柳杭橡胶坝设计分析与研究

张淏韦

摘 要：橡胶坝是20世纪60年代以来，随着高分子合成材料工业的发展应运而生的一种新型水利工程。坝袋用的胶布是以高强力合成纤维织物等做受力骨架，内外涂敷合成橡胶做黏结保护层而加工制成的。其按要求的尺寸锚固于底板上，呈封闭状，人们通过冲排管路用水（气）将其充胀，形成袋式挡水坝。坝顶可以溢流，人们可根据需要升高或降低坝高，以达到控制水位的目的。它代替了自古以来建设坝体的土、石、木和钢等材料，属于水利工程中的一项技术创新，已广泛应用于灌溉、发电、防洪和城市绿水工程等方面。本文介绍了柳杭橡胶坝的自然概况及工程概况，分析了柳杭橡胶坝设计中的坝址位置、工程方案、坝体结构、设计蓄水位高程以及孔数型式选择，为橡胶坝同类工程设计提供参考。

关键词：橡胶坝;拦河闸;设计方案选择;水利工程

中图分类号：TV644文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）02-0088-04

Design Analysis and Research on Liuhang Rubber Dam

ZHANG Haowei

（Shandong Linyi Water Conservancy Engineering Corporation，Linyi Shandong 276400）

Abstract： Rubber dam is a new type of water conservancy project that has emerged with the development of the polymer synthetic material industry since the 1960s. The rubber cloth used for the dam bag is made of high-strength synthetic fiber fabric as the force-bearing framework， and the inner and outer parts are coated with synthetic rubber as a bonding protective layer. It is anchored on the bottom plate according to the required size and is in a closed shape， people inflate it with water （gas） through the flushing and draining pipeline to form a bag-type dam. The crest of the dam can overflow， and people can raise or lower the height of the dam as needed to achieve the purpose of controlling the water level. It replaces the soil， stone， wood and steel materials used in the construction of dams since ancient times， and belongs to a technological innovation in water conservancy projects and has been widely used in irrigation， power generation， flood control and urban green water projects. This paper introduced the natural and engineering overview of Liuhang Rubber Dam， and analyzed the location of the dam site， engineering scheme， dam structure， design water level elevation and hole number selection in the design of Liuhang rubber dam， so as to provide reference for similar engineering design of rubber dam.

Keywords： rubber dam;sluice;design scheme selection;water conservancy project

橡膠坝由于其造价低、结构简单、工作灵活、施工便利，并且利用自然，又不破坏自然等优点，在河道上广泛使用[1-3]。目前，橡胶坝在我国发展较快，在山东省也得到了广泛的应用。通常，其应用于以下几个方面：用作灌溉系统的大型进水闸、分水闸、节制闸等;用作灌区渠道的临时引水坝;用作低水头的滚水坝;用作在多沙河流灌区上的挡沙水闸;代替河道上的水闸;加高水库的溢洪道，增加蓄水量和发电水头;在河道上建橡胶坝形成人工湖，美化环境等。水利工程的建设不仅可提高城市的防洪能力，还可大大改善城区的水环境现状，提高城市品位，充分利用水资源，实现水资源可持续发展，对改善城市整体投资环境起到十分重要的作用，其防洪效益、环境效益、社会效益和经济效益均十分明显。

1 自然概况

1.1 区域特征

沂河属淮河流域，北起山东省淄博市沂源县西部，南止江苏省宿迁市苗圩村骆马湖，沂河流域上游属泰沂山区，河道比降陡、切割深，中部为绵延起伏的丘陵地带，下游为地势平坦的河谷冲积平原，河道比降小较为顺直。沂河全长为333 km，总库容为22.45亿m3，流域面积为11 820 km2。

