高桥湾橡胶坝坝袋及锚固结构设计

王长江 舒刘海 胡 嵩

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000）

高桥湾橡胶坝坝袋及锚固结构设计

王长江 舒刘海 胡 嵩

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230000）

针对霍山高桥湾橡胶坝工程，阐述了充水枕式橡胶坝坝袋及锚固结构的设计与计算，供同类工程借鉴。

橡胶坝 坝袋设计 锚固结构 防锈蚀处理

1 工程概况

高桥湾水利枢纽工程位于霍山县城北侧、淮河支流东淠河干流上佛子岭水库坝下约19km处，是以拦蓄环境水、改善水生态环境为主，结合发电及旅游等功能的综合利用工程。枢纽工程主要建筑物由橡胶坝、控制闸、水电站、进厂道路及影响处理工程等组成。

橡胶坝坝型为充水式橡胶坝，坝高3.10m，坝顶高程65.60m，底板高程62.50m，共布置8跨，每跨长67.50m，坝袋全长540m，中墩及边墩厚均为1.00m。

2 坝袋设计

考虑高桥湾橡胶坝较长，且分跨布置，为不影响行洪要求，不宜设计为斜坡坝，采用枕式坝，并尽量减小中墩尺寸以较小阻水的情况。

橡胶坝的锚固型式分为螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固和胶囊充水式锚固等。根据工程特点及重要性，并多方调研，该工程橡胶坝袋锚固型式采用螺栓压板式锚固。螺栓压板式锚固的锚固布置有两种方式：单线锚固和双线锚固。单线锚固的特殊型式会导致坝体可动范围较大，对坝袋的防磨防振不利。尤其是坝顶溢流时，可能会在下游坝脚位置产生负压，加剧坝袋的磨损；双线锚固则是在坝袋四周都固定住，这样坝体可动范围就较小，利于坝袋的防磨防振，而且节省坝袋。因此，该工程坝袋采用双线锚固的型式。

橡胶坝坝体充满后顶高程为65.60m，坝高3.1m，经多方调研及和类似工程对比，橡胶坝内压比定位α=1.4。经计算橡胶坝上游坝袋曲线长S1=5.09m，下游坝袋曲线长S=5.33m，上游贴地段长度 3.466m，下游贴地段长度1.549m，坝袋径向拉力T=43.245 kN/m。因而采用双锚线锚固的底垫片长度（不包括锚固长度）为5.015m。

根据计算，按《橡胶坝技术规范》SL227－98规定，坝袋型号选定JBD3.5-260240-2型，采用二布三胶结构，考虑该工程位于山区河道，树枝之类的杂物较多，且早晚温差较大，为减小坝袋被杂物刮破的可能性和延长坝袋的老化时间，设计坝袋厚度比常规厂家推荐的要厚一些（设计外胶层厚度不小于2.5mm，中胶层厚度0.5mm，内胶层厚度2.5mm，坝袋总厚度为8.5mm）。其中外层橡胶要求具有耐磨损、耐日照、耐热及耐臭氧等性能；中层橡胶起连接骨架材料的作用，要求具有较好的强力和较高的附着力；内层橡胶除具有帆布的功能外，还要求具有较好的耐老化性能及较高的水密性和气密性。

为了更好地适应山区生态要求及以后旅游业的发展，该工程橡胶坝坝体采用蓝色坝袋。

3 锚固结构设计

3.1 锚固线布置

考虑该工程中橡胶坝坝顶允许溢流，对坝袋的稳定性及耐久性要求均较高。因此，坝袋锚固形式采用双线锚固。底板上、下游各设一条锚固线，上下游都采用外锚固形式，中墩采用无皱折的枕式堵头。

3.2 锚固结构型式选择

由于该工程位于山区，河水较清，对钢构件的锈蚀作用不强，且坝袋挡水水头较高，为确保锚固的可靠性，根据国内相关工程经验及橡胶坝坝袋厂家建议，采用曲线型螺栓压板穿孔锚固。曲线型螺栓压板是参考了日本经验，较普通螺栓压板锚固止水效果更加可靠，坝袋也不容易撕裂，使用寿命更长。是一种适用于高坝的较好的锚固方式，国内近几年已开始生产曲线型的锚固构件，运用在橡胶坝工程中，效果很好。曲线型螺栓压板如图1。

