右安门橡胶坝坝袋检测与安全评价

桂 彬 李 萌 乌 溪

(1.北京市城市河湖管理处，北京 100089；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

橡胶坝坝袋属于高分子材料，长期处于日晒、水浸的环境中运行，还可能遭受各种外力作用和自然条件侵袭，坝袋胶布的老化变质、磨损等状态都处在不断变化之中[1-2]。随着运行年限的增长，橡胶坝坝袋磨损、老化等病害将逐渐显现，加强工程日常检查、定期检测和安全评价日益重要。若管理不善或无人管理，未能及时检测发现坝袋出现的病害缺陷并采取必要的修补措施，将有可能造成坝袋撕裂报废，直接威胁工程的安全运行。

1 工程概况

右安门橡胶坝位于北京市右安门外以西约500m的南护城河上。设计坝高3.0m，坝袋设计内压水头为4.3m，采用双锚线螺栓压板式锚固。坝袋胶布型号为JBD3.5-260-2，二层胶布，锦纶胶布型号为J260260-2，胶布强度均为260kN/m。右安门橡胶坝起着节制闸和分洪闸的双重作用，平时鼓坝壅水调节流量，担负着向南护城河和凉水河分配工农业用水的任务；汛期洪水流量小时坍坝泄洪，当洪水流量较大时，则将橡胶坝鼓起到设计高度向凉水河分洪。右安门橡胶坝自上次更换坝袋至今已运行18年，为保证橡胶坝工程运行安全、加强质量管理，需要对坝袋进行检测与安全评价。

2 检测内容与检测方法

影响坝袋老化的因素有内在和外在两种，根据坝袋的运用情况，其发生老化的现象可分为外观变化和物理力学性能变化[3]。根据相关规程规范要求[4-5]，本次橡胶坝坝袋检测内容主要包括外观质量、坝袋厚度、拉伸强度、拉断伸长率及硬度等物理力学指标。

2.1 坝袋外观质量检测

坝袋外观质量检测内容主要包括坝袋的褶皱、破损、老化、磨损、修补情况以及坝袋的密封性等。

2.2 坝袋厚度检测

现场在坝袋锚固边缘部位取样，将坝袋试样放在厚度计平台上，确保坝袋光滑平整，无皱折，无任何拉伸。将压脚轻轻放到坝袋试样上，使其在坝袋试样上停留10s，然后读取厚度计示值(精确至0.02mm)。在坝袋试样有效宽度上均匀等距测量10个点的厚度，计算10次测量的算术平均值，取该值作为坝袋的厚度[6]。

2.3 坝袋硬度检测

坝袋胶料硬度采用邵A型硬度计检测[7]，压针端头平面直径为0.79mm。邵氏硬度计的测量原理是在弹簧力的作用下把压针压入橡胶试样一定深度，用其压入深度度量硬度值的高低。

2.4 坝袋拉伸强度和拉断伸长率检测

现场在坝袋锚固边缘部位取样，在试验室将坝袋试样制作成标准哑铃形试件(见图1)，试件数量不少于3个。试样的宽度取裁刀狭窄部分刀刃间的距离，试样厚度采用测厚计在试验长度的中部和两端测量，取3个厚度测量值的中位数用于计算横截面面积[8]。在任何一个哑铃状试样中，试验长度部分的三个测量厚度值都不得超过厚度中位数的2%。

图1 哑铃状试样形状

在试验过程中，为保证拉力均匀地分布在横截面上，将试样对称地夹在拉力试验机的上、下夹持器上，并在试验机上装配一个伸长测量装置，夹持器的移动速度为500mm/min±50mm/min(见图2)。在整个测试过程中，需要连续观测试样长度和拉力的变化情况，精度在±2%之内。根据试验结果对拉伸强度和拉断伸长率进行计算，计算公式如下：

图2 坝袋胶料拉伸试验

式中Ts——拉伸强度，MPa；

Eb——拉伸伸长率，%；

Fm——记录的最大力，N；

W——裁刀狭窄部分的宽度，mm；

t——试验长度部分宽度，mm；

Lb——断裂时的试验长度，mm；

L0——初始试验长度，mm。

3 坝袋安全检测结果与分析

3.1 坝袋外观状况检测

右安门橡胶坝坝袋严重老化、变色，表面龟裂(见图3)；橡胶坝表层胶存在多处损伤、开裂(见图4)；坝袋搭接黏合处表层胶出现大量老化、损伤开裂现象，最大开裂长度5.9m，最大开裂宽度3.5mm，开裂深度1～2mm(见图5)。

