寒冷地区橡胶坝设计

刘 丽，唐振华，张大鹏

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

寒冷地区橡胶坝设计

刘 丽，唐振华，张大鹏

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

橡胶坝作为一种新型水工建筑物，具有造价低、结构简单、施工期短、抗震性好、维修方便和造型优美等优点，被各国广泛应用于闸坝工程、灌溉渠系工程、海岸防浪堤和城市河道治理以及园林工程等领域。文章结合工程设计实例，探索寒冷地区橡胶坝防冰冻设计等关键技术，供同类工程参考。

寒冷地区；橡胶坝；设计；抗冰冻

世界上第一座橡胶坝于 1957 年由美国工程师N.M.Lmbert-son 建在洛杉矶河上，橡胶坝是以高强合成纤维织物为受力骨架，用合成橡胶为保护层和止水层的胶布按要求的尺寸，锚固于河床混凝土底板和河岸边墙上成封闭袋体，利用充排水（气）控制其升降活动的袋式挡水坝。

橡胶坝于 1992 年被我国科委列为国家百项技术推广项目之一，进入 21 世纪以来，正以强劲的势头在世界各地得以进一步推广。特别是关于寒冷地区橡胶坝的关键技术问题研究，对其在寒冷地区的应用及推广具有十分重要的意义。橡胶坝在我国分布广泛，西到新疆维吾尔自治区石河子市，东到黑龙江省鸡西市梨树区，北到黑龙江省大兴安岭林区加格达奇，南到海南省五指山市。此文以辽宁省抚顺市前进拦河闸橡胶坝工程设计实例，探索寒冷地区橡胶坝防冰冻设计等关键技术。

1 工程概况

工程始建于 1981 年，主要由拦河坝、进水闸和两岸防护堤组成，原设计洪水标准为 10 年一遇，校核洪水标准为 20 年一遇，设计过闸流量为 1040 m3/s。原泄水闸底板采用折线型，共设 49 孔闸门挡水。闸门为半“K”字型铸铁闸架插板式结构，净过水宽度为 147m，闸门挡水高度为 1.0m，闸门挡水顶高程 243.30m（同正常蓄水位）。进水闸布置在左岸库内侧，共 2 孔，单孔宽 1.60m，底板顶高程为 242.60m。两岸边墙均为半重力式浆砌石挡土墙，墙高 2.60～3.75m。

2011 年经水利部核查确定此工程为四类坝。除险加固后，工程等别为Ⅲ等、主要建筑物级别为4 级，设计洪水标准为 20 年一遇，校核洪水标准为50年一遇，将原铸铁闸架插板式结构水闸改造为橡胶挡水坝。除险加固后的前进拦河闸由橡胶坝、冲沙闸和进水闸组成；新建冲沙闸布置在左岸进水闸下游侧，设 2 孔，单孔宽 3m；重建进水闸，结构尺寸与控制高程与现状进水闸相同。

闸址区地处辽宁省东部高寒山区，大陆性气候，冬季寒冷降水量少，夏季炎热降水量多。多年平均年降水量 810.9mm，多年平均气温 5.2 ℃，最冷月平均气温-23 ℃。最大冻土深 1.69m。闸址区基础土层为圆砾层，其下为紫色泥质粉砂岩。圆砾层，岩性以花岗岩，石英岩等为主，天然密度为 21 kN/m3，孔隙率为 0.33%，允许承 载力为 350kPa，渗透系数为 0.069cm/s，允许渗透比降为水平段为0.22,出口段为 0.50。

2 橡胶坝设计

前进橡胶坝坝长 132.8m，坝高 1.50m，分两跨，单跨长 66.00m,中敦厚 0.80m，橡胶坝充胀顶高程为 243.30m（与原闸门顶高程同），坝袋充排水系统设在右岸坝头泵房内，用库水充坝。

2.1 坝袋设计

坝袋按充胀介质可分为充水式和充气式，充气式橡胶坝国内建的不多，此工程采用枕式充水式橡胶坝袋，充水橡胶坝设计内外压比值选用1.40。经计算，坝袋径向拉力为 10.125kN/m。坝袋纬向拉力计算较为复杂，当坝袋充胀后，由于锚固线的约束，各部位的受力情况不同。试验表明，袋壁的最大纬向拉力均较径向拉力小，坝袋中段的纬向拉力可取径向拉力的 50%，即 5kN/m；两端附近折皱区，受力情况比较复杂，可按径向拉力的100%计算，即 10kN/m。

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橡胶坝袋袋壁材料采用 1布 2胶，即 2层氯丁橡胶，1 层锦纶帆布，袋布总厚 1.18mm。坝袋型号为 JBD1.5-160160-1，胶布型号为 J160160，径/纬向胶布强度为 160/160kN/m。

2.2 底板结构设计

1）底板长度确定。坝底板顺水流方向长度由下式确定：

Ld=1/2L0+L1+L2

式中：Ld——底板顺水流方向长度，m；L0——坝袋有效周长，5.041m；L1，L2——上、下游安装、检修通道，1.50m；

计算 Ld=5.52m，考虑底板兼顾承接坝顶溢流水舌并起水平导向作用，充分利用面流消能，确定坝底板顺水流方向长度 Ld=7.00m。

2）结构设计。橡胶坝底板采用整体式钢筋混凝土结构，垂直水流向长度为 132.80m，顺水流向长 7.00m。 底板顶 高 程为 241.80m、 底高程 为240.80m， 底 板 厚 度 为 1.0m， 下 设 0.10m 厚C15F100 混 凝 土 垫 层 。 底 板 混 凝 土 标 号 为C25F250，为满足防冻要求，在底板上下游侧各设一道深 0.5m，底宽 0.5m，坡比为 1∶1 的齿槽。