3.3 锚固系统布置

坝基底板上设有两道锚固槽，橡胶坝轴线上、下游各设一道锚固槽，锚固槽截面采用直角梯形，直角边设在靠近坝轴线位置，这样能消除因坝袋运行破坏锚固槽内二期混凝土的隐患。槽深0.15m，槽底宽为0.3m，槽顶宽为0.45m，锚固件采用曲线型压板，上压板宽度为130mm，厚44mm，下压板宽度为140mm，厚16mm。两槽中心距为坝袋上下游间贴地长度与压板宽度之和，即为5.145m。上、下压板间自上而下分别为补强片、坝袋、止水胶条、底垫片。

图1 曲线型压板

坝袋为有接缝胶布制成，锚固部位需要垫平，并且坝袋不宜直接和锚固件接触而发生磨损，坝袋由于在锚固点被穿孔，也需要胶布补强，因此在上压板与坝袋间，设补强片。补强片采用一布二胶结构，厚4.5mm，宽0.5m。

坝袋下部的止水胶条主要起止水作用，厚度为8.0mm，宽度为0.25m。

图2 橡胶坝锚固大样图

图3 上游侧锚固力分析

考虑到该橡胶坝在坝袋就位过程中，底垫片如强度不足易被扯坏，故底垫片采用一布二胶结构，其厚度为2.5mm。橡胶坝锚固大样图如图2。

螺栓间距根据相似工程经验取0.2m。

3.4 锚固计算

3.4.1 螺栓计算

经过计算可知，橡胶坝在设计状态下，上游侧锚固力明显大于下游侧锚固力，因此出于安全考虑，以计算得出的上游侧锚固力来设计锚固件。

锚固螺栓在设计状态下承受的拉力（如图3）：

G=G1+G2

G1=T（R-H）/〔R（f1+f2）〕

G2=L1Tsinθ/（L-l）

式中：G—单位长度螺栓计算荷载，kN；

G1—锚固压板克服坝袋抽出作用于坝袋上的正压力，kN；

G2—上压板偏心拉力，kN；

T—坝袋径向拉力，kN/m；

H—坝高，m；

R—上游侧坝面曲线段半径，m；

f1—橡胶坝袋与止水海绵胶片之间的摩擦系数，取0.5；

f2—橡胶坝袋与上压板之间的摩擦系数，取0.5；

L—上压板宽度，m；

l—上压板边沿至螺栓中心的距离，m；

θ—坝袋经向拉力与基础底板夹角，°。

每根螺栓承受的荷载及螺栓直径可按下式计算：

式中：Q0—每根螺栓承受的荷载；

G—单位长度螺栓计算荷载；

k1—栓紧力及扭转力的影响系数；

n—每米长度内螺栓根数；

d—螺栓直径；

[σ]—螺栓允许拉应力。

据计算，d≥18.1mm，据此计算成果及厂家建议，采用M27螺栓。

螺栓埋置深度Lm根据规范要求Lm=30d加弯钩，但不小于250mm。该工程螺栓埋置深度采用810mm，螺栓底部设150mm弯钩。

3.4.2 压板计算

压板材料选用ZG230-450。

压板强度按下式验算：

M=k2TL

式中：M—坝袋拉力作用在压板上产生的弯矩kN.m；

L—力臂，为螺栓中心至压板边缘的距离，m；

k2—安全系数，取为3.0；

Wx—抗弯截面系数；

T—单位长度坝袋径向拉力，kN。

经计算σ=122.4MPa，满足要求。

3.5 锚固件防锈蚀处理措施

底板设置锚固槽；锚固件完全置于锚固槽内；压板、垫板采用铸钢型产品，安装前做除锈处理；锚固螺栓螺纹区域做镀锌处理，其余部位安装前做除锈处理；优先保证螺栓螺母不锈蚀，二期混凝土浇筑前，螺母及螺栓顶部涂聚氨酯，后用特制厚塑料袋套装螺母及螺栓顶部，再用C25细石混凝土回填锚固槽，并采用水泥砂浆找平。

4 结语

该工程橡胶坝的设计是在走访调研多个项目及设计院、厂家的基础上，经过充分的论证和多次审查后最终形成的方案。目前，高桥湾橡胶坝已顺利建成，经过多次的充坝实验及联合试运行，效果良好。

该枢纽工程建设对拉大城市框架、挖掘城市资源潜力、改善城市水资源环境及人居环境、提高城市品位、塑造特色景观等诸多方面具有十分重要意义，是霍山县城区段东淠河水域梯级开发治理规划的重要组成部分。枢纽的建成使城区河道这一独特的自然资源发挥更大的社会效益，产生更多的生态效益和经济效益，实现人水和谐共处，造福后代