某新建充气式橡胶坝工程设计研究

惠志宾，温宗然

（河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南 南阳 473000）

1 工程概况

依据《水利水电工程等级划分及设计标准》，工程等别为Ⅳ等，橡胶坝、控制室级别为4级，临时工程级别为5级；橡胶坝工程为4级建筑物，设计洪水标准正常运行期20年一遇，非常运行期50年一遇；临时工程洪水标准5年一遇，控制室内因有机电设备控制坝袋升降运行，按50年一遇洪水位设计。

橡胶坝工程按照防洪要求及工程总体功能综合布置，主要包括四部分：橡胶坝主体工程，左右岸及上下游护岸工程，充排气系统及控制室工程，上下游河床整治工程。

2 新建充气式橡胶坝工程设计

2.1 橡胶坝主体工程

2.1.1 橡胶坝长度确定橡胶坝采用贴坡式梯形结构，底部宽度29.60 m，两岸以1∶1斜坡与岸顶相衔接，橡胶坝顺水流方向长度为7 m。

2.1.2 坝体结构布置及断面设计选定坝底板顶面高出河底0.30 m，坝袋净高2.20 m，坝底板顺水流向长度7 m，厚度为1 m，采用C25钢筋混凝土结构，下设前后齿墙，以增加坝底板的抗滑稳定性。坝底板垂直于水流方向的分缝间距为17.50 m，填缝材料为闭孔泡沫板，内设橡胶止水带。

橡胶坝两岸采用1∶1斜坡与坝基相连。为了保证坝的有效高度，边坡上的最高锚固线抬高0.22 m，斜坡段底板为钢筋混凝土结构，顺流向长度与坝底板相同为7 m，两侧均设止水与上下游挡墙相连接。

坝基坐于中粗砂层上，局部高于坝基以上时，应清除至原状土，局部低于坝基及坝基下有淤泥时，应将淤泥清除回填粘性土至设计高程后，浇注C15混凝土。

坝袋上游及斜坡锚固线均采用外锚固，下游锚固线采用内锚固。

2.1.3 上游防渗结构

坝上游设钢筋混凝土防渗铺盖。铺盖水平顺流向长度为10 m，厚度为0.50 m。在铺盖前设C20截渗墙，墙高1.50 m。

2.1.4 下游消力池段

C25 钢筋混凝土消力池池深0.50 m，全长9 m，首段以1∶4斜坡与坝底板衔接，长度为3.20 m，下接消力池水平段，水平段长5.80 m，池末端设0.50 m 宽的尾坎，消力池斜坡段及水平段底板厚度均为0.50 m。消力池底部布设间距1.50 m、直径为10 cm的PVC管排水孔，梅花型布置。

2.1.5 下游防冲段

消力池后设长10 m、厚40 cm 的C25 钢筋混凝土海漫，海漫末端接格宾石笼，格宾石笼长10 m、厚0.30 m，格宾石笼后与河床相接。

2.2 左右岸及上下游护岸工程

橡胶坝工程仅对坝主体工程范围内和上游截渗墙以前30 m、下游格宾石笼以后30 m进行河道整治并进行两岸护砌。两岸护砌均采用C20混凝土挡土墙进行防护。

2.3 充气式橡胶坝控制室工程

在橡胶坝右岸的台地上布置控制室，一层矩形结构，平面轴线间尺寸为6.60 m×5.40 m，控制室为墙厚0.24 m砖混结构。

3 充气式橡胶坝消能及防冲计算

3.1 坝顶溢流水力分析计算

过流能力按宽顶堰流计算：

式（1）中：Q—过坝流量，m3/s；Ho—计入行近流速水头的堰上水深，m；m—流量系数，m=0.312～0.34；ε—堰流侧收缩系数，ε=0.98；βo—孔净宽，34.42 m；σ—淹没系数σ=1；φ—流速系数，可取0.95（比值稍大，但偏于安全）。

3.2 消能计算

按正常溢流和塌坝过程中的溢流两种情况进行消能计算。由计算结合以往建坝经验可以确定，坝后设消力池水平段长为5.80 m，考虑前部斜坡联接段和尾坎长度综合计算，消力池总长9.50 m，池深0.50 m。

3.3 海漫长度计算

采用南京水利科学研究所海漫长度计算公式经计算选定海漫长度为17 m。

3.4 防冲计算

结合以往治河及修建橡胶坝经验，确定橡胶坝防冲措施为：①上游铺盖前部设深1.50 m的混凝土挡墙，且上游河床采用40 cm厚的粘土进行防渗，不会对坝体形成冲刷。②下游海漫段未端河床采用40 cm厚的粘土进行防渗，不会对下游河床冲刷。

4 充气式橡胶坝坝体稳定及结构计算

4.1 坝体稳定及结构计算

①计算工况：工况一，升坝挡水时，上游水位为最大挡水高度，下游无水（地下水和河底齐平）。工况二，竣工期，上、下游无水，坝袋内充满水。其中以工况一为最不利计算情况。

②荷载计算：坝体荷载按1 m宽板条计算。③按抗滑稳定计算公式计算结果见表1。

表1 橡胶坝正常挡水情况下抗滑稳定计算表

④橡胶坝坝基底应力计算公式：

式（2）中：A—坝基础底面面积，m2；e—基底应力偏心距，m；B—基础宽度，m。

⑤橡胶坝坝基底应力不均匀系数：

橡胶坝坝底板基底应力计算结果见表2。

表2 橡胶坝坝底板基底应力计算表

综上可知，坝底板、上下游岸坡的抗滑稳定、坝底板基底应力不均匀系数小于规范标准允许值，基底应力小于地基容许承载力，可以判定橡胶坝体是安全的。

4.2 橡胶坝地基渗透稳定分析计算

按防渗长度的基本公式计算结果详见表3。

表3 防渗长度计算表

由表3可知，橡胶坝满足渗透稳定要求。

4.3 坝底板结构计算

坝底板内力指标采用弹性地基梁法计算分析，按均布荷载特征简化有效计算荷载。计算结果表明，底板结构配筋采用φ 16@25和φ14@25。

5 其他相关设计

5.1 橡胶坝袋及锚固设计

坝袋高2.20 m，内压比1.00，坝袋型号参照JBD2.0-120120-2，采用三布四胶，单层厚12 mm，经向强度120 kN/m，安全系数9.92，大于《橡胶坝工程技术规范》规定的8.00。坝袋锚固形式采用内外锚固线相结合设置暗槽锚固槽，外锚固坝袋，内锚固下游。螺栓、压板及垫板选用厂家定型产品。

5.2 充排气系统设计

采用自控系统，利用罗茨风机将空气通过DN100 钢管冲入坝袋内。当坝内气压超过设计压力时，罗茨风机自动停止运行，由排气阀将超压气体自动排出。

5.3 电气设计

控制室设专用控制屏一屏，所有风机、阀门、压力表的运行均通过控制屏进行操作，实现自动控制。在值班间配置Z4 手提干粉灭火器1只。室内安装2×40 W荧光灯4套，三叶吊扇2套，吸顶灯（60 W）1 套。坝控制室屋檐下安装高压投光灯1套。控制室顶部设置避雷设施。

6 结语

充气式橡胶坝工程设计主要内容有：工程等级和设计标准，整体工程布置，消能及防冲计算，稳定及结构计算，直至最后完成其它相关设计。此橡胶坝工程设计成果可为类似城市景观建设提供科学参考。