張淏韋

摘 要：軟水性織物壩是一種隨著高分子合成纖維和橡膠工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型低水頭建筑物。它用高強(qiáng)力合成纖維織物做受力骨架，內(nèi)外涂敷橡膠為保護(hù)層，制成織物布?jí)未?，并按要求的尺寸錨固于底板上成封閉狀，通過(guò)沖排管路用水（氣）將其充脹形成的袋式擋水壩，壩頂可以溢流，并可根據(jù)需要升高或降低壩高，已達(dá)到控制水位的目的，已被廣泛應(yīng)用于防洪、灌溉、發(fā)電、供水、航運(yùn)、擋潮等工程中。

文章總體介紹了軟水性織物壩的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展概況，通過(guò)列舉世界范圍內(nèi)工程的案例，詳細(xì)描述了其基本工作原理、分類依據(jù)、水力結(jié)構(gòu)計(jì)算等，以及在織物壩與攔河閘工程方案對(duì)比中，論證了軟水性織物壩在水利工程中應(yīng)用的可行性及優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：軟水性織物壩;攔河閘;錨固;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展概況

引 言

軟水性織物壩是自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種新型水利工程。壩袋用的膠布是由高強(qiáng)力合成纖維織物等做受力骨架，內(nèi)外涂敷合成橡膠作粘結(jié)保護(hù)層加工制成的，它代替了自古以來(lái)建設(shè)壩體的土，石，木，鋼等材料，屬于水利工程中的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。根據(jù)壩袋所采用材料的性質(zhì)和本身特性，軟水性織物壩在國(guó)外稱可充塌壩，可伸縮壩，織物壩，尼龍壩等，在我國(guó)習(xí)慣上稱軟水性織物壩，橡膠壩。

自1957年世界上首座軟水性織物壩在美國(guó)誕生至今約半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外得到了更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

我國(guó)自20世紀(jì)60年代開始組織跨行業(yè)技術(shù)攻關(guān)，1966年建成第一座軟水性織物壩。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐，我國(guó)軟水性織物壩在規(guī)劃設(shè)計(jì)，壩袋制造，施工安裝及運(yùn)行管理等方面積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，逐步形成了自己獨(dú)有的特色，并達(dá)到世界先進(jìn)水平。

文章的結(jié)構(gòu)主要分為七個(gè)部分，第一二部分，描述了國(guó)內(nèi)外軟水性織物壩發(fā)展概況，第三部分概括了軟水性織物壩在世界范圍內(nèi)的布局，第四部分闡述了軟水性織物壩的分類依據(jù)，第五部分講解了軟水性織物壩建設(shè)的基本條件，第六部分進(jìn)行了軟水性織物壩計(jì)算方法研究，第七部分通過(guò)織物壩與攔河閘建設(shè)方案對(duì)比，展示了軟水性織物壩工程的優(yōu)缺點(diǎn)。

一、國(guó)外軟水性織物壩概況

1.軟水性織物壩是20世紀(jì)60年代，隨著高分子合成材料工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的水工工程。世界上首座軟水性織物壩誕生于美國(guó)洛杉磯河道上，它的設(shè)計(jì)師是當(dāng)時(shí)擔(dān)任美國(guó)加利福尼亞州水利電力局的工程師——努曼·伊姆伯遜（Norman Imberson），他設(shè)計(jì)并制造了可重復(fù)使用的彈性橡膠材料，并于1957年在美國(guó)洛杉磯河上投入使用（見圖1）。壩高為1.52 m，長(zhǎng)為6.1m，膠布厚為3 mm，膠布強(qiáng)度為90 kN / m，壩袋由火石輪胎橡膠公司生產(chǎn)，并在壩內(nèi)安裝了水泵，壩體升高到設(shè)計(jì)高度僅需要25分鐘，并且壩高可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，這一舉措使得洛杉磯河上游水位升高了40m，極大的緩解了該地區(qū)水資源供應(yīng)短缺的矛盾。

