橡胶坝在枣庄市黄楼闸除险加固工程中的应用

刘培松

（枣庄市市中区城乡水务局,山东 枣庄 277100）

1 引言

挡水建筑物是水闸工程的重要组成部分,其方案对工程建设投资影响较大。因此,需要结合工程实际情况采取合理的方案[1-2],提高工程建设效益。

2 工程概况

黄楼闸位于枣庄市市中区黄楼村北、峄城大沙河郭里集支流桩号5+555 处,闸址以上流域面积91.5 km2。原闸为浆砌石墩水力自动翻板闸,是一座具有蓄水灌溉、补充地下水、改善河道生态环境等功能的水利工程,自1982 年建成以来发挥了较好的蓄水灌溉效益,经过近40 年的运行,闸室及翼墙稳定、闸基渗径长度不满足规范要求,无消能防冲措施,闸门缺失,丧失蓄水功能,无管理设施。2009 年对该闸进行了安全鉴定,综合评定为四类闸。

3 建筑物型式比选

河道上常用的蓄水建筑物型式有水闸、橡胶坝、钢坝闸、水力翻板闸、液压升降坝、气盾闸等。其中液压升降坝是利用液压杆支承坝面板,通过液压控制升坝降坝,每块坝面板长6.0 m 左右,由两根液压杆支承,面板之间设止水,较宽的河道上需要坝面板数量较多,坝面板升降容易产生不同步的问题,且面板之间易漏水,可靠性差,景观性差,不宜在本工程使用。气盾闸是在充气橡胶坝袋上游侧设一道钢面板,通过坝袋的充排气体带动坝面板升降,气盾闸在溢流状态下易振动磨损坝袋,坝袋充气不均匀易导致坝面板之间不同步,稳定性差,景观效果差,不宜在本工程使用。水力翻板闸靠水力和闸门重量相互制衡,根据上游水位自动控制闸门的启闭,上游水位升高,闸门绕横轴转动泄流,泄流时易发生振动拍打现象,易产生翻板闸闸门底部疲劳破坏,容易受到上游漂浮物的撞击堵塞闸孔,汛期阻水严重,不宜在本工程采用。

根据以上分析,结合本工程的功能定位及特点,在着重考虑拦河建筑物的工程造价、运行条件、使用寿命等方面,本设计选取了橡胶坝、钢坝闸和闸三种建筑物型式进行方案比选。

3.1 方案比较

（1）方案Ⅰ：橡胶坝方案

橡胶坝在工程实际中应用广泛,具有工程投资小、结构形式简单、景观效果好、运行管理方便等特点。

1）方案优点

①构造简单,工程造价低。相对拦河闸,橡胶坝单跨可达100 多米,底板上仅设置一道充水坝袋,无需设置多个闸墩、机架桥等混凝土结构和安装闸门和启闭机等,结构简单,钢材、水泥、木材等用量显著减少,有利于节约投资。

②施工简单、工期短。相对于水闸、钢坝,底板上无其他混凝土等构筑物,施工工序少、简单；坝袋易于安装、时间短,坝袋安装需3 天～15 天,总工期3 月～5 月,相对于其他拦蓄建筑物可大大缩短施工工期,提早完工、提早运行、提早受益。

③景观效果好。坝型美观,坝体以上即为拦蓄水面,无其他人造构筑物,与周边河道生态环境相协调适应,且坝体过流形成瀑布,景观效果较好。

④坝袋抗震性能好。橡胶坝的坝体为柔性薄壳结构,富有弹抗冲击弹性35%左右,伸长率达600%,具有以柔克刚的性能,可以抵抗强大地震波和特大洪水的波浪冲击,故其抗震性能好。