1.2 水文气象特征

临沂市属北暖温带季风区、半湿润过渡性气候，四季分明，光照充足，气候温和，雨量集中。春季风和日暖，气候干燥;夏季酷热多雨;秋季晴朗气爽;冬季干冷，雨水偏少，形成春旱、夏涝、秋旱，旱涝交替发生的规律。临沂市多年平均气温为13.2 ℃，平均年降水量为818.8 mm，年内降水量分配很不均匀，全年降水量主要集中6—9月，降水量年内变化较大，春旱、夏涝严重。临沂市平均陆地蒸发量在507～563 mm，多年平均水面蒸发量在889～1 128 mm，全市多年平均年日照时数为2 402 h。

1.3 地质特征

坝址区处于上游蒙山山丘与下游沂河冲洪积平原相衔接的过渡地带，北部为蒙山余脉，西南部是鲁中南山区边缘。临沂城内地势平坦，地面坡降为1：1 000～1：2 000，高程为60～70 m，地层岩性以砂壤土、中粗砂为主，局部含碎石。

2 工程概况

2.1 工程规模

柳杭橡胶坝位于沂河临沂城区段中泓桩号80+945处，处于临沂市风景区，枢纽工程横跨沂河。柳杭橡胶坝长度根据主河槽宽度确定，避免减少河槽行洪断面;坝高根据蓄水位确定，蓄水位一般低于两岸滩地，高差不小于0.5 m，不影响两岸排涝。柳杭水利枢纽库容为2 200万m3，水面面积为6.5 km2，回水长度为10 km。坝址处主河槽宽约为460 m，左岸滩地高程为75.0～75.3 m，右岸滩地面高程为75.5～76.3 m，河床平均高程為69.22 m。根据以上原则，综合考虑河床现状、过流能力及消能设施等因素，确定枢纽底板高程69.00 m，坝高5 m，正常蓄水位74.00 m。坝段全长为455.8 m，共5节，每节坝袋净长为90 m，是目前临沂市挡水高度最高的橡胶坝。结合本工程实际及其在国民经济中的重要性，综合确定本工程规模为大（3）型，其由上游铺盖、坝底板、护坦、消力池、防冲槽、橡胶坝袋、充排水管路、充排水泵站、岸翼墙和管理设施等工程组成。

2.2 工程任务

柳杭橡胶坝为新建的拦水工程，工程设计防洪标准为二十年一遇，流量为10 000 m3/s;工程校核洪水标准为五十年一遇，流量为13 000 m3/s。施工期洪水标准为非汛期10年一遇，洪峰流量为230 m3/s。

工程任务是对沂河径流进行拦蓄，增加地表水的利用量，为下游工农业供水，缓解下游地区的水资源短缺矛盾，改善临沂城区的小气候和生态环境。

2.3 工程建设必要性

2.3.1 临沂城区现状及总体发展规划要求。工程建成后，可一次蓄水2 200万m3，形成水面面积6.5 km2、回水长度10 km的水域。该工程与下游的桃园橡胶坝工程、小埠东橡胶坝工程、刘家道口枢纽工程组成纵贯市区南北长44.18 km的水面，改善了临沂城区的小气候和生态环境，促进了临沂城区的旅游观光、休闲娱乐、房产开发等产业的发展。

2.3.2 工程的兴建是缓解临沂城水资源供需矛盾的需要。临沂城区现状年保证率为50%时，缺水0.15亿m3，保证率为75%时，缺水2.56亿m3，保证率为90%时，缺水3.6亿m3。2020年保证率为50%时，缺水4.46亿m3，保证率为75%时，缺水7.14亿m3，保证率为90%时，缺水8.25亿m3。从数据可以看出，下临沂市的水资源是非常短缺的，而沂河多年平均出境水量为19.53亿m3，因此，通过在沂河上兴建拦蓄工程，进行梯级拦蓄，增加地表水的利用量，缓解水资源短缺的矛盾是非常必要的。

