浅议充水橡胶坝的设计难点

（上海渠观工程设计咨询有限公司 上海 200041）

1 概述

橡胶坝，又称橡胶水闸，属薄壁柔性结构，是随着高分子合成材料的发展而出现的一种新型水工建筑物。它是用高强度合成纤维织物作受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，通过充排管路用介质将其充胀形成的袋式挡水坝。根据充坝的介质不同，又可分为充水坝和充气坝，两种坝型造价相差不多，充水坝的充排时间要长于充气坝，充水坝可任意调整水头。本文通过对某充水橡胶坝设计的坝基稳定计算、锚固型式、坝袋的设计等几个难点问题进行计算分析，为以后类似工程提供参考。

2 坝基稳定计算

2.1 防渗计算

橡胶坝闸基防渗长度可按《水闸设计规范》（SL265-2016）公式计算：

L=C·△H

式中：L—防渗长度（m）；

△H—上下游水位差（m）；

C—渗径系数，参照规范表4.3.2。

计算上游正常蓄水位对应下游无水的工况，拟定的橡胶坝基础防渗长度需满足防渗要求。

2.2 坝体稳定应力计算

2.2.1 计算工况

完建工况：橡胶坝上下游无水，以确定地基应力。

非常运用Ⅰ工况：外侧为橡胶坝设计高水位，内侧无水。

2.2.2 计算方法及成果

（1）抗滑稳定计算公式为：

K=f·∑G/∑H

式中：K—抗滑稳定安全系数；

∑G—垂直于滑动方向的法向力，kN；

∑H—沿滑动方向滑动力，kN；

f—基地面与地基之间的摩擦系数。

（2）坝基的应力计算公式为：

∑G—计算截面上全部法向力之和，kN；

∑M—作用坝基计算截面形心的力矩之和，kN·m；

A—计算截面面积，m2；

W—计算截面惯性矩，m3。

由表1 计算结果表明：橡胶坝坝体抗滑稳定及坝基的应力均满足规范要求。

3 锚固型式

橡胶坝的锚固结构对橡胶坝的运行安全起着非常重要的作用，根据《橡胶坝技术规范》（SL227-98），橡胶坝锚固结构型式有螺栓锚固、混凝土锲块锚固和胶囊充水锚固三种，目前使用最广泛的是螺栓锚固。

螺栓压板式锚固计算参考《橡胶坝技术规范》（SL227-98）附录D.1。

3.1 每根螺栓承受的荷载计算

Q0=T0·k1/n

式中：

Q0—每根螺栓承受的荷载；

T0—单位长度螺栓计算荷载，kN/m；

k1—栓紧力及扭转力的影响系数，一般取1.75；

n—一米长度内螺栓根数。

3.2 螺栓直径计算

式中：d—螺栓直径，cm；

[σ]—螺栓允许拉应力，N/cm2。

螺栓的锚固长度不小于附录表D.1.5 值。

《橡胶坝技术规范》（SL227-98）中T0的取值一般根据设计人员的经验结合一定的安全系数采用。该工程结合实际情况，采用双线锚固，在坝体上游、下游均设螺栓锚固，这样坝体比较稳定，对坝袋的防震以及磨损均有好处，只是由于锚固螺栓多，安装的工作量也就随之加大，对坝袋的密封性能要求就更高了。因此，在施工过程中要加强对锚固件的质量控制。

4 坝袋设计

《橡胶坝技术规范》（SL227-98）附录B 中充水橡胶坝设计计算，坝袋径向计算强度公式：

表1 坝基稳定计算结果表

式中：T—坝袋径向计算强度，kN/m；

γ—水的容重，kN/m3；

α—内压比，H0/H1；

H0—内压水头，m；

H1—设计坝高，m；

双锚线锚固八代的有效周长为：

L0=S1+S

式中：L0—坝袋有效长度，m；

S1—上游坝面曲线长度，m；

S—下游坝面曲线长度，m。

设计过程中，综合考虑坝袋的强度以及造价，结合坝高等因素进行选取，充水橡胶坝内外压比值一般选用1.3～1.6，没有特别要求时，内压比无需选择太大，安全系数不小于6.0。该工程坝袋设计参数见表2。

5 存在问题

5.1 坝袋变形

橡胶坝坝袋充水后都会有一定的变形，为了保证坝袋的安全，需要设置溢流管，一般取坝袋内压水头，设置溢流管的坝袋变形后一般不会对整体安全产生较大影响。

5.2 坝袋使用寿命

橡胶坝袋的使用寿命一般为15～25 年，主要原因是坝袋为高分子纤维制品，长年在日晒、水浸的环境中使用，受到大气诸因素的作用逐渐发生老化变质。老化的原因与坝袋本身所采用的橡胶、纤维等质量有关外，还与坝袋的使用环境、条件，以及水工结构和维护管理等因素有关。

坝袋的使用寿命一直是限制其大规模应用的一个关卡，而越来越多的人力物力投入这一方面的研究，一方面通过改变高分子纤维制品的化学组成和分子结构，提高其耐老化的新能，另一方面研究在其表面刷防老化涂层，达到减缓坝体的老化延长其使用寿命的目的。

表2 该工程坝袋设计参数表

5.3 运行管理

橡胶坝虽然很少维修，不像常规钢闸门那样需要定期涂刷油漆防锈，但也要定期检查，尤其是在洪水过后，要检查是否有漂浮物对坝袋造成刺伤，以及坝体振动、坝袋与底板磨损摩擦撞击坝袋等造成的损害。橡胶坝袋容易受到尖利和有头角物体的损坏，应划出橡胶坝工程的管理范围和安全区域。

橡胶坝严禁坝袋超高、超压运行，如发现坝袋有破损现象，立即塌坝修复，充水橡胶坝冬季运行时应降低坝袋高度运行。

6 结语

橡胶坝使用至今，短短几十年的历史，而对橡胶坝的优化、改进工作却从没有停止过，坝袋的防老化、振动以及管理维护等工作都在不断改进，这些研究使得橡胶坝越来越完善，正逐步被推广使用■