王 波

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)哈爾濱市阿城區(qū)近期城市規(guī)劃要求及黑水發(fā)[2010]554號(hào)文件，在阿什河防洪堤之間修建橡膠壩工程，在右岸樁號(hào)6+200位置處，擋水高度2.5 m，以形成雍水水面，達(dá)到改善河流的自然景觀的目的，以滿足城區(qū)景觀要求，為打造濱水城市創(chuàng)造條件。前提是不影響原有河道行洪，即滿足50 a一遇洪水泄洪要求，為防止推移質(zhì)泥沙隨水流卷入壩袋底部從而增加壩袋的磨損，在坍壩行洪時(shí)，壩袋被泥沙覆蓋，管理維修困難，滿足行洪要求的前提下，通過流量計(jì)算選定橡膠壩底板頂高程135.80 m，分兩孔布置，每孔凈寬60 m，在橡膠壩左側(cè)布置沖砂閘，分3孔布置，每孔凈寬6.0 m。

2 橡膠壩工程總體布置

橡膠壩由進(jìn)口護(hù)砌段、混凝土鋪蓋段，壩袋控制段、消力池段、海漫段組成。

進(jìn)口護(hù)砌段長(zhǎng)度為8.0 m，底板頂高程為135.50 m，采用厚度為0.3 m的干砌石護(hù)砌，下設(shè)0.2 m碎石墊層及無紡布一層。

混凝土鋪蓋段長(zhǎng)8.0 m，底板頂高程為135.50 m，厚0.70 m，右側(cè)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)翼墻與右岸相連，懸臂式圓弧擋土墻，圓弧半徑為8.0 m，墻頂高程為140.30 m。

壩袋控制段由底板、中墩、邊墩及壩袋組成。壩袋控制段長(zhǎng)11.0 m，底板頂高程為135.80 m，厚1.2 m，總凈寬120 m，分2孔布置，每孔凈寬60 m，左邊墩利用沖砂閘右邊墩，右邊墩采用懸臂式擋土墻型式，中墩厚1.2 m，墩頂高程為140.3 m。

壩袋為彩色橡膠壩袋，分2段布置，每段長(zhǎng)60 m，壩袋有效周長(zhǎng)為8.4 m，底墊片有效長(zhǎng)度為4.05 m，沖水后壩袋頂高程為138.30 m，擋水高度2.5 m。

消力池凈寬度121.20 m，消力池總長(zhǎng)度為14.0 m，底板與邊墩采用分離式，左邊墻利用沖砂閘消力池右邊墻，右邊墻采用懸臂式擋土墻型式，采用綜合式消力池，池深為0.3 m，消力坎高為0.2 m，消力池底板頂高程為134.50 m，消力池下游接海漫。

海漫設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為25.0 m，前段10.0 m采用鋼筋石籠型式，厚度為0.3 m，下設(shè)0.2 m碎石墊層及0.2 m中粗砂墊層，后段采用厚度為0.3 m的干砌石護(hù)砌，下設(shè)0.2 m碎石墊層及0.2 m中粗砂墊層，海漫末端設(shè)深度為1.5 m的防沖槽，海漫下游與下游河道相接。

3 壩袋設(shè)計(jì)

壩袋按充脹介質(zhì)可分為充水式、充氣式。充水式橡膠壩在壩頂溢流時(shí)袋形比較穩(wěn)定，振動(dòng)小，過水均勻，對(duì)下游河床沖刷較小。由于氣體具有較大的壓縮性，充氣式橡膠壩在壩頂溢流時(shí)，會(huì)出現(xiàn)凹口現(xiàn)象，造成水流集中，對(duì)下游河道沖刷較強(qiáng)。在有冰凍的地區(qū)，充氣式橡膠壩內(nèi)的介質(zhì)沒有冰凍問題，但本工程冬季不運(yùn)行，故不存在此現(xiàn)象;充氣式橡膠壩氣密性要求高，充水橡膠壩這方面的要求相對(duì)較低，結(jié)合本工程的運(yùn)用要求和工作條件，采用充水枕式橡膠壩袋。

3.1 壩袋相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 壩袋經(jīng)向計(jì)算強(qiáng)度

