浅谈充水橡胶坝坝袋设计中需要注意的几个问题

摘 要：文章简要介绍橡胶坝设计坝袋计算工作流程及特点，着重提出了在设计过程中需要注意的问题，针对各个问题提出了作者的观点，供读者共同研究探讨。

关键词：橡胶坝；坝袋；设计；问题

1 设计工作背景

半支箭河橡胶坝蓄水工程位于新区（八家组团）东侧半支箭河上。赤峰市是内蒙古东部地区重要交通枢纽，是铁路、公路、航空运输的集散地。半支箭河橡胶坝蓄水工程已建有3座橡胶坝，坝址编号从下游至上游分别为BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ，橡胶坝间距依次为745米、500米。现拟建的BⅣ-Ⅳ橡胶坝工程位于第三道橡胶坝上游470米处，即半支箭河王府桥上游425米，巴林桥下游520米。半支箭河BⅠ-Ⅰ、BⅡ-Ⅱ、BⅢ-Ⅲ橡胶坝建设已分别于2005年、2006年完成，在上述工程实施的基础上，进行了半支箭河BⅣ-Ⅳ橡胶坝蓄水工程的设计。

2 橡胶坝坝袋设计基本内容

2.1 橡胶坝工程规模确定

根据《水利水电工程等级划分与防洪标准》（SL252-2000）及《水闸设计规范》（SL265-2001），橡胶坝段（发生100、50、20年洪水时橡胶坝必须坍坝泄洪）防洪标准为100年，100年一遇洪水过堰洪峰流量为1550m3/s。根据拦河闸工程分等指标，工程等别依据其过流流量确定，由于过闸流量在1000-5000m3/s，工程等别属Ⅱ等，大（2）型，主要建筑物级别为2级。

根据《橡胶坝技术规范》（条文说明）（SL-227-98）之1.0.3款，由于此橡胶坝位于中心城区，属重要工程，工程建筑物级别为3级。并根据《水闸设计规范》（SL265-2001）2.1.6款的规定，参考《新城区橡胶坝蓄水工程初步设计报告》中Ⅰ-Ⅰ橡胶坝工程等别的确定，确定半支箭河橡胶坝工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，临建为5级。橡胶坝洪水为20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核，临建洪水标准为5年一遇。

2.2 橡胶坝工程总体布置

主河槽为正常蓄水库区，坝区半支箭河段主河槽宽为76～77米。在橡胶坝上游回水区域内的右岸河道堤防护砌采用抗渗标号为W6的半缝混凝土板，左岸为膜袋砼。坝址以上设计河底比降4.5‰，为了防渗在坝前库底100厘米下铺设两布一膜土工膜（700g/m2）与半缝混凝土板胶结为一体，库底总防渗面积分别为4.26万平方米。考虑运行后土工膜有局部损坏渗漏时产生扬压力，可能使覆膜膨鼓，所以在坝区覆膜范围内每隔30米铺设一道铅丝石笼压膜带，压膜带高100厘米，宽70厘米。

橡胶坝设计坝高为3.0米，总坝长为76.8米，坝顶以下蓄水库容为8.14万立米，相应水面面积为5.64万平米。

橡胶坝为2孔，为充水型橡胶坝。孔口净宽均为38米，立坝蓄水时，坝顶允许最大溢流量为55.08m3/s。坝底板顺水流方向长度11米，墩宽0.8米，上游砼铺盖5米，下游消力池长为10米，消力池深0.6米，海漫顺水流方向水平段长6米，斜坡段长12米，防冲槽深1.0米，宽6米。

泵房及管理房建布置在橡胶坝右坝防洪堤外侧，总建筑面积184.45m2。泵房布置水源井一眼，管道泵2台，输排水管路及各控制盘柜、仪表。主变压器及各电气保护布置在泵房处的开关站内。

2.3 橡胶坝泄洪能力计算

坝袋充胀时，根据《橡胶坝技术规范》SL227-98，泄流能力计算公式如下：

Q-过坝流量，m3/s；

B-溢流断面的平均宽度，B=n×b；

n-孔数，n=2；

b-单跨净宽，b=38m；

h0-包括行近流速水头的堰顶水头，m；

m-流量系数；

σ-淹没系数，取值1.0；

ε-堰前侧收缩系数。

因坝袋为双锚固结构形式，橡胶坝运用中双锚固充水橡胶坝流量系数按以下公式计算：

m=0.1630+0.0913■+0.0951■+0.0037■

H0-坝袋内压水头，m；

H-运行时坝袋充胀的实际坝高，m；

h1-坝上游水深，m；

h2-坝下游水深，m。

在橡胶坝运用期泄流能力计算时，考虑了两种情况。一是考虑最高水头为0.3米时橡胶坝顶溢流能力，二是泄洪前橡胶坝逐渐坍落过程中橡胶坝顶溢流能力。参照已建类似工程经验，为防止橡胶坝堰上水头过高而引起坝体震动，确定橡胶坝运行时堰上最高水头为0.3米。橡胶坝逐渐坍落时，假定坝顶水头不变，坝袋逐渐降落20cm、40cm、60cm、80cm的流量计算，计算泄流成果见表1。

根据表1计算成果、坝区库容曲线及坍坝时间对坝区库水位、逐渐坍坝时泄量和坍坝时间关系进行计算。根据表1计算结果及橡胶坝运行状态时泄流能力计算公式对橡胶坝逐渐坍落时坝顶泄流能力进行修正，结果如表2。

