温凉河橡胶坝设计及坝袋施工要点分析

徐建军

（临沂市水利工程处，山东 临沂276000）

温凉河橡胶坝工程位于山东省临沂市沂水县尹家峪境内，设计坝址处河道宽度约40 m，边坡为1∶2 的梯形断面。根据当地水文局记载：温凉河汛期30 年一遇洪峰流量为538 m3/s，枯水期30 年一遇洪峰流量为32 m3/s。本次设计河道近期防洪标准为30 年一遇，远期为50 年一遇。温凉河橡胶坝工程由橡胶坝、泵房、交通桥等组成，是一项蓄泄兼顾的水利工程，设计投资245 万元。

1 坝袋参数设计

1.1 坝袋材料及尺寸的确定

通过结合其他项目的成功经验，温凉河橡胶坝工程设计采用“二布三胶锦纶橡胶坝袋”，具体型号为JBD35-280-2，坝袋总厚度约为12 mm。根据本项目的蓄水量要求，设计坝高3.4 m，每幅坝袋长15 m，本橡胶坝由3 个坝袋组成[1]。

1.2 坝袋材料极限承受拉力的确定

温凉河橡胶坝坝体高度确定为3.4 m，根据坝体极限承载工况（上游水深等于坝高，下游无水）计算坝袋极限承受拉力FT 为50.2 kN/m。之后设计的拉伸试样宽度为52 mm，换算为坝袋极限拉力为2.61 kN。

为检测坝袋材料极限抗拉能力，利用“WE-30 型万能材料试验机”进行测试，最大测量载荷50 kN，设计拉伸速度5 mm/min。对试验材料进行硫化处理，且按照ASTM 标准裁剪为C 形哑铃形状。

1）试验一：纬向试件拉伸试验。坝体材料试件纬向拉伸试验曲线见图1。由1 图可知：随着y轴应力的逐渐增大，x 轴应变也逐渐增大，且增大幅度逐渐提高。由于计算得坝袋极限拉力为2.61 kN，所以在此重点对1～5 kN 范围内坝袋材料的应力～应变数据进行分析，详见表1。由表1可知：当荷载在2～3 kN 之间时，坝袋材料产生的应变在17.5%～22.9%，远小于坝袋材料50%的极限变形量，因此材料在纬向上满足使用要求[2]。

图1 纬向拉伸试件应力～应变曲线

表1 温凉河坝袋材料纬向应力～应变数据

2）试验二：经向试件拉伸试验。坝体材料试件经向拉伸试验曲线见图2。由图2 可知：随着y轴应力的逐渐增大，x 轴应变也逐渐增大，但增大幅度基本保持稳定[3]。在此依然重点对1～5 kN 范围内坝袋材料的应力～应变数据进行分析，见表2。由表2 可知：当荷载在2～3 kN 之间时，坝袋材料产生的应变在6.1%～7.8%，远小于坝袋材料50%的极限变形量，因此材料在经向上满足使用要求。

图2 经向拉伸试件应力～应变曲线

表2 温凉河坝袋材料经向应力～应变数据

1.3 坝袋压力比的确定

压力比a 是橡胶坝袋最重要的参数之一，直接决定了坝袋成本、材料数量、冲水设备及费用等。涉及到的参数包括坝袋内压水头H0、坝袋材料极限承受拉力FT、上游坝体截面曲线半径R等。在此参考其他项目经验，压力比a 设计1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 等6 个等级进行比选分析[4]。

在此建立坐标系，其中纵轴为R/H1，横轴为压力比a，通过计算拟合曲线如图3 所示。由图3可知：1）当压力比a 处于1.2 以下时，R 值急剧增大，因此排除；2）当压力比a 处于1.2～1.5 之间时，R 值基本保持稳定，因此适合在这个区段选取压力比。

图3 坝体几何半径随压力比变化曲线

由于压力比a 越低，相对来说经济性越好，但也会导致坝袋极限受拉力降低，因此需要平衡坝体的经济性和安全性。为此绘制坝高H1与FTa（对坝袋材料产生的环向拉力，设计安全系数k=4）关系曲线，随着a 值增大，FTa也增大，因此从安全性和经济性综合考虑，最终设计温凉河橡胶坝袋压力比a=1.2。

