瀑河橡膠壩工程的設(shè)計要點

黃 晶，程 珺

（河北省承德市水利水電勘測設(shè)計所，067000，承德）

橡膠壩是20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)的一種新型攔蓄水建筑物，由于橡膠壩結(jié)構(gòu)新穎，造價低，施工安裝時間短，管理運行簡便等優(yōu)點，在我國得到廣泛推廣運用。近些年我國已建成各類橡膠壩千余座，這些橡膠壩在防洪、灌溉、供水、擋潮、旅游等方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。

承德市寬城滿族自治縣瀑河縣城段共規(guī)劃橡膠壩5道，由2002年始建，至2009年全部竣工并投入使用，經(jīng)過檢驗運行狀態(tài)良好。在縣城段瀑河河道上形成帶狀梯級水面，提升了縣城的形象，美化了縣城環(huán)境，增加了沿河周邊土地的利用率，并促進了寬城滿族自治縣的經(jīng)濟發(fā)展。

一、河流概況

瀑河是灤河一級支流，發(fā)源于平泉縣南村子分水嶺，穿經(jīng)平泉、寬城兩縣，并在寬城縣匯入潘家口水庫，流域總面積1 990 km2，河道總長度147 km，平均坡降7.87‰。

寬城滿族自治縣屬于暖溫帶半濕潤、半干旱的大陸性季風(fēng)型燕山山地氣候。多年平均氣溫8.6℃，多年平均降水量662.2 mm，降雨主要集中在汛期6～9月份，占全年降水總量的70%～80%，其中主汛期7、8兩月降雨量約占全年降水量的60%。受中小尺度天氣系統(tǒng)影響，汛期7、8兩月經(jīng)常出現(xiàn)歷時短、強度大、籠罩面積小的局部暴雨。

瀑河流域地處燕山迎風(fēng)區(qū)，洪水特點是年內(nèi)分配不均勻，年際間變化懸殊。由于流域比降較大，降水集中，一次洪水過程持續(xù)時間也較短，一般歷時為3～5天左右。受氣象條件影響，洪水年際間變化十分懸殊，據(jù)實測資料統(tǒng)計，1962年最大洪峰流量4 260 m3/s，而1981年最小洪峰流量僅8.08 m3/s，二者相差近530倍。

瀑河寬城滿族自治縣縣城段設(shè)計洪水主要根據(jù)水文站實測資料情況，橡膠壩壩址處1956—1975年洪峰流量系列采用大桑園水文站觀測資料利用面積比法求得：

式中，Q設(shè)為橡膠壩洪峰流量(m3/s)；Q參為大桑園水文站洪峰流量(m3/s)；F參為大桑園水文站控制流域面積1 860 km2；F設(shè)為橡膠壩控制流域面積1 661 km2；n 為指數(shù)，取 n=0.65。

利用實測系列和經(jīng)考證的歷史洪水資料按P—Ⅲ型曲線進行頻率分析，得出設(shè)計洪水成果。

利用海、灤河流域已經(jīng)通過審查的桃林口、潘家口、陡河等20多座水庫的洪峰流量成果，點繪迎風(fēng)區(qū)千年一遇洪峰流量—流域面積關(guān)系圖，本次計算寬城站洪峰流量模數(shù)在趨勢線附近，符合海、灤河流域的一般規(guī)律，因此洪水分析成果具有合理性。

二、工程設(shè)計

1.工程等級及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

橡膠壩工程是寬城滿族自治縣城區(qū)一項集游樂、美化縣城風(fēng)景、改善生態(tài)與環(huán)境為一體的社會公益性工程，可攔蓄上游河道徑流，形成人工湖區(qū)，美化縣城風(fēng)景，同時抬高地下水位，改善生態(tài)與環(huán)境，社會效益顯著。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）， 將該樞紐工程定為四等工程，橡膠壩、泵房等主要建筑物為4級建筑物。

根據(jù)防洪規(guī)劃，瀑河寬城滿族自治縣縣城段河道現(xiàn)狀治理防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，因此橡膠壩設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)也確定為30年一遇，相應(yīng)洪水流量2 860 m3/s。