2.3.3 可对城区段地下水回灌补源。临沂市区近几年地下水超采严重，市区形成漏斗区，其沿着临沂市第一水泥厂向东，呈椭圆形分布，面积约为45 km2，漏斗区中心枯水期地下水位约为58 m，并呈继续下降趋势。若长期过量开采，不及时对地下水进行回灌补源，将会造成地面沉陷漏斗区进一步扩大，地质灾害严重。柳杭橡胶坝建成后，其对临沂城区地下水回灌补源具有重要作用。

2.3.4 工程投资省，效益高。柳杭橡胶坝工程建设在沂河主河槽内，两岸滩地高程大，不占迁土地及地面建筑，工程投资小。同时，其具有以下优点：对地形具有较高的适应性，应用范围广泛，结构简单，工作灵活;可用于地质条件困难、径流量大的河流;耐地震冲击。

3 橡胶坝设计

3.1 坝址位置比选

人们应根据橡胶坝的功能和特点，考虑地形、地质、水流、泥沙、施工和管理等因素，经技术经济比选后确定坝址。

柳杭橡胶坝坝址选择遵循的原则如下：闸轴线应与河道中心线垂直，满河道布置，少壅水;挡水高度不淹没滩地;橡胶坝工程长度根据主河槽宽度确定，避免减少河槽行洪断面;坝高根据蓄水位确定，蓄水位一般低于两岸滩地，高差不小于0.5 m，不影响两岸排涝;根据当前坝袋生产技术和规范要求，坝袋高度≤5.0 m;坝底板高程一般大于河床高程0.2～0.4 m;橡胶坝孔数根据河道宽度确定;坝址处河道顺直，地面坡降比低，河床、河势稳定，水流平稳，地质地形条件良好;橡胶坝适用于温带季风区、半湿润气候，光照充足，气候温和，雨量集中;坝址距离交叉河口较远，与桥梁的距离不宜太近，间距大于100 m;枢纽布置应使工程投资最省，效益高，不影响其他建筑物安全，有利于河势稳定，防止局部冲刷。

根据上述坝址选取原则，本研究拟定两个坝址进行比较。

3.1.1 1号坝址。其位于河东区高家村，沂河中泓桩号为78+415，河道主槽宽为620 m，河底高程为67.5～68.0 m，左岸滩地高程为72.8～73.5 m，右岸滩地高程为70.2～73.5 m。河槽地质条件为砂基。优点如下：坝下游水深1 m多，有利于行船，沂河水面坝下游、坝上游水位一致。缺点如下：河槽宽，河槽地质条件为中粗砂，建筑物的消能防冲困难，投资大;坝下游水较深，不利于湿生植物、浅水生物生长，生态性差;挡水高度小，蓄水量少，回水长度及回水面积较小;两岸滩地高程较低，建坝后影响两岸排水。

3.1.2 2号坝址。其位于河东区柳杭村，沂河中泓桩号为80+945，主河槽宽为460 m，滩地宽为220 m，左右岸均约为110 m，主槽河床高程为68.5～69.5 m，平均高程为69.0 m左右。坝基工程地质条件较好，地基承载力较高，河床表面局部有少许新近堆积的砾质粗砂夹杂少量砾石，下伏基岩为白垩系砾岩，坝址区河床中基岩裸露。

优点如下：最高挡水位和河床平均高程相同;有利于浅水动植物的生长，生态性较好;地形地质条件好，河床较窄，易施工;两岸滩地高程较高，蓄水量大，回水长度长，面积大。缺点如下：下游水位浅，有局部河床露出，不利于行船通航。

经对两处坝址综合分析论证，采用坝址二，即河东区柳杭村。

3.2 工程方案比选

根据河道地形地质条件、防洪要求及临沂市拦河工程建设经验，可选择的拦蓄工程型式主要有两种：橡胶坝和拦河闸。

拦河闸是一种历史悠久的水工建筑物，以其运行安全可靠、调控能力强、适用范围广、使用寿命长、易于闸桥结合、管理运行方便等诸多优点而经久不衰，其缺点是阻水影响行洪，投资较大，三材使用多。