2.日本是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，由于軟水性織物壩對(duì)振動(dòng)和地面沉降的敏感性較低，因此軟水性織物壩在日本廣泛建造。目前世界各國(guó)興建軟水性織物壩的總數(shù)量約為3000座，但日本一國(guó)，據(jù)稱已達(dá)2000多座。例如在日本黑谷河上的福島充氣軟水性織物壩（見圖2），壩高6.00m，壩長(zhǎng)34.5m，單跨。1968年，日本住友工業(yè)制造商改良了軟水性織物壩技術(shù)，外殼材料使用更穩(wěn)定的乙烯-丙烯-二烯單體（EPDM），極大的緩解了水流過(guò)壩帶來(lái)的振動(dòng)。1978年日本在國(guó)際市場(chǎng)上正式推出了第一批充氣式軟水性織物壩，其中一座充氣式織物壩安裝在中國(guó)香港（壩長(zhǎng)32m，高2.70m），目前運(yùn)行良好。1983年，日本制定了《軟水性織物壩規(guī)劃技術(shù)指南》，并在壩袋減振等方面進(jìn)行了許多創(chuàng)新，例如導(dǎo)流板，挑流鰓，雙層鋼絲網(wǎng)壩袋，以增加彈性，減輕壩袋振動(dòng)，從而減少對(duì)壩袋造成的損壞。

3.1967年，前蘇聯(lián)在克基爾亞（Китерна）河上建成第一座軟水性織物壩，壩高2m，壩長(zhǎng)15m。灌溉期運(yùn)行，冬季拆除。1970年在羅斯托夫州白河上建成一座壩高2m，壩長(zhǎng)24m，且具有特色的軟水性織物壩（見圖1—3）。其上游鋪蓋和下游海漫也采用膠布作防滲防沖材料，并在下游消力池附近修建了一座尺寸較小的軟水性織物壩聯(lián)合運(yùn)用。前蘇聯(lián)還對(duì)用橡膠織物材料做渠道和渡槽進(jìn)行了研究，并總結(jié)編寫了《水工建設(shè)中的軟水性壩體結(jié)構(gòu)》一書。書中系統(tǒng)介紹了各國(guó)軟水性織物壩技術(shù)發(fā)展概況，設(shè)計(jì)原理和壩袋制造工藝等方面的經(jīng)驗(yàn)，并研究提出了90種壩袋的結(jié)構(gòu)型式，可供借鑒。

在水利工程發(fā)展與融合過(guò)程中，美國(guó)，日本，俄羅斯等國(guó)家不斷地對(duì)軟水性織物壩進(jìn)行試驗(yàn)研究，正式由于各國(guó)的高度重視，使得軟水性織物壩技術(shù)在世界范圍內(nèi)廣泛傳播。

二、我國(guó)軟水性織物壩概況

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，軟水性織物壩在我國(guó)推廣應(yīng)用的曲折經(jīng)歷，是一個(gè)不斷解決工程中一系列技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題的逐步發(fā)展過(guò)程，我國(guó)軟水性織物壩的發(fā)展進(jìn)程，按年代大體可分為4個(gè)階段：第一階段（1965-1970年），研究試驗(yàn)階段。第二階段（1970-1979年），總結(jié)完善階段。第三階段（1979-1992年），穩(wěn)步發(fā)展階段。第四階段（1992年至今），快速發(fā)展階段。

1. 1966年，中國(guó)建立第一座軟水性織物壩，名為北京織物壩（見圖4），位于北京南護(hù)城河上，是城市工業(yè)用水和分洪的節(jié)制閘，設(shè)計(jì)壩高為3.4 m，壩頂長(zhǎng)為37 m，壩底長(zhǎng)為24 m，河道邊坡為1：2，錨固型式為螺栓錨固，充水水源分兩種，一是取河水，二是取井水，采用水泵充排壩袋。原壩袋運(yùn)用21年后，于1987年更換壩袋，同時(shí)將原來(lái)的單錯(cuò)固改為雙錨固。

