橡膠壩壩下浪涌消除對策及工程改造措施

曲 磊

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

在水利水電工程建設(shè)中，隨著城市用水、景觀建設(shè)、環(huán)境整治及灌溉等需求，攔河建筑物得到廣泛的運用。河道中的攔河建筑物具有攔截水流、雍高水位、調(diào)蓄水量等作用[1- 3]。橡膠壩作為眾多攔河建筑物的一種，具有施工便捷、造價低廉、運行穩(wěn)定、塌壩速度快不影響行洪等特點，在國內(nèi)大部分地區(qū)應(yīng)用較多[4]。

橡膠壩自20世紀(jì)90年代以來在我國發(fā)展迅速，目前各方面技術(shù)都比較成熟。隨著早期建設(shè)的橡膠壩使用年限的增大，橡膠壩底板裂縫、壩袋老化、錨固結(jié)構(gòu)強度降低等情況時有發(fā)生[5- 6]。并且隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的需要以及人們對親水環(huán)境的渴求，很多橡膠壩運行工況發(fā)生變化，導(dǎo)致橡膠壩的運行條件隨之改變[7]。本文以沈陽市砂山橡膠壩改造工程為技術(shù)背景，分析了壩下浪涌形成的原因，采取相應(yīng)維修改造措施，消除橡膠壩安全隱患，保證橡膠壩穩(wěn)定運行。

1 改造背景

1.1 砂山橡膠壩簡介

砂山橡膠壩工程位于沈陽市境內(nèi)渾河城市段的河段上，工農(nóng)橋下游900m處。橡膠壩為4跨充水式橡膠壩，楔塊錨固型式，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇，設(shè)計流量為3569m3/s。橡膠壩總長330.4m，壩頂高程為37.00m，壩底板高程為34.50m，壩頂溢流水深為0.3m。

1.2 改造原因

(1)橡膠壩壩后浪涌。砂山橡膠壩下游建有渾河閘，壩下水位由渾河閘正常高水位回水控制。渾河閘在2014年進(jìn)行了除險加固，原設(shè)計正常高水位由于控制運用的要求，由原來的35.00m調(diào)整至36.00m。在渾河閘正常高水位運行期間，砂山橡膠壩下游水位保持在36.00m左右，橡膠壩上游溢流水位仍為37.00m。由于砂山橡膠壩下游水位的抬升，橡膠壩的運行工況發(fā)生了變化，橡膠壩壩袋下游側(cè)出現(xiàn)順壩向波浪，波浪在橡膠壩壩墩間往復(fù)運動，如圖1所示。同時，橡膠壩壩袋頂部隨波浪運動出現(xiàn)局部塌陷，塌陷規(guī)律與波浪走向同步，如圖2所示。

圖1 壩袋下游浪涌

圖2 壩袋塌陷

(2)橡膠壩錨固楔塊松動。砂山橡膠壩壩袋的錨固形式采用楔塊錨固，壩后浪涌的出現(xiàn)，致使壩袋波動頻繁。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分楔塊發(fā)生松動，壩袋錨固后預(yù)留的壩袋寬度個別部位減少，壩袋有抽離現(xiàn)象，并導(dǎo)致局部壩袋有效長度增加。

2 改造的必要性

砂山橡膠壩溢流期間，壩袋下游側(cè)出現(xiàn)明顯的順壩向波浪，波浪的出現(xiàn)改變了壩袋下游的水流條件，引起壩袋的波動。同時，壩袋錨固長度減少導(dǎo)致壩袋有效長度增加，致使壩袋在充滿狀態(tài)下，垂直水流方向上壩袋截面發(fā)生變化。截面的不同，導(dǎo)致壩袋不同部位溢流流量發(fā)生改變，當(dāng)相鄰部位的溢流量不同步時，流量較大的一側(cè)對流量較小的一側(cè)產(chǎn)生一個橫向推力。當(dāng)這個推力足夠大時，即有可能引起順壩向波浪。

不論是壩袋有效長度的改變，還是壩袋下游側(cè)波浪的出現(xiàn)，對橡膠壩的安全運行都是極為不利的。這不但造成了壩袋下游水流的波動，對壩袋結(jié)構(gòu)的破壞也是非常明顯的，若不能及時解決，橡膠壩有滲漏垮壩的風(fēng)險，存在極大的安全隱患。

3 橡膠壩改造措施

為消除橡膠壩安全隱患，保證壩袋受力均勻、壩頂溢流平順，壩下水流形態(tài)平穩(wěn)，通過增加輔助引流導(dǎo)流墩、改變壩袋錨固型式的方式對砂山橡膠壩進(jìn)行全面改造[8- 9]。

3.1 壩墩改造

為消除橡膠壩壩下游浪涌現(xiàn)象，通過適當(dāng)延長橡膠壩壩墩長度并在橡膠壩消力池斜坡增設(shè)導(dǎo)流趾墩，使壩后水流能夠平順下泄，同時能夠縮短壩下水面吹程，以降低下游形成浪涌的可能性[10]。橡膠壩改造平面布置如圖3所示。

