橡胶坝锚固堵头的设计

邓俊锋

(江西省靖安县水务局，江西 宜春 330600)

1 工程概况

潦河是修河水系的主要支流，分南潦河、北潦河，其中北潦河又分南北两支，北潦南支全长114.5 km，流域面积709.0 km2。城东橡胶坝工程位于靖安县城东边解放堰下游190 .0 m处河道上，是一座以旅游为主兼顾发电和灌溉的水利枢纽工程。大坝袋顶高程59.1 m，袋底高程56.6 m，顶宽7.5 m。坝袋高2.5 m，挡水高度为4.0 m。坝袋全长143.0 m，分3段，每段长47.0 m。坝址以10 a一遇的防洪标准设防，设计洪峰流量1160.0 m3/s。大坝布置在河床中央，占据整个河床，净宽141.0 m，分三孔每孔47.0 m，下游布置消力池和海漫，上游布置护坦。右岸坝段采用重力式挡土侧墙及刺墙与右岸老防洪堤相接。左侧布置冲沙闸，闸前设铺盖，闸后接消力池。下游导墙长度为8.4 m，闸底齿墙和闸后消力池结构同橡胶坝。

坝袋设计采用彩色充水式坝袋，内压比为α=1.45，袋布型号为JBD2.5-140-2，采用二布三胶结构，堵头为一布两胶，坝袋抗扯断强度为360.0 kN/cm，采用螺栓压板式双线锚固。每段坝袋设2个进(排)水支管控制充排。坝后接1∶4坡(平距8.4 m)至消力池，消力池长11.0 m，宽140.0 m，深0.5 m，即河床全段面消能。坝袋充排水泵房布置在左岸发电厂房内，由厂房发电机层安设楼梯进入。

2 设计锚固结构和锚固线的布置形式

橡胶坝锚固需要承受坝袋的压力，并且还要有良好的密封性，使橡胶坝挡水作用可以充分发挥出来。锚固堵头作为橡胶坝的一个重要构件，对橡胶坝运行的安全性和稳定性均有比较大的影响[1]。

锚固堵头布置在橡胶坝底板锚固槽中，使用螺栓平压板穿孔的形式进行锚固。螺栓使用M27螺栓，螺栓的间隔距离为200 mm，螺栓的长度为900 mm。为了防止坝袋充水挡水过程中，因为锚固力出现净滑动摩擦破坏坝袋，橡胶坝袋会被夹在抗磨片、垫平片、底垫片、止水海绵之间，安装好锚固结构后，浇筑M10水泥砂浆填充到锚固槽中，使用橡胶片作为锚固结构的抗磨片、垫平片、底垫片，在底垫片上粘贴止水海绵进行止水和密封。为了避免锚固槽中填充的水泥砂浆磨损坝袋，需要在下游侧布置抗磨片。为了将M27螺栓固定好，使用ρ20钢筋对锚固段进行加固，上压板和下压板锚固长度为60.4 m，锚固堵头侧为8.2 m，为曲线形。上压板、下压板和螺栓都选用钢板。结构如图1所示。

图1 橡胶坝锚固结构图

3 螺栓压板锚固设计

在设计锚固堵头时，要综合考虑螺栓的间距、螺栓的直径、螺栓的长度、压板等。在设计螺栓压板锚固时，要求压板重量不宜过大，长度不宜过长，坝体两端边墙的压板螺栓数量为四个[2]。

3.1 计算螺栓直径

在工程结构中，螺栓主要发挥连接坝体和坝袋的作用，并且还充分发挥了自连板坝袋拉力的作用。由于坝体内部的水流动会产生比较大的摩擦力，导致坝体坝带从锚固板上被抽去。为了避免坝带被抽去，拧紧螺丝后，要求具有足够锁紧力。由于锁紧力很难控制，需要使用材料力学公式对螺栓的受力情况进行计算，根据地脚螺栓，对螺栓的长度进行计算。计算见式(1)：

(1)

式中：P0为螺栓设计拉力， N/cm；K为安全系数，K=3.0；T为坝袋径向拉力， N/cm；L为上压板宽度，cm；l为上压板端头和螺栓中心的距离，cm；f为止水海绵胶片和坝袋胶布之间的摩擦系数；f1为上压板和坝袋胶布之间的摩擦系数。

按照《橡胶坝技术规范》(SL 227—1998)规范要求对坝袋径向强度进行计算[3]。计算见式(2)：

(2)