2 橡胶坝锚固系统设计

2.1 上、下游锚固力计算

上游坝袋在水力作用下呈现向下偏移的圆弧形，拉力FT在水平和垂直方向分力分别为FTx、FTy，锚栓锚固力为Fm，其计算公式如下[5]。

式中：μ1为底垫片和底板间的静摩擦系数；μ2为补强胶布与压板间的静摩擦系数。

经计算，Fm=37.6 kN。

下游正压板主要承受的是上游水体冲击力和坝体自身惯性力，Fn计算公式如下。

经计算，Fn=28.6 kN。由此可见上游锚固力大于下游锚固力。

2.2 螺栓及压板参数确定

结合其他项目经验，本项目设计螺栓最宜间距为0.25 m，为简化计算，本项目认为每个螺栓受力一致，其中拴紧力和扭转力的影响系数设置为1.75。螺栓直径设计为36 mm，压板厚22 mm，垫板厚8 mm。所有锚杆构件均为普通钢材质，要求外涂防锈材料。

3 坝袋安装施工要点

3.1 基础底板处理

1）橡胶坝袋易受锐利物体损坏，因此要求对坝底板与坝墩范围内混凝土局部有凹凸、棱角要用磨光机打磨掉，认真清除锚固槽周围及坝袋塌落范围内的混凝土残渣、铁丝及木块等一切杂物。

2）橡胶坝中、边墩表面所有对拉螺栓、铁丝等进行打磨处理，中边墩打磨光滑后刷涂丙乳水泥砂浆，丙乳水泥砂浆要严格按照配比，刷涂均匀，以减少坝袋与墩墙的摩擦。

3）混凝土表面孔洞和低凹处用水泥砂浆抹平压实，再用砂轮打磨平整。人工清理锚固槽、垫板表面残留砂浆、混凝土等附着物。同时用砂轮将锚固槽内侧混凝土棱角及坝底板伸缩缝打磨平整。

3.2 锚固件处理和安装

1）检查预埋螺栓、锚固槽位置、尺寸，清除预埋螺栓上杂物，并用扳牙将螺纹部位扳一遍，检查螺栓、板有无变形、锈蚀，孔距是否符合设计要求，并用砂轮将边刺磨掉。

2）安装前，在混凝土底板上标出坝轴线、中心线，根据底垫片就位线将其展开，四周大小均匀后，在底垫片上分别标出上下游锚固线。底垫片采用人工铺展，应顺直、平展，使垫片上的锚固线与锚固槽内螺栓中心线重合，且展开不能有褶皱，两端距坝墩与两边距锚固槽尺寸要一致。

3）在底垫片上打孔，根据现场的实际螺栓位置，将误差分给每个螺栓间距，定出每个对应螺栓孔位置，在垫片上划线，用手电钻进行打孔，且所打孔洞应比螺栓稍小，确保其密封效果。

3.3 坝袋铺设

1）坝袋铺设顺序为：下游→上游→边墙，从底板中心线开始，向两侧同时进行，采用人工配合机械的方法。根据坝袋尺寸定出压板线及钻孔中心线，量出坝底板和坝袋长度、宽度，确定出长度、宽度总长误差。

2）坝袋螺栓孔的定位打孔自两端开始，将总长误差均分到每个螺距，避免误差集中在一小段内，引起坝袋皱折。按照从下游到上游顺序将坝袋套放在螺栓上。坝袋堵头拐角处，斜坡上的坝袋采用拉链葫芦牵引，用橡胶片垫平袋布折叠、皱折处。

3）坝袋锚固应按照“先中间，后两边，上下游同时进行，最后两边堵头”的原则。螺帽的紧固不应过紧，也不应过松，兼顾应力集中和密闭不紧密情况。紧固压板螺帽时先用风炮套筒上螺帽，紧固后再用特制工具制作的套筒，使用人力将每一个螺帽紧固好。

4 结 语

温凉河橡胶坝工程投入使用后，各项参数均达到设计标准，橡胶坝安全稳定运行，说明前期的设计工作合理，可以为相关工程提供参考。