浅析湫水河综合治理项目中橡胶坝工程设计与运行

作者：郑晓敏

1  工程概况

  湫水河属于黄河一级支流，位于吕梁山脉西翼，发源于兴县的白龙山东北麓大坪头，自东北向西南流经东会，至阳坡入临县境内。湫水河临县城区段二期治理的主要任务是防洪、蓄水美化以及截污。此次综合治理工程总长2885m，上游段长1264. Sm，下游段长1620. Sm。修建拦河橡胶坝，并对蓄水池进行防渗设计是该项目的主要任务之一。

2橡胶坝工程设计

2.1  橡胶坝布置

  湫水河临县城区段治理美化二期工程布置4座橡胶坝，其中上游段2座，4号橡胶坝布置在东门桥上游约85m处，5号坝布置在麻峪桥上游约40m处；下游段2座，1号橡胶坝布置在热力管道桥下游72m处，0号橡胶坝布置在养鸡场附近。

  橡胶坝的控制室设在箱涵外侧。橡胶坝采用充水式的彩色坝袋，锚固型式为螺栓压板双锚固。橡胶坝底板厚1.1m，为钢筋混凝土结构，顺水流方向长11.3m和13. Sm，上游设15m长的钢筋混凝土铺盖，下游设20m长的钢筋混凝土消力池，0号坝下游设35m长的铅丝石笼海漫和12m长的堆石防冲槽。

橡胶坝工程特性如表1所列。

2.2坝袋设计

  橡胶坝袋的骨架材料采用锦纶帆布，防水材料选用合成氯丁胶，以氯丁胶为主料的橡胶坝袋，具有抗老化、抗脆化的性能，变形及强度等各项指标均符合国家相关规范的要求。鉴于该项目自身特点以及出于美观的考虑，选用的坝袋材料为以氯磺化聚乙烯为主料的彩色橡胶坝袋，颜色可由业主自行选择确定。根据设计坝高的不同，选用不同的设计坝袋型号。

2.3  橡胶坝土建工程设计

2.3.1  橡胶坝基础底板设计

  橡胶坝基础底板为平底板，并与河床齐平，依据基础内管道的设计要求，厚度为1. 1m，底板为钢筋混凝土结构，底板下面铺设0. 1m厚的素混凝土作为垫层，在上、下游分别设置0. 5m深的齿墙。在顺水流方向，底板的长度要基于坝袋坍落宽度和上、下游施工检修的要求进行确定，坝高4. 0m时，长度为13. 5m；坝高3. 5m时，长度为11. 3m。

2.3.2边墩设计

  坝袋总长100m,根据国内橡胶坝生产及施工经验，可采用一跨设计，利用排污箱涵作为橡胶坝的边墩。

2.3.3防渗排水设计

  依据水闸设计规范，且考虑防冲、防渗、稳定等多方面的要求，在橡胶坝上游设钢筋混凝土铺盖，长度15m，厚度0.5m，并在铺盖下设0.1m厚的素混凝土作为垫层。在铺盖的两端各设置0. 5m深齿墙。

  该工程蓄水段采用水平防渗，橡胶坝上游铺盖接水平防渗，在混凝土铺盖与橡胶坝底板、消力池、水平防渗之间设橡胶止水条。4号、5号及1号坝的消力池接下游水平防渗，不设排水及反滤设施。0号橡胶坝在消力池尾部池内设排水孔，孔间距1. Om，梅花形布置，排水孔下根据地基情况设3层反滤，在地基上铺150cm厚粗砂为第一层，粗砂上铺无纺布作为第二层，最上一层为30cm厚粒径不大于3cm的小河卵石。