2.工程布置

樞紐工程根據(jù)防洪要求及壩址地形、地質(zhì)等綜合考慮布置，主要包括橡膠壩工程、泵房和充排水系統(tǒng)等。

橡膠壩沿軸線方向分為三段，壩袋總長174 m，按深、淺槽布置，底板順?biāo)鞣较蜷L度均為11.5 m，深槽壩段長58 m，設(shè)計壩高4.0 m；兩側(cè)淺槽段壩長均為58 m，設(shè)計壩高3.0 m。深、淺槽之間的混凝土分隔墩厚0.8 m，長度同底板。橡膠壩段底板上游設(shè)長20 m的混凝土鋪蓋，厚30 cm。底板下游接長8 m的混凝土護坦，厚60 cm；為削減壩基滲透壓力護坦上φ5 cm的排水孔3排，孔、排距均為1.5 m，梅花形布置，下設(shè)反濾層。護坦末端下部接防沖墻，墻底高程嵌入基巖0.5 m；防沖墻采用混凝土灌注樁，樁徑80 cm，孔距70 cm，墻頂與混凝土護坦連為一體。邊墩采用懸臂式擋土墻形式，頂寬80 cm，上游、下游邊墻均為重力式混凝土擋土墻，墻頂寬0.5 m。為避免橡膠壩袋兩端與墩墻（中墩及邊墻）結(jié)合部位出現(xiàn)坍肩現(xiàn)象，引起局部溢流，影響橡膠壩的正常運行，將中墩和邊墩端部1.2 m寬底板采用1∶10邊坡抬高12 cm以消除坍肩影響；橡膠壩袋堵頭與墩墻接觸部位用1∶2水泥砂漿或細(xì)石混凝土抹平壓光。底板、鋪蓋和護坦分縫間距為3.8～11.0 m，縫間采用651型橡膠止水，縫內(nèi)填塞聚乙烯閉孔泡沫板。

3.水力計算

（1）泄流計算

橡膠壩坍壩行洪能力根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》按寬頂堰計算，并根據(jù)承德市寬城滿族自治縣瀑河河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水相應(yīng)的30年一遇設(shè)計洪水時下游水位計算。

經(jīng)計算，30年一遇洪水橡膠壩坍壩行洪時深槽段過流流量1 182.95 m3/s，淺槽段1 737.92 m3/s，全斷面總過流能力為2 920.87 m3/s，大于河道30年一遇洪水時洪峰流量2860m3/s，因此，建壩后對原河道行洪能力沒有影響。

（2）沖刷計算

河床沖刷深度計算包括鋪蓋首端沖刷和護坦末端沖刷深度計算。鋪蓋首端沖刷河床沖刷深度根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2001)中公式進行計算，護坦末端河床沖刷深度計算采用《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（TB 10017-1999）非黏性土河床沖刷公式進行計算。

經(jīng)計算，壩體坍壩行洪30年一遇洪水時為鋪蓋首端河床沖刷深度計算的控制工況，深槽段沖刷深度為1.83 m，淺槽段為1.90 m。壩體坍壩行洪30年一遇洪水時為護坦末端河床沖刷深度計算的控制工況，深槽段沖刷深度為5.83 m，淺槽段為3.39 m。

4.壩袋設(shè)計

（1）壩型選擇

橡膠壩袋按充脹介質(zhì)不同分為充水式、充氣式。充氣橡膠壩由于氣體具有較大的壓縮性，充氣橡膠壩在壩頂溢流時，出現(xiàn)凹口現(xiàn)象，水流集中，對下游河道沖刷較強，同時對橡膠壩的氣密性要求高，運行過程中控制不靈活，在我國采用的為數(shù)很少。充水式橡膠壩在壩頂溢流時袋形比較穩(wěn)定，過水均勻，對下游沖刷較小，同時對壩袋材料的氣密性要求較低，景觀效果較好，我國在充水式橡膠壩方面已形成了具有自己特色的橡膠壩設(shè)計、制造和運行管理等技術(shù)。寬城滿族自治縣瀑河橡膠壩壩袋采用充水式，材料采用二布三膠錦綸帆布。

（2）壩袋內(nèi)壓比選擇

壩袋計算關(guān)鍵在于選擇合適的內(nèi)壓比，以充分利用壩袋膠布的強度，并盡可能使壩袋面積減少，降低工程造價。為便于施工和壩袋加工，選擇不同內(nèi)壓比對橡膠壩壩袋的袋壁環(huán)向拉力、壩袋周長、壩袋貼地長度和每延米容積特征值進行計算，設(shè)計壩高為4.0 m。計算根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL 227-98）查表進行。

從計算結(jié)果可知，當(dāng)內(nèi)壓比值較小時，壩袋長度較長，需要的壩底板長度較大，投資相應(yīng)增加，但袋壁徑向拉力較小，材料強度要求較低，安全系數(shù)較大。當(dāng)內(nèi)壓比值增大時，壩袋長度降低，壩底板長度減小，投資相應(yīng)增加，但袋壁徑向拉力增大，材料強度要求相應(yīng)較高，安全系數(shù)降低。而壩袋厚度、有效周長是壩袋造價的主要控制條件。所以如何選取內(nèi)外壓比使壩袋既能滿足強度規(guī)范要求，又能使壩袋造價最小的優(yōu)化設(shè)計十分重要。

