橡胶坝工程安全研究综述

孙卓

（临沂市水利局，山东临沂276000）

橡胶坝工程安全研究综述

孙卓

（临沂市水利局，山东临沂276000）

橡胶坝作为一种新型水工建筑物，与常规低水头挡水建筑物相比具有明显的优势。但橡胶坝的安全可靠度相对较低、寿命较短，这些在很大程度上会影响工程效益的正常发挥。本文梳理了几十年来国内外对橡胶坝安全研究的一系列成果，并对橡胶坝工程安全研究的前景进行展望，供橡胶坝工程设计研究人员参考。

橡胶坝；安全；研究

在橡胶坝工程领域，国内外学者主要从坝袋型式、材料与加工工艺、坝体受力与振动、橡胶坝冬夏季运行、安全监测和外界自然因素的影响等方面研究橡胶坝的安全问题。

本文所研究的安全主要是指橡胶坝工程自身的安全，特别是坝袋的安全和工程的运行安全，即橡胶坝构件及其有关建筑物的各项性能保持正常，承受一定不利因素的影响而不发生明显的性能变化，同时可保证与之相关的人员和设备等不受损害的连续稳定状态。

1　坝袋型式、材料与加工工艺研究概述

工程运行中发现，当斜坡式坝袋锚固于岸墙上，坝袋充胀到设计高程时，坝袋两端应力集中，出现很深的褶皱，不仅降低了实际坝高，而且坝内残存的水或气体不易排除。当坝袋坍落时，坝袋两端仍悬挂于边墙上，泄洪阻水且易被水中漂浮物刺破撕裂。鉴于此，合肥工业大学研制出堵头式橡胶坝。岸墙锚固采用堵头式坝袋充水后，坝袋全长断面相同，不起褶皱，坝袋应力分布均匀，经、纬向受力基本是主应力，更适合于薄膜计算理论，材料强度也能充分发挥作用。但堵头式橡胶坝不能解决坍坝后两端的堵头帆布坍不平的问题。坍坝时在上游水流的冲击下，发生坝袋帆布的拍打现象，对坝袋也有破坏作用。

由于橡胶材料的自身特性，坝袋老化是影响橡胶坝工程运行安全的重要因素之一。我国在橡胶坝老化试验领域的研究较为系统和深入，作者同时认为除了橡胶工业的固有特性以外，还要注意橡胶坝工程的独有特性，如各有关因素对坝袋影响的叠加和累积，因而要用创新而又科学的研究方法研究这一问题，此外也要提高此类研究的仿真程度，以便其研究结论对实际工程有更大的参考价值。

国外主要是通过提高坝袋的耐老化性能和总体质量来延缓其老化，如日本以住友和桥石两家公司。此外法国橡胶坝的设计寿命据称可达40年。国内外都有学者和厂家研究、制造、推广彩色橡胶坝，彩色橡胶坝在一定程度上也有利于延缓坝袋老化。

2　坝体受力与振动研究概述

对橡胶坝坝体受力研究主要集中于其坝袋拉力、静力变形、充排管道力学分析等，方法主要有有限元法、连续法、CAE建模等，研究工况主要集中于坝袋溢流和坝前泥沙堆积等方面。此外还包括进行波浪模型试验等方面的研究。