图3 坝袋表面老化龟裂、搭接处表层胶老化开裂

图4 坝袋外层胶损伤、开裂

图5 坝袋搭接黏合处外层胶老化、损伤开裂

3.2 坝袋胶布的胶层厚度检测

现场取样，按照相关标准规定的试验方法，在试验室对坝袋胶布的胶层厚度进行了检测(见表1)。

表1 坝袋胶布试样的胶层厚度检测结果

由表1可知，右安门橡胶坝坝袋样品外层覆盖胶、夹层胶以及内层覆盖胶厚度均满足规范要求。

3.3 坝袋物理力学性能检测

现场取样，在试验室按照标准试验方法对坝袋胶料样品的拉伸强度、拉断伸长率及硬度和坝袋胶布的拉伸强度进行了检测(见表2)。

表2 坝袋胶料与胶布试样物理力学性能检测结果

由于取样位置位于橡胶坝边缘处，该样品在运行过程中基本不存在受力疲劳老化，只会有气候老化。

由表2可知，右安门橡胶坝坝袋外层胶、内层胶拉伸强度分别为5.98MPa和3.96MPa，仅为规范最低指标要求的42.7%和66.0%；外层胶、内层胶的拉断伸长率分别为106%和93%，仅为规范最低指标要求的26.5%和37.2%；坝袋外层胶、内层胶指标已远低于规范指标要求。右安门橡胶坝坝袋胶布的经向、纬向拉伸强度分别为181kN/m和165kN/m，较设计胶布强度分别降低了30.4%和36.5%，不满足设计要求。

4 坝袋强度复核与安全评价

4.1 坝袋强度复核

坝袋抗拉强度与坝袋设计强度之比为坝袋强度设计安全系数。在工程实践中发现，造成坝袋屡屡被撕裂破坏的主要原因之一是坝袋强度安全系数过低。为了掌握目前坝袋安全系数，采用下列公式对坝袋径向计算强度进行了计算，坝袋内外压比α为1.43，坝袋径向计算强度T为41.85kN/m。

α=H0/H1

式中T——坝袋径向计算强度，kN/m；

γ——水的重度，10kN/m3；

α——坝袋内外压比；

H0——坝袋内压水头，m；

H1——设计坝高，m。

由表2可知坝袋胶布检测径向拉伸强度为181kN/m，经计算坝袋强度安全系数K为4.3。

4.2 坝袋安全评价

a.外观状况。右安门橡胶坝坝袋表面严重老化、龟裂、变色，外层胶存在多处损伤、开裂，坝袋搭接黏合处表层胶存在大量老化、损伤开裂现象。

b.物理力学性能指标。橡胶坝检测试样外层胶、内层胶拉伸强度分别为5.98MPa和3.96MPa，仅为规范最低指标要求的42.7%和66.0%；外层胶、内层胶的拉断伸长率分别为106%和93%，仅为规范最低指标要求的26.5%和37.2%；坝袋胶布径向、纬向拉伸强度分别为181kN/m和165kN/m，较设计胶布强度分别降低了30.4%和36.5%。由检测结果可知，坝袋试样外层胶、内层胶指标已远低于规范要求，坝袋胶布抗拉强度不满足设计要求。

c.坝袋强度。坝袋强度安全系数为4.3，不满足《橡胶坝工程技术规范》(GB/T 50979—2014)“充水式坝袋的强度设计安全系数不应小于6.0”的要求。

目前，坝袋外观存在较严重的老化开裂等病害缺陷，外层胶、内层胶拉伸强度、拉断伸长率均严重低于规范要求，坝袋胶布抗拉强度大幅下降，坝袋强度安全系数不满足规范要求，坝袋存在撕破损坏安全隐患。

5 结 语

右安门橡胶坝是我国建成的第一座充水式橡胶坝，目前已经运行50多年，运行期间于1987年、2004年分别进行过坝袋更新，自上次更换坝袋至今已运行18年，基本上达到使用寿命。根据坝袋检测、强度复核和安全评价结果，坝袋老化损伤问题凸显，建议尽快更换坝袋。