海林市双桥橡胶坝工程设计应用及研究

柳美娜

【摘 要】文章概述了海林市双桥电站渠首橡胶坝的工程设计，工程布置、运行管理，为梯级电站开发，下一级电站渠首引水型式提供了一个范例。

【关键词】电站；渠首橡胶坝；设计

0.工程简介

双桥水电站位于牡丹江一级支流三道河中下游，海林市三道镇工农村，坝址以上集水面积670平方公里，最大坝高23米，坝长481米，坝型为堆石坝，库容为400万立方米，电站装机容量为6500千瓦，年发电量2680万度，工程全部完成后预计总投资9800多万元，是海林市在建和已建小水电项目中的最大一个。电站工程主要由拦河坝、引水隧洞、发电厂房和机电设备安装及送出工程组成。

双桥水电站为V等工程，主要建筑物为5级建筑物。10年一遇洪水设计，30年一遇洪水校核。设计洪水流量471m3/s，相应设计洪水位248.50m；校核洪水流量780m3/s，相应校核洪水位249.10m。

双桥水电站工程特点：电站引用流量有两部分组成。一是由双桥发电尾水流量直接进入双桥水电站引水隧洞中，流量为15m3/s；二是双桥水电站大坝溢流堰的弃水，渗流以及大坝至双桥水电站坝址间的区间流量，引用流量6.43m3/s，进入双桥电站隧洞的流量为21.43m3/s。

由于将区间的流量引入双桥电站引水隧洞中，故需在双桥引水隧洞进口处建2.2m高的坝。

1.坝型比较

坝型比较考虑两种坝型。一是橡胶坝；二是浆砌石溢流坝。由于两个原因，选择了橡胶坝。第一个原因，坝高仅2.2m，建橡胶坝是可行的。正常水位247.20m，因坝较低，没有泥砂淤积的库容，所以冲砂是建坝所要考虑的主要问题。橡胶坝可在洪水期将坝袋放空，恢复原河道行洪断面，不改变原河床面貌，这样就不存在洪水期在坝上游有淤砂的问题。如采用浆砌石溢流坝，因坝前水深较浅，很快被泥砂淤满，多余的泥砂将被水带入引水隧洞。经计算泥砂淤积至堰顶247.2m高程约4年时间，如果在浆砌石坝上设冲砂闸，冲砂效果不理想，只能在坝前冲刷一个漏斗，来大洪水时能冲一个条带状泥砂。远离坝处的泥砂，因流速较小，冲不走泥砂，在冲砂效果上，橡胶坝明显优越于浆砌石溢流坝。第二个原因，修建浆砌石溢流坝，泄洪时，坝上游壅水，不淹地。因此不存在因建坝所产生的防洪问题，这是橡胶坝优越于浆砌石溢流坝的第二个原因。橡胶坝本身比浆砌石溢流坝建设投资又少3.47万元。在运行上，橡胶坝优越于浆砌石溢流坝，故选择橡胶坝。两坝型的工程量及投资比较见表一。

表一 橡胶坝与浆砌石溢流坝工程量及投资比较表

2.橡胶坝的设计与布置

2.1坝轴线的确定

橡胶坝坝轴线是根据双桥水电站尾水暗渠轴线确定的。尾水暗渠在桩号0-088.22m转20o角，转变半径R=25m。转角后中心线与原尾水渠轴线交点为k3点，k3点坐标：X=7166.4216，Y=8754.361。转弯后的轴线垂直河道，该轴线即为双桥电站的坝轴线，坝轴线方位角90o。坝长62.80m，右岸坝端桩号：0-066.30；左岸端桩号：0-003.50。

2.2橡胶坝布置

橡胶坝由右边墙、左边墙、坝体（含下游消力池、海漫）及右岸泵房组成。

橡胶坝的作用，一是挡水，形成水库，水库与压力前池相通，作为前池的调节容积，二是橡胶坝抬高河水位至前池正常水位247.20m，该水位也是水库正常水位。将区间6.43m3/s引用流量通过进水池、前池引入双桥水电站的引水隧洞中。