2. 1997年，小埠東軟水性織物壩樞紐工程在臨沂沂河上建成（見圖5），沂河河道總長(zhǎng)333km，河道寬度約1200m，控制流域面積11820平方公里，上游山洪河道，山高坡陡，比降大，洪水峰高量大，水土流失嚴(yán)重，下游水流平緩，泥沙淤積河床。小埠東軟水性織物壩現(xiàn)為世界上最大的軟水性織物壩，壩頂高程65.5米，壩底高程62.0米，設(shè)計(jì)壩高3.5米，正常蓄水位65.2米，設(shè)計(jì)洪水位65.5米，軟水性織物壩采用16節(jié)，單節(jié)凈長(zhǎng)70.0米，總凈寬1120米，每?jī)晒?jié)壩袋之間設(shè)置鋼筋混凝土隔離墩，墩厚1.0米，底寬9米;底板澆筑采用C10鋼筋混凝土，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)13米，厚0.5米;上游連接段采用C10鋼筋混凝土，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)12米，厚0.4米;下游連接段由一級(jí)消力池，平臺(tái)段，斜坡段，二級(jí)消力池及防沖槽組成。一級(jí)消力池斜坡段長(zhǎng)6.4米，坡度1：4，水平長(zhǎng)9米，池深1.1米，池底高程60.3米，二級(jí)消力池長(zhǎng)16米，池底高程56.5米，后接防沖槽，軟水性織物壩設(shè)計(jì)內(nèi)壓比為1.3，壩袋采用三布四膠。小埠東軟水性織物壩樞紐工程最大庫(kù)容量約2830萬(wàn)平方米。永久性建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。設(shè)計(jì)流量16000立方米每秒;100年一遇校核，校核流量19000立方米每秒。

國(guó)家的高度重視不僅為我國(guó)的軟水性織物壩事業(yè)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，更為軟水性織物壩工程的快速發(fā)展奠定了制度保障。目前在我國(guó)各種河流上大約有3，000座軟水性織物壩，并以每年平均建設(shè)100座的速度擴(kuò)展，中國(guó)建設(shè)軟水性織物壩的質(zhì)量與速度均已達(dá)到世界領(lǐng)先行列。

三、軟水性織物壩在世界范圍內(nèi)的布局

1.迄今為止，自在洛杉磯河建造第一座軟水性織物壩以來(lái)，全世界已建造了超過(guò)3000座軟水性織物壩（見圖6）。其中大部分坐落在亞洲，89.4%的軟水性織物壩使用空氣，10.4%的軟水性織物壩使用水，空氣和水混合的軟水性織物壩占比0.2%。

圖 6.1956 至 2002 年，世界范圍內(nèi)軟水性織物壩的布局圖

2.英國(guó)迪爾霍夫（Dyrhoff）在1970年創(chuàng)建了軟水性織物壩分布圖，如圖7所示。

四、軟水性織物壩的分類概況

軟水性織物壩的特征是通過(guò)壩袋和安裝結(jié)構(gòu)傳遞水平荷載，并且具有混凝土底板的寬度大，壩體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，彈性柔韌性好等特點(diǎn)，并且對(duì)水流振動(dòng)不敏感。軟水性織物壩和鋼制閘門之間的區(qū)別在于，軟水性織物壩袋具有彈性，因此會(huì)隨時(shí)間長(zhǎng)短導(dǎo)致變形和彎曲。關(guān)于壩體幾何形狀，填充介質(zhì)，錨固型式，以及應(yīng)用領(lǐng)域，軟水性織物壩的分類如下：

1.幾何形狀：膜式和組合式是軟水性織物壩最常見的幾何形狀，通?？梢苑譃榇怪保瑑A斜和橢圓形。在現(xiàn)有的軟水性織物壩系統(tǒng)中，邊界的結(jié)構(gòu)條件通常決定了壩體幾何形狀。其結(jié)構(gòu)型式如圖8，9所示。

2.填充介質(zhì)：軟水性織物壩是軟水性水工建筑物，其中軟水性織物壩袋與混凝土底板相連接，從而形成密閉的壩袋?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力將壩袋填充并調(diào)節(jié)到一定高度。通常水或空氣被用作填充介質(zhì)，但還有一些軟水性織物壩使用水和空氣的混合填充。不同的填充介質(zhì)決定了壩體的不同特性。例如，充水式軟水性織物壩壩體更穩(wěn)定，充氣式軟水性織物壩可以快速升高或降低高度以調(diào)節(jié)水位，水與氣混合式軟水性織物壩即穩(wěn)定又可以快速調(diào)節(jié)水位，但密封性較差。其結(jié)構(gòu)型式如圖10，11，12所示。