坝底板沿垂直水流向每 19m 设置一道结构缝，缝间设置一道橡胶止水带。坝底板与上游侧防渗铺盖、下游侧消力池底板之间分别设置一道横向橡胶止水带。

2.3 橡胶坝锚固设计

为了减少坝袋的振动与摩擦，锚固线的布置采用双锚固线锚固。坝袋的锚固结构型式采用螺栓压板锚固。锚固件的上压板、垫板要求做防腐处理，涂防锈漆。

2.4 橡胶坝袋与两岸的连接设计

堵头式和斜坡式是根据现有河道边坡形状确定的。此工程橡胶坝分 2孔，两岸边墙为直立半重力式边墙，橡胶坝与两岸连接形式采用堵头式。

在实际运用中发现，当橡胶坝坝袋锚固在直墙上时，会出现下列不利情况：①当坝袋充到设计高度时，靠近直墙部位的坝袋出现很深的的褶皱，这样不仅降低了坝袋的有效高度，而且坝内残存的气体不易排除；②当坝袋坍落时，坝袋两端仍挂在边墙上，过流阻水，且坝袋易被飘浮物刺破；③在橡胶坝运行时，坝袋两端部位应力比较复杂，出现局部应力集中，长期使用，坝袋易损坏。为了改善上述不利情况，采用坝袋两端锚固线仍布置在底板两端，堵头式坝袋不和直墙锚固，只利用堵头与直墙的挤压，达到止水的目的。充水后，坝袋全断面形状相同，不起褶皱，坝袋应力分布比较均匀。当橡胶坝袋塌坝运行时，坝袋全部塌落在底板上，两端与端墙处不需处理。

2.5 橡胶坝冬季运行措施

寒冷地区的充水式橡胶坝，冬季挡水时坝袋内易结冰，塌坝运行时坝袋表面会过冰，都会对坝袋造成不良影响。

冬季对橡胶坝坝袋给予保护一直是运行中备受关注的问题。通过对忻州市郭家寨水库橡胶坝2年冬季结冰运行的原型观测数据分析得出，当外界最低气温为-17 ℃时，坝袋内最低点温度为-6.5 ℃，二者变化不同步，袋内温度变化滞后于外界气温，且坝袋内日平均温度比外界日平均气温平均高约 8.81 ℃，详见图 1。同时发现坝袋在补水过程中，温度上升，水充填了冰与坝袋之间的空隙，将坝袋内冰与坝袋内壁分离开来。根据每天3次：早 8：00，午 14：00，晚 16：00，坝袋内温度以小时加权平均后，计算出橡胶坝内部各点的日平均温度等值线，详见图 2。结冰过程中，温度每降低 1 ℃，历时一昼夜，坝袋内可增加冰厚 0.7cm 左右；溶解过程中，温度每增加 1 ℃，历时一昼夜，坝袋内可溶解1cm 左右厚的冰,结冰速度小于融冰速度。

图1 坝袋内外温差实测曲线

图2 坝袋内部各点的日平均温度等值线

因此橡胶坝冬季充胀运行时，应每隔数日对橡胶坝坝袋进行排水及充水运行，这样才能防止坝袋内结冰对坝袋造成损坏，但运行费用较高。

如果橡胶坝冬季坍坝运行，若河道内水流冰的厚度较小，一般不会对坝袋造成破坏影响；若坝袋表面过流能保持一定的水流深度，冰就会浮在水面，也不会对坝袋造成损坏。

3 几点体会

3.1 关于结冰期运行需注意的问题

寒冷地区冬季室外温度很低，河道水流会结冰，橡胶坝坝袋充胀运行时坝袋内水也会结冰，如果橡胶坝冬季运行措施不当，坝袋内外冰都会对坝袋造成损害。橡胶坝冬季充胀挡水运行时，应经常进行排水和充水运行，确保坝袋内不结冰或少结冰，因此，坝袋的充排水管道、阀门等冬季必须做好保温措施，保证管道不结冰，所有设施都能够正常运行，以满足冬季融冰和坍坝的要求；如果橡胶坝冬季塌坝运行，要保证坝袋表面有一定的水深或对坝袋进行保护。

3.2 闸室段结构设计断面的控制因素

均质土基上的拦河闸防渗排水布置应根据闸基地质条件、上下游水位差及选用的防渗排水设施，结合闸室、消能防冲和两岸连接布置综合分析确定。闸基轮廓尺寸初步确定后，首先需进行渗流稳定计算复核，然后再依据《水闸设计规范》逐项进行闸室段的稳定（抗滑、抗倾覆、抗浮（必要时））等各项计算后，确定闸室段结构轮廓。在规划和可研阶段，可以估算闸基防渗长度，而初步设计阶段必须仔细核算闸基防渗长度，这一项很重要，是制约工程安全的控制要素。

3.3 有利于灵活的运行管理

橡胶坝的充排水管路控制系统以及水泵均布置在堤外坡河道内，泵房通往控制室的大门正对河堤路，近岸侧回填土高程控制在 246.00m,等同右岸河堤路高程，可形成约 35m2的平台，便于汛期抢险作业，也利于运行管理。

［1］栗秉忠.橡胶坝冬季结冰情况的观测［J］.山西水利科技，2005，157（3），23～25.

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