.3 锚固系统设计

橡胶坝的锚固结构型式按所采用的锚固构件材料不同，可分为螺栓压板锚固、楔块挤压式锚固和胶囊充水式锚固3种。

螺栓压板锚固的锚固力可控，安装止水效果好，但螺栓压板锚固的造价较楔块锚固要高些，但螺栓压板式的锚固安装方便，劳动强度低，将来易于拆缷检修，锚固构件的重复利用率高，此种型式是我国自橡胶坝建设之初采用的，是应用最广的一种坝袋锚固型式。

楔块挤压式锚固造价较螺栓压板锚固式的低，施工安装时的锚固力较难控制，楔块易受夯击损毁，维修拆缷不便，楔块重复利用率较低，锚固的密封性较差。

胶囊充水式锚固是先建造一个椭圆形的锚固槽，再制作一条与锚固槽形状相似的封闭胶囊，将坝袋胶布、底垫片和胶囊共同置于锚固槽内，给胶囊充水使坝袋胶布受到挤压，靠此挤压使坝袋胶布和锚固槽之间产生的摩擦力来抵抗坝袋的拉力，此种方法须保持胶囊内压持续稳定，管理较麻烦，且受北方寒冷天气影响较大。

综上所述，考虑到第1种型式锚固安装方便，劳动强度低，将来易于拆缷检修，锚固构件的重复利用率高，且此锚固在大多生产厂家已成批的制造，故本次采用螺栓压板锚固型式。

下游侧临界状态下所需锚固力Pd按下式计算:

式中:μ1为底垫片和底板(或钢垫板)间的静滑动摩擦系数;μ1为坝袋(或补强胶布)和压板间的静滑动摩擦系数。

上游侧临界状态下所需锚固力Pu按下式计算:

锚栓直径d的计算:

式中:P为锚栓在临界状态下所需锚固力，kN;K1为综合安全系数，取3～4;n为1 m的锚线上布置n个锚栓;T为每根螺栓承受的荷载，kN;[σ]为锚栓允许拉应力，kN/cm2;Aj为每根锚栓所承需抗拉净截面积，cm2;d为锚栓外径，cm。根据上述计算值选取螺栓规格为M24。

表3 锚固螺栓计算成果表

螺栓长度由埋设在混凝土内锚固长度和混凝土表面外两部分组成。

混凝土表面外的长度考虑安装时底垫片、止水海绵，坝袋、抗磨片、垫平片及螺母预留长度，另外在拧紧螺母后还需预留至少2～3个牙纹的长度，结合实际工程及部分厂家材料，确定设计值为90 mm。

埋设在混凝土内锚固长度的确定，可按下式计算:

式中:Ld为锚栓埋深;P为锚栓的工作拉力;X为系数，对于埋入混凝土中的锚头，X=0.65，若锚头超出表面钢筋以外，X=0.85;R为混凝土标准抗压强度;Ad为锚头面积。

通过计算，其计算值很小，Ld=33 mm，根据《橡胶坝技术规范》SL227-98中规定:对于光面钢筋锚固长度，当其直径d＞16 mm时，锚固长至少为20 d，考虑到锚栓的要求，其弯钩则为6.25 d，经计算为630 mm，设计时适当加长确定 Ld=710 mm，螺栓长度合计总长为800 mm。

3.4 充排水泵选型设计

3.4.1 水泵流量

计算公式为:

式中:Q为计算的水泵所需最小流量，m3/h;V为坝袋流水容积，m3;n为水泵台数，两用一备;t为充坝或坍坝所要求的最短时间，h，由于本工程位于行洪河道上，充排时间尽量短些，结合实际确定为1.5 h。经计算Q=388.24 m3/h。

3.4.2 水泵扬程计算

计算公式为:

式中:H0为水泵所需的扬程，m;α为坝袋内外压比赛;H1为坝高，m;Z0为出水口(坝底板)高程，m;Zd为井内动水位或水泵吸水管最低水位，m;Σhf、Σhj分别为水泵吸水管进口至伸入坝袋内的充水口之间的管道沿程和局部水头损失，m。

经过计算水泵扬程为9.16 m，结合厂家材料，选择水泵型号为:ISW300-235B，流量600 m3/h，扬程12.5 m，功率37 kW。

4 结论

橡胶坝是低水头挡水建筑物，具有结构简单，节省三材，造价低，工期短，管理方便，运行费用低，跨度大，地形适应性强，不妨碍河道行洪，充放自如的优点，而且橡胶坝建成后，相当于一座小水库，其湿地效应将较为明显，可提高堤周边地下水位，在一定程度增加了空气湿度以净化空气，相对改善当地气候质量。但橡胶坝设计中坝袋设计及其重要，本文以实例进行了坝袋设计及计算，供同仁设计参考使用。

[1] 高本虎.橡胶坝工程技术指南[M].北京.中国水利水电出版社，2006.

[2] 中华人民共和国水利部.SL227-98橡胶坝技术规范[S].北京.中国水利水电出版社，1998.

[3] 黑龙江省水利水电勘测设计研究院.哈尔滨阿城区阿什河景观工程初步设计[R].哈尔滨.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.