式中:T為壩袋經(jīng)向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m;γ為水的容重，10 kN/m3;α為內(nèi)壓比，H0/H1，根據(jù)橡膠壩的其它參數(shù)，本著充分利用膠布強(qiáng)度，使壩袋有效周長(zhǎng)最短，并結(jié)合廠家實(shí)際參數(shù)比較和計(jì)算確定為1.40;H0為內(nèi)壓水頭，m;H1為設(shè)計(jì)壩高，m。

壩袋經(jīng)向計(jì)算強(qiáng)度T=28.13 kN/m，對(duì)堵頭式壩袋，其中段緯向強(qiáng)度值可按經(jīng)向強(qiáng)度計(jì)算值的0.5倍選取，即:14.07 kN/m。

3.1.2 壩袋外形尺寸的計(jì)算

進(jìn)行壩袋外形計(jì)算的目的是確定壩袋各部位的尺寸和壩袋單寬容積?？蓪⒊涿浐蟮膲未喞殖?個(gè)部分:S1，S，n，X0，計(jì)算公式如下:

采用雙錨線錨固壩袋的有效周長(zhǎng)(不包括錨固長(zhǎng)度)為:

采用雙錨線錨固的底墊片有效周長(zhǎng)(不包括錨固長(zhǎng)度)為:

表1 壩袋相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)成果表

3.1.3 壩袋橫斷面曲線坐標(biāo)計(jì)算上游壩面曲線段坐標(biāo):

下游壩面曲線段坐標(biāo):

壩袋橫斷面曲線坐標(biāo)計(jì)算成果見表2。

表2 壩袋橫斷面曲線坐標(biāo)計(jì)算成果表 m

壩袋橫斷面圖見圖1。

圖1 壩袋橫斷面圖

3.2 橡膠壩壩袋展開圖設(shè)計(jì)

1)堵頭展開圖，根據(jù)壩袋橫斷面曲線坐標(biāo)計(jì)算成果表繪制出壩袋橫斷面外形，然后在其周邊再加上黏接寬度a和錨固長(zhǎng)度a1即可。確定a為0.2 m，a1為0.45 m。

2)壩體展開圖，壩袋展開圖為一矩形，如圖2。

A=60+2×a=60+2×0.2=60.4 m

B=S+S1+2×a1=4.11+4.3+2×0.45=9.31 m

圖2 橡膠壩壩袋展開圖

3)底墊片展開圖，底墊片展開圖的形狀與壩袋的相近。

3.3 錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橡膠壩的錨固結(jié)構(gòu)型式按所采用的錨固構(gòu)件材料不同，可分為螺栓壓板錨固、楔塊擠壓式錨固和膠囊充水式錨固3種。

螺栓壓板錨固的錨固力可控，安裝止水效果好，但螺栓壓板錨固的造價(jià)較楔塊錨固要高些，但螺栓壓板式的錨固安裝方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低，將來易于拆缷檢修，錨固構(gòu)件的重復(fù)利用率高，此種型式是我國(guó)自橡膠壩建設(shè)之初采用的，是應(yīng)用最廣的一種壩袋錨固型式。

楔塊擠壓式錨固造價(jià)較螺栓壓板錨固式的低，施工安裝時(shí)的錨固力較難控制，楔塊易受夯擊損毀，維修拆缷不便，楔塊重復(fù)利用率較低，錨固的密封性較差。

膠囊充水式錨固是先建造一個(gè)橢圓形的錨固槽，再制作一條與錨固槽形狀相似的封閉膠囊，將壩袋膠布、底墊片和膠囊共同置于錨固槽內(nèi)，給膠囊充水使壩袋膠布受到擠壓，靠此擠壓使壩袋膠布和錨固槽之間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗壩袋的拉力，此種方法須保持膠囊內(nèi)壓持續(xù)穩(wěn)定，管理較麻煩，且受北方寒冷天氣影響較大。

綜上所述，考慮到第1種型式錨固安裝方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低，將來易于拆缷檢修，錨固構(gòu)件的重復(fù)利用率高，且此錨固在大多生產(chǎn)廠家已成批的制造，故本次采用螺栓壓板錨固型式。

下游側(cè)臨界狀態(tài)下所需錨固力Pd按下式計(jì)算:

式中:μ1為底墊片和底板(或鋼墊板)間的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù);μ1為壩袋(或補(bǔ)強(qiáng)膠布)和壓板間的靜滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

上游側(cè)臨界狀態(tài)下所需錨固力Pu按下式計(jì)算:

錨栓直徑d的計(jì)算:

式中:P為錨栓在臨界狀態(tài)下所需錨固力，kN;K1為綜合安全系數(shù)，取3～4;n為1 m的錨線上布置n個(gè)錨栓;T為每根螺栓承受的荷載，kN;[σ]為錨栓允許拉應(yīng)力，kN/cm2;Aj為每根錨栓所承需抗拉凈截面積，cm2;d為錨栓外徑，cm。根據(jù)上述計(jì)算值選取螺栓規(guī)格為M24。

表3 錨固螺栓計(jì)算成果表

螺栓長(zhǎng)度由埋設(shè)在混凝土內(nèi)錨固長(zhǎng)度和混凝土表面外兩部分組成。

混凝土表面外的長(zhǎng)度考慮安裝時(shí)底墊片、止水海綿，壩袋、抗磨片、墊平片及螺母預(yù)留長(zhǎng)度，另外在擰緊螺母后還需預(yù)留至少2～3個(gè)牙紋的長(zhǎng)度，結(jié)合實(shí)際工程及部分廠家材料，確定設(shè)計(jì)值為90 mm。

埋設(shè)在混凝土內(nèi)錨固長(zhǎng)度的確定，可按下式計(jì)算:

式中:Ld為錨栓埋深;P為錨栓的工作拉力;X為系數(shù)，對(duì)于埋入混凝土中的錨頭，X=0.65，若錨頭超出表面鋼筋以外，X=0.85;R為混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度;Ad為錨頭面積。

通過計(jì)算，其計(jì)算值很小，Ld=33 mm，根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》SL227-98中規(guī)定:對(duì)于光面鋼筋錨固長(zhǎng)度，當(dāng)其直徑d＞16 mm時(shí)，錨固長(zhǎng)至少為20 d，考慮到錨栓的要求，其彎鉤則為6.25 d，經(jīng)計(jì)算為630 mm，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加長(zhǎng)確定 Ld=710 mm，螺栓長(zhǎng)度合計(jì)總長(zhǎng)為800 mm。

3.4 充排水泵選型設(shè)計(jì)

3.4.1 水泵流量

計(jì)算公式為:

式中:Q為計(jì)算的水泵所需最小流量，m3/h;V為壩袋流水容積，m3;n為水泵臺(tái)數(shù)，兩用一備;t為充壩或坍壩所要求的最短時(shí)間，h，由于本工程位于行洪河道上，充排時(shí)間盡量短些，結(jié)合實(shí)際確定為1.5 h。經(jīng)計(jì)算Q=388.24 m3/h。

3.4.2 水泵揚(yáng)程計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中:H0為水泵所需的揚(yáng)程，m;α為壩袋內(nèi)外壓比賽;H1為壩高，m;Z0為出水口(壩底板)高程，m;Zd為井內(nèi)動(dòng)水位或水泵吸水管最低水位，m;Σhf、Σhj分別為水泵吸水管進(jìn)口至伸入壩袋內(nèi)的充水口之間的管道沿程和局部水頭損失，m。

經(jīng)過計(jì)算水泵揚(yáng)程為9.16 m，結(jié)合廠家材料，選擇水泵型號(hào)為:ISW300-235B，流量600 m3/h，揚(yáng)程12.5 m，功率37 kW。

4 結(jié)論

橡膠壩是低水頭擋水建筑物，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省三材，造價(jià)低，工期短，管理方便，運(yùn)行費(fèi)用低，跨度大，地形適應(yīng)性強(qiáng)，不妨礙河道行洪，充放自如的優(yōu)點(diǎn)，而且橡膠壩建成后，相當(dāng)于一座小水庫(kù)，其濕地效應(yīng)將較為明顯，可提高堤周邊地下水位，在一定程度增加了空氣濕度以凈化空氣，相對(duì)改善當(dāng)?shù)貧夂蛸|(zhì)量。但橡膠壩設(shè)計(jì)中壩袋設(shè)計(jì)及其重要，本文以實(shí)例進(jìn)行了壩袋設(shè)計(jì)及計(jì)算，供同仁設(shè)計(jì)參考使用。

[1] 高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南[M].北京.中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.SL227-98橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].北京.中國(guó)水利水電出版社，1998.

[3] 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.哈爾濱阿城區(qū)阿什河景觀工程初步設(shè)計(jì)[R].哈爾濱.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.