2.4 橡胶坝坝袋设计

2.4.1 坝袋强度安全系数的确定

橡胶坝技术规范中要求强度安全系数K≥6。

坝袋是很薄的胶布制品，与钢筋混凝土结构相比，坚固性较差，容易被刺伤和磨损。橡胶坝位于赤峰市新城区内主要河段上，沿岸均为生活区，位置比较重要，应适当提高工程安全性，故本次设计选定坝袋强度安全系数为8。

2.4.2 坝袋强度计算

T=■γH12（2？琢-1）

式中：

T-坝袋径向拉力（t/m）；

γ-水的容重，γ=1.0 t/m3，（t/m3）；

H1-坝袋充胀高度（m）；

α-坝袋内外压比α=■；

H0-坝袋内压水头（m）。

根据《规范》，充水橡胶坝内外压比值选用1.3，坝袋充胀高度按设计高度，即H1=3.0米，H0=H1+0.90=3.90米，经计算，在设计坝高下坝袋单宽径向拉力为3.60t/m。

2.4.3 坝袋几何形状的计算

（1）坝袋设计参数

根据《橡胶坝技术规范》（SL227-98）附录B，坝袋各项设计参数采用查表法进行计算，根据α=1.3，查表B.2.2-1得成果如表3。

表3 橡胶坝坝袋设计参数值

（2）坝袋尺寸及容积计算

由表3所查参数值以及坝高值H1=3.0m，计算坝袋各部尺寸，计算结果如表4。

表4 坝袋环向各部尺寸及坝袋单宽容积

（3）坝袋坍落长度、坝袋有效周长、底垫片的有效长度

a.坝袋坍落后下游锚固点到坝袋未端的距离

b.坝袋有效周长（不包括锚固长度）

L0=S1+S=10.586m

c.底垫片有效长度（不包括锚固长度）

L0=n+X0=5.6358m

2.4.4 坝袋材料设计

（1）按坝袋最大计算拉力乘以安全系数来选择坝袋胶布，即

KT=8×3.6=28.8t/m，选择径向抗拉强力不小于28.8t/m的坝袋。

（2）坝袋胶布使用高强且与橡胶具有良好结合性能的锦纶帆布（锦纶网眼布）。锦纶帆布在涂胶前要求对白坯布进行化学药品浸渍处理，以加强胶料对织物的渗透和涂敷粘合体系。

（3）坝袋胶料主料采用耐老化、耐腐蚀、耐磨损、抗冻性及耐水性好的国产通用氯丁橡胶，彩色坝袋的贴合复合层主料采用氯磺化聚乙烯。

坝袋面层颜色：应具有持久性，彩色坝袋外覆盖胶采用复合型式，外敷彩色胶厚度为2.5毫米。

坝袋胶布的胶层厚度：外覆盖胶厚度2.5毫米，夹层胶0.5毫米，内覆盖胶2.0毫米。除上述胶层，表层另外加覆2.0毫米厚的纯氯丁橡胶片，以减少泥沙对坝袋的磨损。

3 橡胶坝设计中需要注意的几个问题

3.1 坝袋计算中各有关参数的选择

橡胶坝坝袋计算中需要用到一个很重要的参数，就是内压比，内压比的选择直接关系到坝袋计算的正确与否。内压比是指坝袋内压高度与坝袋设计高度之比。当坝高一定时，坝袋的外形尺寸受坝袋的内压高度的影响。当内压高度大时，坝袋有效周长短，土建工程量小，但袋壁拉力大，要求材料强度高；若内压高度小，坝袋有效周长则长，土建工程量大，但袋壁拉力小，要求材料强度低。因此，理论上讲，有一个是坝袋拉力和坝袋有效周长的乘积比较小的内压高度。怎样选择一个合适的内压比，是检验一个设计人员是否合格的重要指标。作者认为，从我国建成的数百座充水式橡胶坝工程设计指标中，内压比选用在1.1-2.0，但绝大多数是采用1.25-1.6。本次设计根据河道自然地理特征及实际条件，选择内压比为1.3，是比较合理并符合实情的。

3.2 有关充水橡胶坝袋材料的选择

作者认为，橡胶坝袋应满足下列构造要求：（1）在胶布加工条件许可的情况下，应尽量选用布幅较大的帆布。（2）坝袋胶布的帆布层数不宜超过三层。（3）坝袋胶布各层胶的厚度应满足：外覆盖胶厚大于2.5mm；夹层胶厚0.3-0.5mm；内覆盖胶厚大于2.0mm。（4）在有推移质的河道上，坝袋宜考虑缓冲垫层设计。（5）坝袋胶布应具有耐老化、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击、抗屈挠、耐水、耐寒等性能。

坝袋搭接处粘着强度应大于胶布本身强度。坝袋胶布布幅间的搭接强度应大于坝袋纬向设计强度。搭接方法应与胶布制做厂家商定，搭接强度须经试验验证，并应保证坝袋锚固安装有良好的止水效果。在坝体纵断面为矩形布置，且选用堵头结构时，可选用平搭接或无搭接坝袋。

4 结束语

以上是作者从事橡胶坝设计工作中的一点体会和心得，特在此提出以和读者共勉。充水式橡胶坝的设计结构复杂，计算内容繁多，由于篇幅所限作者仅列出了一部分的计算过程，实际计算中还有许多问题没有说明，希望以后能够和更多的读者一起来就橡胶坝计算的内容进行更多的交流讨论，也敬请读者对文中不妥之处批评指正。

参考文献

[1]橡胶坝设计与管理[M].中国水利水电出版社.

[2]SL27-98.橡胶坝技术规范[S].

作者简介：李辉，男，本科，学士学位，现就职于赤峰市水利规划设计研究院，中级工程师，主要从事水利工程的设计工作。

韩超，男，在职研究生学历，现就职于赤峰市水利规划设计研究院，中级工程师，现从事水利规划、设计工作。