充水式橡胶坝底板的稳定计算参数分析

海 彬寇祖河袁 莹

（1.河南省洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南洛阳 471000；2.河南省新乡市河务局，河南新乡 453000；3.华北水利水电大学，河南郑州 450000）



充水式橡胶坝底板的稳定计算参数分析

海 彬1寇祖河2袁 莹3

（1.河南省洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南洛阳 471000；
2.河南省新乡市河务局，河南新乡 453000；
3.华北水利水电大学，河南郑州 450000）

【摘 要】充水式橡胶坝作为低水头挡水建筑物，已广泛用于灌溉、防洪、发电、城市景观、美化等工程，对其进行稳定分析具有重要的意义。以往橡胶坝底板稳定计算的竖向及水平向的受力参数未考虑到下泄水流拖曳力对其底板稳定的影响，本文稳定计算参数分析中新增了下泄水流拖曳力和坝顶水体自重，更全面地分析了橡胶坝底板的受力状况，使橡胶坝底板的运行更加稳定、安全，进而为橡胶坝更好地发挥水面效益、美化环境打下了良好基础。

【关键词】橡胶坝底板；计算参数；稳定分析；拖曳力

1　概 述

充水式橡胶坝作为低水头挡水建筑物始现于20世纪50年代，以高强力合成纤维布为受力骨架，内外两面硫化氯丁橡胶层作为止水层和保护层的胶布，按工程设计要求锚固在河道基础底板和端墙上，形成一个封闭的橡胶布囊，充水形成橡胶柔性体挡水坝，以实现拦河挡水、蓄水等目的。目前橡胶坝已广泛用于灌溉、防洪、发电、城市景观、美化等工程。

随着社会的不断发展进步，橡胶坝作为一种低水头、便于管理的挡水建筑物，更多应用于城市水面及景观美化，建于城区内部河道上，周边多为居民住宅区或娱乐休闲公园、广场，它的运行稳定安全性关乎城市防洪及人身财产安全，因此其稳定安全尤为重要，对橡胶坝稳定计算参数进行全面的稳定计算分析具有重要的意义。

2　橡胶坝底板的稳定计算受力简图及公式

橡胶坝作为一种低水头挡水建筑物，底板结构相对简单，设计时多采用对称性布置，使整个橡胶坝处于良好的受力稳定状况，以保证其运行管理安全及简便。根据橡胶坝坝底板结构布置及受力情况，此次以对称性坝底板结构布置及受力情况为条件，结合其受力情况简图（见下图），对橡胶坝底板稳定计算参数进行全面的稳定计算分析，从而找出以往被忽略的作用力，更深入地剖析橡胶坝的稳定计算参数，为设计计算提供依据。

受力情况简图

上图图中：G1为坝袋自重（kN）；G2为坝底板自重（kN）；G3为坝袋上游底板上水重（kN）；G4为坝袋下游底板上水重（kN）；P0为坝袋内压垂直分力（kN）；P1为上游水压力（kN）；P2为下游水压力（kN）；T为坝袋径向压力（kN）；F为下泄水流拖曳力（即下泄水流与坝袋之间摩擦产生的拖曳力，受力方向为下泄水流流线与坝袋的切线方向，kN）；U为渗透压力（kN）；a1、a2、a3分别为拖曳力、坝袋下游径向力、坝袋下游径向力与坝底板的夹角（图示中a1、a2、a3标示不规范）。

根据规范及相关资料，橡胶坝底板稳定计算公式分别如下：

式中 P——坝基底应力的最大值或最小值，kPa；

∑G——作用在坝底板上的全部竖向荷载，kN；

∑M——作用在坝底板上的全部竖向和水平向荷载对基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；

A——坝底板基础底面面积，m2；

W——坝底板基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。

式中 Kc——抗滑稳定安全系数；

f——底板底面与地基间的摩擦系数，若地基土为黏性土，f＝tanφ0，φ0为沿底板基底面与地基土之间的摩擦角；

∑G——作用在坝底板上的全部竖向荷载，kN；

∑H——作用在坝底板上的全部水平荷载，kN；

A——坝底板基础底面面积，m2；

c——底板底面与地基之间的黏聚力，kPa／m2。

3　橡胶坝底板的稳定计算参数分析

橡胶坝在蓄水运行时受力状况较为复杂，其最不利状况为橡胶坝完全充满水达到设计挡水高度时的运行状况，则此次以其最不利状况为例，对橡胶坝的稳定计算参数深入分析。

根据有关橡胶坝稳定设计资料可知，在最不利工况下坝底板稳定计算分析中，往往忽略了下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′，造成坝基底应力计算时未考虑拖曳力F竖向分力Fsin a1和坝顶溢流水重G′，在抗滑稳定安全系数Kc计算时未考虑拖曳力F水平向分力Fsin a1，其受力计算参数分析不符合实际受力情况，导致了最不利状况下计算成果存在缺陷。笔者认为在最不利工况下橡胶坝稳定计算时应考虑下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′，虽然坝袋为橡胶制品，表面光滑，但橡胶坝在充满水运行时，坝顶溢流流速大，且下泄水流拖曳力与溢流流速成正比，下泄水流拖曳力较大；同时坝顶溢流时有一定的溢流水深，在坝顶上部形成水体自重G′，其随着溢流水深的加大而增大。