А —水，В — 氣，1 —壩袋，2 —錨固，3 —抓鎖。

3.錨固型式：錨固的布置可分為單錨固和雙錨固兩種。單錨固是將壩袋膠布安裝錨固在基礎(chǔ)底板上，只有底板上游一條錨固線，通常僅用于充氣式織物壩;雙錨固是兩條錨固線將壩袋膠布分別錨固于四周，通常用于充水式織物壩。單錨固的優(yōu)點(diǎn)是：錨固件少，安裝簡(jiǎn)便，密封和防漏性能好。缺點(diǎn)是：壩袋可移動(dòng)范圍大，不利于壩袋防震。雙錨固的優(yōu)點(diǎn)是：成本低，壩袋可移動(dòng)范圍小，有利于壩袋防振。缺點(diǎn)是：錨固件多，工程量大，密封性差。其結(jié)構(gòu)型式如圖13，14所示。

4.應(yīng)用領(lǐng)域：軟水性織物壩作為永久性水工建筑物最常應(yīng)用于生產(chǎn)電能，供水，防洪，灌溉等方面，用于河道上作為低水頭，大跨度的滾水壩或溢流堰;也可以用于渠系上作為進(jìn)水閘，分水閘，節(jié)制閘，能夠方便地蓄水和調(diào)節(jié)水位和流量。還可以作為臨時(shí)水工建筑物存在于河流上，用于沿海岸作防浪堤或擋潮閘。隨著軟水性織物壩在世界范圍內(nèi)廣泛建設(shè)，同時(shí)帶動(dòng)了軟水性織物壩的附屬產(chǎn)品橡膠織物材料的快速發(fā)展，為適應(yīng)在不同條件下應(yīng)用橡膠織物材料，各國(guó)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，如壩袋膠布的膠料配方研究，帆布試制，壩袋抗波浪技術(shù)研究等等，所有這些試驗(yàn)研究為在不同條件下應(yīng)用橡膠織物材料提供了可靠的保證，目前橡膠織物材料已經(jīng)滿足了：抗拉伸;彈性強(qiáng)度高;耐高溫;抵抗沉積物顆粒侵蝕;適應(yīng)各種氣候等條件的發(fā)展要求。下圖15，16，為橡膠織物材料應(yīng)用實(shí)例。

五、軟水性織物壩建設(shè)的基本條件

（一）工程建設(shè)的必要性

在20世紀(jì)中期，在水工建筑物中最常見的是土石壩，混凝土重力壩，鋼閘門等傳統(tǒng)形式的閘壩，它們的使用壽命長(zhǎng)達(dá)70年，但平均15至20年需要維護(hù)保養(yǎng)。隨著水利事業(yè)的不斷發(fā)展，人們不僅在節(jié)省投資，操作和維護(hù)費(fèi)用研究外，開始更多的考慮水利樞紐與環(huán)境相適應(yīng)。因此軟水性織物壩不論在發(fā)達(dá)國(guó)家，還是在發(fā)展中國(guó)家都具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和廣泛的適用性，與傳統(tǒng)形式的閘壩相比軟水性織物壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用自然，又不破壞自然，這一特點(diǎn)也利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。目前，在世范圍內(nèi)軟水性織物壩以每年近3000座的速度增長(zhǎng)，不僅僅是軟水性織物壩比傳統(tǒng)形式的閘壩在經(jīng)濟(jì)更為節(jié)省，我覺(jué)得更是以下幾點(diǎn)：

1.工程投資省，效益高，對(duì)地形具有較高的適應(yīng)性和應(yīng)用范圍廣泛。并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作靈活，可用于地質(zhì)條件困難，徑流量大的河流。以及它自重輕，不阻水，并且耐地震和沖擊，不會(huì)對(duì)水體，環(huán)境造成破壞。

2.符合城市總體規(guī)劃的要求。隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，城區(qū)地下水超采嚴(yán)重，易在市區(qū)形成漏斗區(qū)，大都呈橢圓形分布，通過(guò)建設(shè)軟水性織物壩工程對(duì)城區(qū)段地下水快速回灌補(bǔ)源，避免地面沉降帶來(lái)的次生災(zāi)害，并增加了地表水的利用量，有效緩解了城水資源供需矛盾。