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》（SL 227-98），充水橡膠壩內(nèi)壓比值宜選用1.25～1.60，壩袋強度安全系數(shù)應(yīng)不小于6.0。并且根據(jù)有關(guān)資料，通過經(jīng)濟比較，充水橡膠壩內(nèi)外壓比值在1.4時造價最低，本次設(shè)計結(jié)合已建橡膠壩的運行經(jīng)驗，同時考慮橡膠壩的運用情況，經(jīng)綜合考慮選擇內(nèi)壓比為1.4，壩袋強度安全系數(shù)K為8.33，大于規(guī)范要求的6.0，投資適中，且安全可靠。

（3）壩袋錨固設(shè)計

橡膠壩的錨固是保證壩袋安全的重要環(huán)節(jié)，錨固型式按所采用的錨固構(gòu)件材料不同可分為螺栓壓板式錨固、楔塊擠壓式錨固以及膠囊充水式錨固等3種?；炷列▔K擠壓式錨固以其自身節(jié)省鋼材、造價較低的優(yōu)點應(yīng)用較多，但其自身施工安裝時的錨固力度較難控制，楔塊易受夯擊損毀，維修拆卸不便，楔塊重復(fù)利用率較低，錨固的密封性較差，影響建筑物的安全性能；膠囊充水式錨固運用較少；而螺栓壓板式錨固是我國橡膠壩建設(shè)之初就采用的錨固形式，目前應(yīng)用最為廣泛，其錨固力可控，安裝止水效果好，安裝方便，勞動強度低，且易于拆卸檢修，錨固構(gòu)件的重復(fù)利用率高，便于施工與管理。綜上所述，本工程壩袋錨固形式采用螺栓壓板式雙線錨固。

三、工程管理

根據(jù)《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL 227-98)的要求，橡膠壩工程必須有管理機構(gòu)，工程管理單位的主要任務(wù)是確保工程完整、安全和正常運用，充分發(fā)揮工程效益；應(yīng)結(jié)合工程具體情況制定切實可行的管理辦法和相應(yīng)的規(guī)章制度，并且還應(yīng)根據(jù)工程運用情況適時進行修訂。管理單位應(yīng)進行科學(xué)管理，并對工程進行經(jīng)常檢查、觀測、養(yǎng)護、維修和控制運用等。各項記錄應(yīng)及時整理歸檔，建立完整的技術(shù)檔案。

①橡膠壩工程檢查工作應(yīng)包括經(jīng)常檢查、定期檢查和特別檢查。管理單位應(yīng)指定專人按規(guī)定的制度經(jīng)常對壩袋、錨固件、充排設(shè)備、機電設(shè)備、通信設(shè)施等進行檢查，對工程存在隱患及時處理。

②橡膠壩工程觀測包括壩袋內(nèi)壓力、壩袋變形、老化、河流上下游水位、河床變形等。管理單位應(yīng)根據(jù)工程具體情況擬訂觀測項目、觀測方法和觀測時間。觀測工作應(yīng)保持系統(tǒng)性和連續(xù)性，并對觀測資料進行整理分析。

③橡膠壩工程的維護修理主要包括壩袋、錨固件、充排設(shè)備和土建工程等部分。為保證設(shè)備完整整潔、安全運用、操作自如、延長使用壽命，必須經(jīng)常做好維護修理工作。

④管理單位應(yīng)制訂橡膠壩的運行方案和操作規(guī)程，壩袋的運行控制應(yīng)由專職人員嚴(yán)格按規(guī)程的要求進行操作。

⑤嚴(yán)禁壩袋超高超壓運用，充水壓力不得超過設(shè)計內(nèi)壓力。

⑥在充壩時，不得一次將壩袋充至設(shè)計高度，宜按壩高分級進行充壩，逐級逐步達到設(shè)計壩高，每次停留時間不得少于0.5h，要有專人現(xiàn)場觀察，以便發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象時采取必要的措施。

⑦汛期應(yīng)根據(jù)氣象和水文預(yù)報及時掌握水情，提前采取安全保護措施，在洪水到來之前應(yīng)及時坍壩，保證安全泄洪。

⑧壩頂溢流時，壩體易產(chǎn)生振動，可通過改變壩高來調(diào)節(jié)溢流水深從而避免壩袋發(fā)生振動。在運用中應(yīng)注意觀測，避免出現(xiàn)溢流流量、壩高、下游水深的不利組合。

[1]陸吾華.橡膠壩技術(shù)在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 中國水利，1986（5）.