橡胶坝是一种新型的水工结构，其优点是钢筋混凝土用量少，不影响水流量，施工周期短。其缺点是维护和管理成本高，坝袋寿命短，不易闸桥结合。

3.2.1 方案Ⅰ：橡胶坝方案。建5孔橡胶坝，每跨净宽为90 m，橡胶坝中墩直径为1.2 m，底板厚为0.8 m，坝体总长为455.8 m，坝高为5 m，底板顶高程为69.0m，坝前库容为2 200万m3。本工程完成主要工程量17.11万m3。其中，土方工程为3.45万m3，石方工程为8.92万m3，浆砌石为0.78万m3，混凝土及钢筋混凝土为2.8万m3，围堰填筑为1.16万m3，总投资为4 160万元。

该方案优点是投资较少，阻水作用小，利于河道行洪，建设工期较短，非汛期小流量情况下坝顶溢流，汛期易形成瀑布景观;缺点是运行费用高，管理要求高。

3.2.2 方案Ⅱ：拦河闸方案。建51孔8×5.5 m平面钢闸门拦河闸，每孔净宽为8 m，提升闸中墩直径为1.2 m，边墩直径为1.5 m，底板厚为1.2 m，拦河建筑物总长为472.8 m。拦河闸挡水高度为5 m，底板顶高程为74.5 m，闸前库容为2 200万m3。规划要求开挖9.1万m3，回填37万m3，石材量为72万m3，钢筋混凝土量为5.26万m3，总投资为5 600万元。

该方案优点是运行安全可靠，调控能力强，使用寿命长，管理方便;缺点是投资较大，阻水作用与橡胶坝相比较大。

根据以上比较，考虑到项目的投资成本、建设等因素，确定选用方案Ⅰ，即橡胶坝设计方案。

3.3 坝型、坝袋内外压比值以及锚固结构的确定

橡胶坝在实际运用中基本以充水式和充气式为主，采用水气混合的较少，我国设计的橡胶坝以充水式为主。在本次设计中，因这条橡胶坝水位调节较为频繁，橡胶坝顶要溢流过水，从稳定性、坝袋变形及水位调节等方面考虑，选择充水式橡胶坝。

按照《橡胶坝工程技术规范》（GB/T 50979—2014），充水式橡胶坝内外压比值宜取1.25～1.60[4]。内外压比值与坝高成反比，橡胶坝越高，内外压比值取小值，橡胶坝越低，内外压比值取大值。本次设计主要根据坝高度、橡胶坝相关设计规范中的有关参数及已在运行橡胶坝的设计经验来确定内外压比值。最后确定5.0 m高的橡胶坝内外压比值为1.3。从实际运行状况看，本次设计內外压比值还是比较合理的。

橡胶坝的锚固结构型式多样，按锚固构件材料可分为螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固和胶囊充水式锚固三种。在这三种锚固结构型式中，以螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固最为常用。楔块挤压式锚固是靠夯击后楔块挤压前楔块，以达到锚固坝袋的目的，锚固计算较为复杂，故本次设计考虑选用螺栓压板式锚固中的穿孔锚固。穿孔锚固是在锚固部位将坝袋穿孔套进预埋的地埋螺栓，用压板锚紧。穿孔锚固的优点是施工安装和拆卸检修方便，缺点是穿孔部位易渗漏和撕裂，普通螺栓易生锈。为解决以上问题，在本次设计中，螺栓、螺帽及压板均采用不锈钢，以防生锈;在穿孔两侧用胶片做补强，以防渗漏和撕裂[5]。

3.4 设计蓄水位的确定

3.4.1 设计蓄水位确定的原则。设计蓄水位一般低于两岸滩地0.5～1.0 m，防止两岸渍害影响;根据当前坝袋生产技术和规范要求，坝袋高度小于5.0 m;坝底板高程一般高于河床高程0.2～0.4 m;抬高蓄水位，增加回水长度和水面面积;坝下水位与正常蓄水位高程一致。