10余年来，中外学者对坝袋振动进行了许多试验研究，为有效控制坝袋振动提供了相应的理论基础。美国学者对橡胶坝的自由振动、三维振动、非线性振动、坝顶溢流等方面进行了试验研究，并采用有限元方法对橡胶坝的坝袋形状进行分析；日本通过研制生产无搭接缝坝袋和在充气坝体上设置挑流鳃等措施来减轻坝袋振动，克服了充气坝袋在溢流抗振方面不如充水橡胶坝的不足，日本住友公司还生产了一种在坝袋内设双层钢丝网的新型坝袋，通过增加坝袋刚度减轻其振动强度，并已应用于实际工程；武汉大学等单位结合具体的橡胶坝工程，对不同坝型进行了振动研究，掌握了一定的坝袋振动规律。他们认为通过一定的设计管理对策，减轻或消除坝袋振动亦是可能的。在工程设计与建成后运行阶段，针对引起振动的原因，提出相应的减振对策，工程就可以安全高效地运行。目前主要的减振措施有：1）控制坝顶溢流量。单宽流量越大，振动越明显。2）调整下游水位。下游水位很低时，对坝袋影响较小。当下游水位达到一定高度时，对振动影响增大，当下游水位再增大时，上下游水位差减小，水流动能减小，振动强度减小，但也易引起充水式单锚固坝型的共振。3）通过改变坝袋内压改变坝袋自振频率，避开水流脉动主频率。4）坝袋排水设备设在下游。5）在坝袋表面设置减振装置。

3　橡胶坝安全监测研究

目前我国橡胶坝安全监测技术水平十分落后，容易使橡胶坝的安全可靠度降低、使用寿命缩短，甚至突发溃坝的恶性事故。为此，扬州大学研制出的“橡胶坝袋破损监视系统”采用了自制的矢量水听器，可同时获得坝袋破损程度和破损位置的信息。由于采用了虚拟仪器技术，可同时实现水声信号采集、数字滤波等功能，大大降低了硬件的投资成本，方便了操作使用和维护。

目前国内外在橡胶坝安全监测方面的研究不多，除上述成果外，也有学者进行了监控系统的设计与开发、新技术在监控系统中的推广应用以及决策支持系统的有关研究。

4　自然因素的影响研究概述

国内关于泥沙方面的研究主要成果集中于承德武烈河橡胶坝群的有关研究成果。在多泥沙河道上建橡胶坝的关键是如何防止夹沙水流对坝袋的磨损破坏，库区如何防淤排沙，确保一个能够长期使用的有效库容。此外孙小军等学者分别对黄河上引水防沙橡胶坝、橡胶坝库区泥沙冲淤演变规律、泥沙运动对橡胶坝运行安全的影响、一维水沙数学模型、流域生态环境整治进行了专题研究。国外对于洪水过坝时造成的坝袋损坏也有研究。

目前我国在橡胶坝领域对泥沙问题的研究尚不够深入，在多沙河流上所建工程不多，运行管理水平有限，事故多发，相关研究也不够深入。

5　结语

50余年来国内外在橡胶坝安全方面的研究主要有以下几个方面：1）研究橡胶的设计、制造、老化机理以及防老化措施，以及如何优化胶料配方，改进生产工艺，提高养护水平；2）分析自然及工程因素对某单一橡胶坝工程的不利影响及其实际采用的工程措施；3）研究和改进锚固方式、充排管路和混凝土构筑物的结构和布置，减轻其对坝袋安全的不利影响；4）坝袋防振动、特别是充气橡胶坝坝袋防振动装置的应用开发问题；5）研究常规水利工程新技术的应用效果，研究橡胶坝的自动控制系统等。

在现有的技术条件下，解决上述问题的主要方式仍需立足于工程实体观测和模型试验，同时应该注意开发有关专门软件，完善橡胶坝工程的理论体系。另外，如何加强橡胶坝的管理监测、加强安全防范方面的工作、开发相应的自动化系统，从而有效防止人为破坏橡胶坝，进一步保证橡胶坝的安全还有待于深入系统的研究。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T 50979－2014橡胶坝工程技术规范［S］．北京：中国计划出版社，2014．

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T 50979－2014橡胶坝工程技术规范条文说明［S］．北京：中国计划出版社，2014．

［3］王溥文，韩昌海，童中山．橡胶坝技术及应用［M］．北京：中国水利水电出版社，2008．

［4］高本虎．橡胶坝工程技术指南（第二版）［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．

［5］陆吾华，侯作启．橡胶坝设计与管理［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．

（责任编辑迟明春）

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2016-05-04

孙卓（1987—），男，助理工程师