2.2.1橡胶坝坝高的确定

双桥水电站正常水位是由双桥水电站尾水暗渠在桩号0+586.20m，新桩号0-131.22m处，通过引用流量15m3/s时的水位确定的，水位为247.20m，双桥电站水库正常水位为247.20m，双桥电站坝址处河高程245.00m，正常水位247.20m，则河底以上坝高为2.2m。橡胶坝的钢筋砼底板即下部暗渠的顶板。暗渠为钢筋砼结构，矩形断面，暗渠净宽4m，高3.5m，砼壁厚0.6m，由于橡胶坝砼底板需布置充水管路及锚固结构等，要求底板厚为0.8m，因此，在橡胶坝范围内，暗渠顶板厚度由0.6m改为0.8m。包括砼壁厚，暗渠宽5.2m，高4.9m，规范要求橡胶坝底板高程高于河底0.2～0.4m，本设计橡胶坝底板高程高出河底0.2m，为245.20m，坝袋挡水高为2.0m，因橡胶坝与暗渠成正体布置，因此，橡胶坝高为6.9m，（含暗渠）。其中河底以上为2.2m，河底以下为4.7m，坝高6.9m。

2.2.2橡胶坝顺水流方向底板长度

Ld=L+L1+L2+L3

式中：Ld—底板顺流方向长度，m；

L—坝袋底垫片有效长度，m；

L1、L2—上、下游安装、检修通道，m；

L3—坝袋坍落贴地长度，m。

计算结果，Ld=6.82m。

2.2.3左、右边墙高程确定

边墙高度应满足坝袋锚固的布置要求，同时要求高于坝顶溢流时的水位，考虑以上的要求，边墙高程248.50m，于原设计洪水位齐平。由于洪水时，坝袋放空，原河道行洪，故墙顶高程没有按校核洪水位确定。

边墙长度，右边墙，坝轴线上游2.95m，下游9.22m，长12.17m。墙宽0.8m，钢筋砼矩形结构。墙底高程（暗渠以外部分）243.20m。下游侧接8m长的浆砌石挡墙，墙体结构，墙顶宽0.5m，前坡垂直，后坡1：0.6。左边墙，钢筋砼挡墙长12.17m，与右边墙等长，宽2m，矩形砼结构。在墙中部布置一Φ50cm放水钢管，管壁厚5mm。放水管中心线高程245.70m。进水口设一Z45T-2.5放水阀。砼边墙上游侧接5m长砼板护坡，板块厚0.08m，长1m，宽0.5m，下部铺0.2m厚的砂砾石垫层。护坡伸入岸坡5m。护坡底部设1×Σ2m的浆砌石固脚。护坡坡度1：1.5。砼边墙下游侧接8m长的砼板护坡，护坡结构形式上与上游侧护坡相同。

2.2.4坝袋设计

橡胶坝袋设计，考虑橡胶坝冬季运行的安全，冬季坝袋内结冰，为使坝袋不被冰胀力胀破，坝袋充水后，留有冰膨胀的空间。挡2m高水的坝袋，选用2.5m高的坝袋，即将2.5m高的坝袋充水至2m高即可。

坝袋长度确定，橡胶坝袋溢流长度是由双桥电站机组事故停机时，双桥电站尾水暗渠不因雍水而变成满流状态，使尾水渠15m3/s及区间6.43m3/s，合计21.43m3/s的引用流量及时泄向下游河道。经水力计算，除前池54m长的溢流堰泄水外，还需60m的橡胶坝泄水。橡胶坝底板及以下部分，每15m长设永久缝，永久缝设一道塑料止水带止水。

坝袋结构枕式充水坝，坝袋型号为JBD2.5-1414-2，坝袋厚8.50mm，设计内压比1：1.40，要求坝袋胶布除必须满足强度要求外，还要具有耐老化、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击、抗屈挠、耐水、耐寒等性能。坝袋布置形式为单跨，坝袋长60m。

坝袋锚固方式为螺栓压板锚固，压板规格IM—130型压板，螺栓直径24mm，螺栓间距250mm，螺栓长度667mm。

2.2.5控制系统设计

橡胶坝充、坍坝时间的选用，根据电站工程的运用条件确定，采用充坝时间2.2小时，坍坝时间为1.5小时。充水方式采用动力式水泵充水，坍坝采用自流坍坝。

①坝袋充水容积计算。

坝袋的充胀与排放所需时间与工程的运用要求相适应，采用动力式充水，自流排放。本工程充水水源来自压力前池，水质洁净。根据橡胶坝技术规范表B、2.2—1充水式橡胶坝坝袋设计参数表计算，坝袋充水容积为1.533×2.5×2.5×60=583m3。充水至设计高程247.20m（坝袋高2m）时，坝袋体积为370m3。