式中：a为坝袋内外压比，a=H0/H1；设计坝袋高度为H1，cm；H0为坝袋内水压力，Pa；γ为水的容重,g/cm3。

经过对比后a取值为1.3，基础底板和坝袋径向拉力的夹角为θ，单位为°，在此次设计中：式(1)中θ=75.5°，上压板的宽度L为2l，对公式进行简化后得到式(3)：

(3)

经过计算，使用30倍螺栓直径长度作为螺栓锚固预埋，然后使用双螺母加固。

3.2 设计压板

为了保证压板强度可以达到要求，压板使用16槽钢。设计螺栓压板锚固长度为1 m，并且在槽钢中每间隔两个螺栓孔焊结加强肋板。加强肋板的厚度为10 mm，为了提高压板的整体性，顶部要和槽钢保持平齐[4]。如图2所示。

图2 加强肋板焊接示意图

3.3 坝袋锚固槽的施工技术

在进行锚固槽施工时，要求锚固槽中预埋螺栓表面具有良好的平整度，预埋尺寸要准确。为了达到以上要求，橡胶坝使用预留二期混凝土浇筑锚固槽的方法进行施工。在施工时，除了要考虑结构的整体性，还要考虑施工的便利性。为了保证预埋螺栓尺寸可以达到要求，使用宽度为20 cm，厚度为8 mm的钢板进行焊接。将钻孔尺寸在钢板上进行放样，预埋螺栓按照设计外露的尺寸在钢板上进行垂直焊接[5]。再使用钢筋支架在二期混凝土槽中对钢板进行固定。在浇筑二期混凝土时，使用小型振动棒进行浇筑，并且不要碰到预埋物。在混凝土初凝之前，再次对预埋螺栓尺寸进行核对，及时纠正遇到的问题。

4 锚固安装橡胶坝袋

(1)首先清理干净坝底的杂物，查看管道中的杂物是否清理干净，尤其是小碎石、小元顶等有害物质，以免损坏底部垫片，使坝袋中出现漏水的情况。

(2)在底板上铺设垫片，铺设完成后，使用混凝土压轴对上游和下游进行临时固定，按照设计要求，使用锚栓对两端进行固定，并进行开孔，将进水口的水帽安装好[6]。

(3)铺设坝袋胶布。安装好底垫胶片后，就可以在下游底板和底垫胶片上平铺坝袋胶布。以底板中线和坝袋中线重合为准。

(4)将锚固线划出。锚固好坝袋后，按照设计坝袋周长，将锚固线划出。先划出上游和下游，然后划出两边墙的锚固线，提高安装效率。

(5)锚固坝袋。上述工作完成后就可以对坝袋进行锚固。在锚固坝袋时，要先对上游进行锚固，再对下游进行锚固，最后对边墙进行锚固。在对底板进行锚固时，要从坝轴的中心线开始锚固。使用橡胶找平片铺设在锚固槽的最底层，然后在垫片上铺设坝袋。底垫片和坝袋之间布置水绵胶片，并在其上部和下部使用氯丁胶将底垫片和坝带进行粘结。完成以上工作后，反折坝带端头，并将补强胶片放置到其上方。坝带、补强胶片、止水海绵胶片、找平垫片均按照螺栓位置钻孔。为了保证锚固受力的均匀性，在补强胶片的上方设置两道直径为8 mm的通常钢筋，钢筋布置好后，使用16槽钢压板放置到上方。如图3所示。

图3 钢筋放置图

(6)锚固完成后使用黄油涂抹螺栓上部有丝部分，然后放上垫片和首个螺母，将螺母拧紧。

5 充水试验

拧紧首个螺母后，进行坝袋充水试验，查看坝带充水后坝带周围是否存在漏水。对于出现漏水的位置，要做好标记，并放水后进行处理。坝带充满水以后放置一天，然后进行放水，对各个螺母进行检查，将第二个螺母安装好，并顺次安装好其他的螺母。安装完螺母后，用沥青浇到槽钢中的螺母和螺栓上，并使用塑料布覆盖在上面，确保将来对坝袋进行更换时，螺栓依然可以使用。最后使用比例为1∶2的水泥砂浆锚固好抹平并封死锚固槽剩下的位置[7]。

6 结 论

实践证明，使用上述方案进行施工，坝袋拉力较为均匀，未出现溢流，也不起褶皱，经纬线上的拉力基本上都是主拉力，可以使材料的强度充分发挥出来。橡胶坝施工安全度高、控制灵活，结构简单，安装方便，维修技术简单，施工期短，工程造价低，坝袋寿命长，维护费用低，外型美观，属于理想方案。