综上所述，计算时考虑了下泄水流拖曳力和坝顶溢流水体自重的影响，在最不利工况下更深入地分析橡胶坝底板稳定计算参数，全面了解受力状况，从而使橡胶坝底板稳定计算成果更接近实际状况，能提高橡胶坝底板的运行稳定安全性。

4　工程实例

宜阳县连昌橡胶坝工程为1跨，坝袋为橡胶坝袋，内压比1. 25；坝高4m，坝底板厚1. 5m，钢筋混凝土结构，顺水流向长14m，宽86m；坝基为砂砾石基础，地基承载力为300kPa，钢筋混凝土重度为25kN／m3。

本次采用1m单宽进行计算，分别以两种工况进行比较计算：一是不考虑下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′；二是考虑下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′，在橡胶坝充满水运行时取坝顶溢流水深50cm。

根据橡胶坝底板稳定计算公式及橡胶坝基本计算参数，并参照其受力分析情况，计算结果详见下表。

计算结果对比表

根据以上计算结果可知：两种计算工况下，基底应力计算结果基本相同；但抗滑稳定系数相差较大，即“不考虑下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′”时抗滑稳定系数计算结果大于“考虑下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′”时抗滑稳定系数，说明下泄水流拖曳力F和坝顶溢流水重G′对坝底板的稳定性有一定影响，特别是下泄水流拖曳力F在水平向对橡胶坝底板抗滑稳定性具有较大影响，它们在橡胶坝稳定计算中也是不可忽略的受力。因此，在橡胶坝受力分析中应考虑下泄水流拖曳力和坝顶溢流水重，其计算结果更接近橡胶坝运行时的受力实际状况，更深入地对橡胶坝底板稳定性进行较全面分析，能为结构稳定计算提供更多参考。

5　结 论

a.计算时考虑了下泄水流拖曳力和坝顶溢流水体自重对橡胶坝稳定的影响，提高了橡胶坝正常运行时的安全性，也使橡胶坝更好地发挥挡水及美化环境的效益。

b.设计时考虑了下泄水流拖曳力和坝顶溢流水体自重的影响，更深入地分析了橡胶坝底板稳定计算参数，全面了解受力状况，从而为橡胶坝工程稳定设计提供了参考。

c.下泄水流拖曳力为下泄水流与坝袋之间摩擦而产生，随坝顶溢流流速的增大而增大。坝顶溢流水体自重G′随溢流水深的加大而增大。

d.下泄水流拖曳力和坝顶溢流水重对坝底板的稳定性具有一定影响，特别是下泄水流拖曳力对橡胶坝底板抗滑稳定性具有较大影响，在稳定计算时一定不能忽略下泄水流拖曳力和坝顶溢流水重，如此才能在最不利状况下计算出更接近实际的受力状况，为进一步优化结构设计提供依据。■

参考文献

［1］ 王溥文，韩昌海，童中山，等.橡胶坝技术及应用［M］. 1版.北京：中国水利水电出版社，2008.

［2］ SL 227—98橡胶坝技术规范［S］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［3］ 王喜芹，刘柳，等.充水式橡胶坝坝体和底板稳定分析［J］.吉林水利，2013（1）.

［4］ 侍克斌，霍洪丽，等.堆石坝坝顶溢洪道带有水平阻滑板泄槽底板的稳定分析［J］.水力发电，2005（9）.

［5］ 海彬，周峰，侍克斌.深厚软基上土石坝坝体溢洪道泄槽末端反弧段的稳定分析［J］.中国农村水利水电，2009（12）.

Analysis on the stability calculation Parameter of Water filling rubber dam basePlate

HAI Bin1，KOU Zuhe2，YUAN Ying3
（1．Henan Luoyang Water Vonservancy Survey and Design Vo.，Ltd.，Luoyang 471000，Vhina；
2．Henan Xinxiang River Authority，Xinxiang 453000，Vhina；
3．North Vhina University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450000，Vhina）

Abstract：Water filling rubber dam is regarded as low head water retaining structure，which has been widely used for irrigation，flood control，power generation，urban landscape，beautification and other projects. Stability analysis on them has important significance. In the past，the influence of drainage flow drag force on the baseplate stability is not considered by vertical and horizontal force parameters in rubber dam baseplate stability calculation. Drainage flow drag force and dam top water gravity are newly added for stability calculation parameter analysis in the paper. The stress condition of the rubber dam baseplate is comprehensively analyzed. The operation of rubber dam baseplate is more stable and safe，thereby laying a good foundation for developing water efficiency and beautifies environment.

Key Words：rubber dam baseplate；calculation parameters；stability analysis；drag force

DOI：10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.02.019

中图分类号：TV214

文献标识码：A

文章编号：1673-8241（2016）02-0067-03