圖3 橡膠壩壩墩改造平面布置圖

3.1.1壩墩延長

為減小波浪的傳播距離，在消力池底板上增加一定高度的導(dǎo)流墻。根據(jù)橡膠壩下游運行高水位36.00m加安全超高及橡膠壩運行管理經(jīng)驗，導(dǎo)流墻高度綜合確定為36.50m；導(dǎo)流墻長度根據(jù)橡膠壩下游波浪的傳播寬度及體型外觀要求綜合確定。

導(dǎo)流墻自壩墩下游側(cè)至消力池水平段垂直底板布置，導(dǎo)流墻水平投影長度為5m，墻頂高程36.50m，墻厚0.4m，導(dǎo)流墻上、下游端部為半徑0.2m圓弧段。導(dǎo)流墻下通過錨筋與原有消力池底板連接，導(dǎo)流墻縱剖面如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流墻結(jié)構(gòu)縱剖圖

3.1.2增設(shè)趾墩

為改善橡膠壩溢流后的水流條件，通過在消力池底板斜坡段末端增加趾墩輔助消能工措施，使射流沿齒槽分成多股水流，以增加水股深度和上下股水流的擴散作用，緩解順壩向波浪的生成。趾墩下部通過錨筋與原有混凝土底板錨接，趾墩高1.3m，寬0.3m，間距5.0m，平行布置于消力池斜坡段末端，趾墩縱剖面如圖5所示。

圖5 消力池趾墩縱剖圖

3.2 錨固型式改造

本次改造將原壩體楔塊錨固改造為螺栓壓板錨固[11]。與新建橡膠壩預(yù)埋螺栓錨固件不同，改造需要在原錨固槽內(nèi)重新植入螺栓構(gòu)件，保證植入鋼筋具有足夠的強度以達(dá)到壩袋抗拔要求為本次改造重點。壩袋錨固改造根據(jù)錨固槽部位的不同，共分為順壩向錨固與端部錨固2種。其中，壩頭端部錨固由于槽內(nèi)下方有充排水管路，不能植入較深的鋼筋，因此采取了特殊處理。

3.2.1順壩向錨固槽改造

橡膠壩原錨固槽設(shè)計寬度為30cm，深度為28cm，對原錨固槽進(jìn)行改造，采用人工鑿除部分混凝土，鑿除深度為54cm。槽內(nèi)下入錨固螺栓[12- 13]，螺栓總長度為600mm，螺栓直徑選取27mm，螺栓錨固深度為15dm?；炷敛鸪龝r保留原底板錨固槽鋼筋與新植入的錨固螺栓焊接，在錨固槽內(nèi)填充C30混凝土[14]，順壩向錨固槽改造結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3.2.2壩端錨固槽改造

橡膠壩原錨固槽設(shè)計寬度為30cm，深度為28cm，對原錨固槽進(jìn)行改造，采用人工鑿除部分混凝土，鑿除深度為35cm。此處若仍采用順壩段植入長錨筋的形式，有可能會鑿穿充排水管路，因此改為槽內(nèi)植入錨固鋼板與原有鋼筋焊接，并將預(yù)埋螺栓與鋼板焊接，螺栓總長度為290mm，螺栓直徑為27mm?；炷敛鸪龝r保留原底板錨固槽鋼筋與新植入的錨固螺栓焊接，在錨固槽內(nèi)填充C30混凝土。橡膠壩端部改造結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3.2.3錨固槽改造要求

擴大原有錨固槽施工，應(yīng)采用電鎬、風(fēng)鎬人工拆除混凝土，拆除過程中應(yīng)保證底板內(nèi)的鋼筋不發(fā)生破壞，且擴槽后的深度不宜超過底板總厚度的三分之二。拆除后的混凝土碎渣首遍清除后，需往槽內(nèi)注水，浸泡松動但未脫落的混凝土碎屑，浸泡24h后槽內(nèi)水排空，用鐵刷刷除開槽后混凝土表面松動的碎屑，直至表面再無碎屑脫落，并清理干凈槽內(nèi)殘渣。新、老混凝土接觸部位均需涂抹混凝土界面劑，以保證新老混凝土的澆結(jié)強度。

4 結(jié)語

因擴槽對原底板結(jié)構(gòu)有一定破壞，在施工中應(yīng)密切關(guān)注底板變化情況，避免因擴槽導(dǎo)致底板產(chǎn)生裂縫等安全隱患。與新建橡膠壩螺栓壓板埋件一次澆筑相比，工程較好地解決了螺栓壓板埋件后錨固難題，取得的相關(guān)經(jīng)驗，可為類似工程的改造提供借鑒。

圖7 橡膠壩端部錨固槽大樣圖(單位：mm)

砂山橡膠壩自改造完成后，已經(jīng)過汛期的檢驗，橡膠壩運行穩(wěn)定，壩下水流平穩(wěn)，無異?，F(xiàn)象發(fā)生，工程改造效果良好，達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)要求，獲得了較好的經(jīng)濟效益及生態(tài)效益。