②水泵选型。

水泵流量计算

Q=V/T

式中：Q—水泵流量，m3/h；

V—坝袋体积，m3，V=370m3；

T—充水时间，h，T=2.2h。

Q=370/2.2=168m3/h

水泵吸水管从前池里吸水，吸水最底高程为245.2m，水泵安装高程250.88m。吸程5.68m，满足要求。

选择IS150—125—250（B）型单机单吸离心泵（安徽三联泵业）吸入口直径150mm，排口直径125mm，设计流量170m3/h，相当于0.047 m3/s。电机功率11kw。

流速计算：

V=Q/π×（150/1000/2）2

式中：V—进水坝袋水管中流速，m/s；

Q—设计流量，m3/s，Q=0.047m3/s；

V=2.66m/s。

③排水管道计算。

选排水管管径200mm，排水管面积W=πr2=0.0314m2

V=∮（2gZ0）1/2

式中：V—排水管中流速，m/s；

∮—流速系数，∮=0.82；Z0—上、下游水位差，m，Z0=0.4m；

V=2.3m/s。

每小时的泄流量Q=0.0314×2.3×3600=260m3/h。放空坝袋所需要的时间为370/260=1.5小时。坝袋放空时，排水管将水排入前池的侧槽泄水道中，经泄水道排入下游河道。

充水坝袋的排水口设置两个水帽，坝内设置导水装置。为了安全考虑，在充水坝左侧墙设置安全溢流管，坝袋上设排气阀，溢流管高程为248.20m。

2.3橡胶坝下游消能设施

橡胶坝运行特点，在洪水期（包括春汛和大汛）将坝袋放空，不挡水，原河道行洪。正常情况下挡水。只有在双桥电站机组事故停机时，橡胶坝袋才泄水。由于双桥电站引用流量为21.43m3/s较小，坝上水头0.23m，下游不存在消能问题，为了偏于安全，另外，前池侧槽泄水道的水进入橡胶坝下游的消力池，故设5m长，池深0.5m的消力池，消力池为砼结构。消力池下接8m长的海漫。海漫由厚0.35m干砌石构成，干砌石下部铺设0.4m厚的砂砾石垫层。

3.橡胶坝稳定与应力计算

荷载与荷载组合

钢筋砼容重γ=0.025N/cm3，砂砾石饱水容重0.021N/cm3。

正常情况，电站正常运行时，坝体（含暗渠）自重、水重、砂砾石重、扬压力，上游水压力，下游水压力。

特殊情况，引水隧洞检修时，暗渠内无水，坝体自重，砂砾石重、扬压力、上游水压力、下游水压力。

坝址处基岩埋深较深，河底以下9m为强风化的白岗质花岗岩深度达40m，故坝体不建在岩基上，建在砂砾石基础上。橡胶坝与下部的钢筋砼暗渠为一整体，坝基与砂砾石基础间的摩擦系数f=0.45。

坝体抗滑稳定计算，按抗剪强度公式计算。经计算，正常情况抗滑稳定安全系数K=1.55，大于1.05，特殊情况抗滑稳定安全系数K=1.07，大于1.0。

稳定计算公式：

K=fΣG/Σp

式中：K—抗滑稳定安全系数

f—坝体砼与坝基砂砾石间的摩擦系数，f=0.45

ΣG—作用于坝体上全部荷载对滑动平面的垂直力总和（N）

Σp—作用于坝体上全部荷载对滑动平面的水平力总和（N）

坝体应力计算：

坝基上、下游应力计算公式：

δ上、下=ΣG/T±6ΣM/T2

式中：δ上、下—分别为坝基上、下游应力（N/cm2）

T—坝基宽度（cm）

ΣM—作用在坝基中心点的弯矩之和（N-cm）

计算结果见表二。

【参考文献】

[1]橡胶坝技术规范，SL227-98.