⑤管理方便。可根据上游水量调节坝体高度以增减泄量,确保上游景观水位和下泄流量；洪水期坍坝放水,坝袋塌落紧贴河床,保持泄洪断面,畅泄洪水。

2）方案缺点

寿命短,坝袋易老化,一般15 年需要更换一次坝袋；受上游河道漂浮物影响,坝袋易破损。

（2）方案Ⅱ：闸方案

闸是河道上应用最为广泛、技术较为成熟的挡水建筑物,拦河闸需在底板上修建闸墩、机架桥、闸门等结构,通过启闭机控制闸门起闭高度实现拦蓄与泄水。

1）方案优点

混凝土结构和闸门耐久性高,铸铁或钢闸门不易受上游漂浮物影响而损坏。

2）方案缺点

①工程量大,一次性投资高。需要修建多个闸墩、机架桥,安装闸门、启闭机等,土建工程量大,投资高。

②施工复杂,工期长。相对于橡胶坝和钢坝,所需修建的混凝土等构筑物多,工期长。

③景观效果差。河道上修水闸,因水上有闸墩、机架桥等构筑物,与周边自然环境不协调,不自然,景观效果差。

④较宽河道上闸门数量较多,管理复杂。

（3）方案Ⅲ：钢坝方案

钢坝由带固定轴的钢制门叶作为挡水结构,利用驱动装置旋转门叶底部固定轴调节门叶挡水高度。

1）方案优点

①门体坚固、耐久性好。钢坝闸挡水结构为钢性金属门体,和钢闸门一样不易受上游漂浮物影响而损坏,耐久性好,寿命长。

②升降坝体快速,安全性高。钢坝由液压驱动装置推动坝体旋转,升坝、塌坝仅需2 min～3 min,遇到突发洪水时可及时塌坝泄洪,对于河道两岸生产生活安全性高。

③景观效果较好。跨度大相对壮观,运用灵活,可形成不同角度的瀑布效果,总体景观效果好,耐砂石磨损冲击,耐久性强。

2）方案缺点

投资较大,一次性投资较高。门体建造需要消耗大量钢材,运行管理技术要求较高,液压启闭机要定期的进行维修养护。

3.2 方案选定

根据上述方案比较,各方案优缺点对比见表1。

表1 方案比选表

根据上述对比分析,方案Ⅰ（橡胶坝）构造简单,施工工期短,景观效果好,管理方便,虽然塌坝速度慢,坝袋寿命短,但无论一次投资还是综合投资都是最节省的,经济优势明显。而方案Ⅱ（闸）一次性投资高,中墩数量较多,景观效果差,综合投资是橡胶坝的2 倍多。方案Ⅲ（钢坝）一次性投资最高,虽然景观效果最好,但综合投资是橡胶坝的近3 倍,且运行维护管理技术要求高。因此,综合考虑地方经济发展水平和实力,经比较后推荐采用方案Ⅰ（橡胶坝）。

4 橡胶坝工程设计

4.1 坝体参数拟定

1）坝体长度的确定。根据附近地形及河道子槽宽度,塌坝时应符合河道设计行洪要求,综合分析确定将坝体长度定为50.0 m。

2）坝体宽度的确定。橡胶坝底板顺水流方向的底板宽度按照坝袋坍平宽度以及安装和检修的要求确定。采用单向塌落：

式中：Ld为地板顺水流方向长度,m；l0为坝袋底垫片有效长度,m；l1、l2为上下游安装、检修通道,取1.5 m；l3为坝袋坍落贴地长度,m；L0为坝袋有效周长,m。

经计算,确定设计底板顺水流方向长度Ld=11.11 m,取11.50 m。

3）坝体高度的确定。设计橡胶坝上游河底高程55.30 m,正常蓄水位58.80 m,故确定坝底板高程55.80 m,坝顶高程58.80 m,坝高3.0 m。

4）橡胶坝边墩顶高程的确定。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）,黄楼橡胶坝工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3 级,临时建筑物级别为5 级,黄楼橡橡胶坝的设计防洪标准采用与河道防洪规划标准相匹配的原则,为20 年一遇,校核洪水标准取50 年一遇,洪峰流量采用1002 m3/s。

橡胶坝边墩顶高程应根据橡胶坝挡水和泄水两种运用情况确定。挡水时,边墩顶高程不应低于橡胶坝正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；泄水时,边墩顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应的安全超高之和。

坝前正常蓄水位58.80 m,最高挡水位58.80 m。由此,可计算出橡胶坝边墩顶高程,计算如下：

式中：R为波浪爬高,经计算为0.13 m；a为安全超高,m。

由表2 可知：边墩顶高程应不小于61.25 m,确定橡胶坝边墩顶高程为61.2 m。

表2 边墩顶高程计算表单位：m

表3 橡胶坝过流能力计算表

4.2 过流能力计算

根据水文计算分析,坝址处20 年一遇设计洪峰流量为781 m3/s,设计水位59.98 m。50 年一遇校核洪峰流量为1002 m3/s,校核水位60.75 m。

橡胶坝枯水季节充水升坝挡水,汛期则塌坝泄洪,按河道20 年一遇和50 年一遇洪水分析该工程对河道洪水的影响；根据《橡胶坝设计规范》附录A,塌坝后橡胶坝的过流能力,按宽顶堰过流公式计算：

式中：ε为侧收缩系数,取0.977；σ为淹没系数；m为流量系数,取0.345；B为橡胶坝过流断面净宽,B=50.0 m；h0为包括行进流速水头的堰上水头；Q为橡胶坝过流能力,m3/s。

综上,橡胶坝塌坝泄洪满足断面过流能力。

4.3 防渗排水设计

4.3.1 防渗布置

初步拟定坝基防渗长度计算公式：

式中：L为坝基防渗长度,m；ΔH为上、下游水位差；上游为正常蓄水位58.80 m,下游水位平消力池55.00 m,取ΔH=3.80 m；C为允许渗径系数值,根据坝基地质条件,查规范允许渗径系数值,取C=4。经计算,坝基防渗长度需15.20 m。

根据橡胶坝布置情况,坝基防渗长度为11.9 m,比计算所需防渗长度稍小,不能满足坝基防渗长度要求。在上游设置防渗铺盖,根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）铺盖长度可采用上、下游最大水位差3～5 倍,铺盖采用C25 钢筋混凝土结构,顺水流向长10.0 m,厚0.4 m。综上布置,防渗总长度为22.2 m,能够满足计算长度要求。

4.3.2 排水布置

下游消力池水平段梅花形设置φ50 塑料排水管,间距为1.5 m,排水管底部自上而下分别为150 mm 厚2 cm～4 cm 碎石层、250 g/m2土工布一层、100 mm 厚中粗砂层。

4.3.3 止水设计

铺盖、底板、消力池之间为防渗范围,水平分缝与垂直分缝处均设E651 型橡胶止水带,止水带采用热熔焊接连接,止水应严密可靠。

5 结论

结合枣庄市黄楼闸实际情况,选取橡胶坝、水闸方案、钢坝方案3 种方案进行比选分析,橡胶坝方案构造简单,施工工期短,景观效果好,管理方便,虽然塌坝速度慢,坝袋寿命短,但无论一次投资还是综合投资都是最节省的,经济优势明显。从坝体参数、过流能力、防渗排水3 个方面对橡胶坝设计,可为类似工程提供参考。