3.4.2 挡水高度方案比选。坝址处河床高程为68.5～69.5 m，平均高程为69.2 m左右，左案滩地高程为74.5～75.2 m;右案滩地高程为75.4～76.3 m，按照橡胶坝建成后不影响两岸排水、不给两岸造成沼泽的原则，拟建橡胶坝挡水高度分别为4.5 m和5.0 m，两种方案的挡水水位分别为73.5 m和74 m，比较可知，其优缺点如下。

3.4.2.1 方案Ⅰ：挡水高度为4.5 m（挡水水位为73.5 m）。优点如下：挡水高度4.5 m的软水性织物坝已建成较多，有成功的经验，设计、施工和安装均轻车熟路，对两岸影响较少。缺点如下：挡水水位与两岸滩地的高程较大，亲水性、景观性差;回水长度及回水面积较小，蓄水量小。

3.4.2.2 方案Ⅱ：挡水高度为5 m（挡水水位为74.0 m）。优点如下：蓄水量大，回水长度较长，回水面积大;对两岸影响较少，亲水性、景观性好。缺点如下：国内高度为5 m的橡胶坝较少，在设计和建造方面经验不足。

经过综合比较及论证，采用挡水高度为5 m即挡水水位为74.0 m的方案。

3.5 孔数方案比选

拟建坝址处河道主河槽宽为460 m，滩地宽为220 m，左右岸均约为110 m。根据主河槽宽度及以建橡胶坝工程经验，初步拟定3孔、5孔、6孔，其单节长度分别为150、90、75 m。下面对三种方案进行论证，各方案优缺点如下。

3.5.1 方案Ⅰ：3孔方案。优点是单节坝长，中间隔墩少，阻水小，有利于行洪。缺点是加工工艺复杂、困难，运输安装不便，且150 m长的橡胶坝国内没有先例，风险较大。

3.5.2 方案Ⅱ：5孔方案。优点是中间隔墩较少，单节坝长90 m，比较美观且阻水小，有利于行洪。缺点是施工、运输、安装困难。

3.5.3 方案Ⅲ：6孔方案。优点是坝长75 m，坝袋长度适中，生产加工、运输、案装比较方便。缺点是隔墩较多，美观性差，影响行洪，投资多。

经综合论证，采用5孔方案，单节坝袋长为90 m，中墩厚为1.2 m，橡胶坝全长为455.8 m。

4 结语

橡胶坝适用于低水头、大跨度闸坝工程。迄今为止，国内外橡胶坝已建成超过5 000座，其成为世界上分布最广泛的水坝之一。通过对柳杭橡胶坝的分析和研究可以直观地看到，橡胶坝在小河流域环境中是最理想的选择之一，它具有结构简单、造价低、工期短、抗震性能强、自重轻以及汛期不阻水等优点。随着石油化工产业的快速发展，橡胶织物材料已经满足抗拉伸、弹性强度高、耐高温、抵抗沉积物颗粒侵蚀以及适应各种气候等条件的发展要求，使橡胶坝的优势得到了进一步的拓展。临沂市通过3座橡胶坝的科学调控，不仅在城区范围真正形成了防洪閉合圈，而且在多拦洪水尾水，增加城市河道的蓄水量，充分利用水资源，改善生态环境。尽管橡胶坝这一技术诞生至今只有几十年的时间，但由于独特的优点，其能取得显著的社会效益、经济效益和环境效益，故发展较快，随着橡胶坝技术的进一步开发，其应用范围会越来越广。

参考文献：

[1]孙刘伟.橡胶坝设计与应用探讨[J].城市建设理论研究，2011（19）：1-2.

[2]中国城市规划设计研究院，临沂市规划局.临沂市城市总体规划[Z].2005.

[3]山东省临沂市水利勘探设计院.柳杭橡胶坝可行性研究报告分析[Z].2007.

[4]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.橡胶坝工程技术规范：GB/T 50979—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.

[5]水利部.水闸设计规范：SL 265—2016[S].北京：中国水利水电出版社，2016.