3.施工期短，可做到當(dāng)年施工當(dāng)年受益，當(dāng)特大洪水來(lái)臨時(shí)，可以迅速進(jìn)行塌壩泄洪，安全度汛保障壩體安全。

（二）工程布置原則

隨著科技水平的提高，軟水性織物壩技術(shù)將日臻完善，其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)。根據(jù)世界軟水性織物壩的發(fā)展以及在中國(guó)應(yīng)用30多年的具體實(shí)踐表明，閘壩址選擇應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)和功能，考慮地形、地質(zhì)、水流、泥沙、施工、管理等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定，因此我認(rèn)為軟水性織物壩壩址選擇所遵循的原則如下：

1.閘軸線應(yīng)與河道中心線垂直，滿河道布置，少壅水;擋水高度不淹沒(méi)灘地。

2.軟水性織物壩工程長(zhǎng)度根據(jù)主河槽寬度確定，避免減少河槽行洪斷面;壩高根據(jù)蓄水位確定，蓄水位一般低于兩岸灘地不小于0.5m，不影響兩岸排澇;根據(jù)當(dāng)前壩袋生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)范要求，壩袋高度要小于5.0m;壩底板高程一般高于河床高程0.2～0.4m;軟水性織物壩孔數(shù)根據(jù)河道寬度確定。

3.壩址處河道順直，地面坡降比低，河床、河勢(shì)穩(wěn)定，水流平穩(wěn)，地質(zhì)地形條件良好。

4.軟水性織物壩適用于溫帶季風(fēng)區(qū)、半濕潤(rùn)氣候，光照充足，氣候溫和，雨量集中等地區(qū)。

5.壩址距離交叉河口較遠(yuǎn)處，與橋梁的距離不宜太近，間距大于100m。

6.樞紐布置應(yīng)使工程投資最省，效益高，不影響其他建筑物安全。

六、軟水性織物壩計(jì)算方法研究

（一）在正常運(yùn)行狀況下的結(jié)構(gòu)分析

1.軟水性織物壩壩袋是由氣密性聚合物涂層或合成增強(qiáng)膜的軟性材料構(gòu)成，通過(guò)快速吸收釋放拉應(yīng)力來(lái)維持自身良好的彈性。由軟性材料制成的水工建筑物的形狀和設(shè)計(jì)可分為以下主要類型：

（1）.填充式——具有罐狀封閉式圓柱外殼，工作原理為，由氣體（空氣）或液體（水）的壩袋和混凝土底板復(fù)合擠壓產(chǎn)生壓力。

（2）.幾何式——具有垂直，傾斜和橢圓形外殼。工作原理為，由鋼板、軟水性織物壩袋和混凝土底板，三者共同相互作用，進(jìn)行阻水。

2.軟性結(jié)構(gòu)與硬性結(jié)構(gòu)不同，硬性結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下可以分開計(jì)算外力和內(nèi)力，而在水利工程軟性結(jié)構(gòu)中，壩袋的形狀和尺寸與外力的大小有關(guān)。因此在計(jì)算軟性水工結(jié)構(gòu)中，首先切割幾何形狀，通常劃分為圓與橢圓，再分別計(jì)算殼體中產(chǎn)生的內(nèi)力與載荷類型。但由于在大多數(shù)情況下，軟性結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度較大，它的長(zhǎng)度是其高度的幾倍，因此我們可以假定它們是在正常運(yùn)用時(shí)期狀態(tài)下工作，根據(jù)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和在安全度汛的條件來(lái)計(jì)算壩袋輪廓長(zhǎng)度和厚度。

3.軟性水力結(jié)構(gòu)的計(jì)算是根據(jù)謝爾蓋夫教授（Б.И.Сергеевым）和伏洛素教授（В.А. Волосухиным）提出的方法進(jìn)行研究的。

對(duì)于靜水壓作用下的第i個(gè)截面，通常用計(jì)算公式為a≥0和a≤0時(shí)f（y）的函數(shù)計(jì)算。