2.3.4消能设计计算

  a．池深和池长：消能设计的目的是确定消力池的池深和池长。采用《跌水与陡坡》有关公式进行计算，计算结果见表2。

式中h1－－跌前水深，m；

  h2-跌后水深，m；

F1－－跌前断面的水流佛劳德数，

ΔZ－－出池水面跌落高度，ni；

q-单宽流量，m3／(s·m)；

d——消力池深度，m；

L——消力池长度，m；

p——流速系数，取p=1.0；

σ——水跌淹没系数，取1.05~1.10。

b．消力池底板厚度：由《水闸》中的公式进行计算。

式中t——池底板始端厚度，m；

  ΔH——上下游水位差，m；

  k——经验系数，0.2~0.15；

q——单宽流量，m3／(s·m)。

  根据消能计算结果，确定橡胶坝下游消力池长22m，深1.0m，底板厚0.9m。

2.3.5防冲设计

  根据结构防冲要求及洪水泥沙冲刷分析，对于0号橡胶坝下游的防冲工程，采用水闸设计经验公式计算，海漫长度：

式中Lp——海漫长度，m;

  qs——消力池末端单宽流量，m3／(s·m)；

  Ks——海漫长度计算系数，取7；

  △H’——上、下游水位差，m，取1m。

  经计算，消力池下游设置35m长的海漫，其中前12m格宾石笼厚度为1.Om;后23m格宾石笼厚度为0. Sm，海漫后设长12m、深2.Om的防冲槽。

2.3.6控制室设计

  4座橡胶坝的控制室均位于河道堤防外侧，泵房长16. 2m，宽6.9m，层高4.5m，基坑长12m，宽6.9m，深4. 3m，泵房全部是半地下式的结构。

2.4坝袋锚固设计

  众所周知，北方河流的泥沙较多，鉴于这种情形．为降低对坝袋磨损及振动方面的影响，设计采用双线锚固，考虑到坝高、坝顶溢流、安全及施工等多方面因素的影响，确定使用螺栓锚固方式。

2.5控制与观测系统设计

  考虑到橡胶坝运行管理中对充排水时间方面的要求，充排水方式均为动力充排，为了在情况紧急时加快排水速度，保证防洪安全，另设一条自排管路。每段橡胶坝单独布置动力充排水管路，排水流量为l656m3/h，采用城市自来水充至DN500的各坝体水管内，根据一期工程运行经验，3. 5m坝高一天即可充至设计高度。

  由于每段橡胶坝长度较大，在充排水强度较大时，如采用一个进出水口容易引起偏流、坝袋振动、拍打、坝肩起坝困难，在坝顶溢流情况下坍坝困难，因此在此次设计时考虑每段坝袋设2个排水口及2个自排水口。

  为了避免出现超压引起的坝袋破裂现象，并有利于观察运行状态，要在每个坝段设置超压流管，在边墩顶部设置超压溢流管出口，管径为0. 2m，以备自控设备失效时使用，这样可以更好地保证大坝的运行安全。为了排出坝袋内的残存气体，要在每个坝段两端都设置排气孔。

3橡胶坝运行

  湫水河临县城区段综合治理二期工程主要目的是要在工程区内形成清澈的水面，结合两岸的绿化、人工造景而成为环境优美可供游人休闲娱乐的水上公园。二期工程设计建4座橡胶坝作为蓄水建筑物。由于湫水河汛期洪水峰高流急，来水含沙量较大，如此运行条件，如何做好6座橡胶坝（其中一期工程2座）的运行管理成为发挥工程效益的关键。

3.1  防洪运行

  为确保防洪运行的安全，汛期不仅要做好上游的防洪预报，还要制定出橡胶坝汛期的运行方案。汛期橡胶坝必须全部塌坝迎洪。橡胶坝的运行要在工程建成后的管理过程中不断总结经验，改进运行方案。做到既安全可靠，又科学合理。

3.2立坝与坍坝

  该工程的补水主要依靠基流，建}义立坝顺序为5~0号，即先立5号坝，再蓄5号库区，从上游开始逐级下移，根据阳坡水库放水流量确定立坝时间；0号坝最后立坝。

  坍坝应先从下游开始逐步降低坝高，依次向上，这种方式能够缓减对下游的冲刷。

  橡胶坝袋充水时，要对坝袋情况进行密切观察，如有异常情况出现，应立即停止充水，当坝袋充至较设计坝高相差0. Sm时，减少充水流量，以小流量充水至设计坝高。

3.3冬季运行

  临县冬季最低气温-24.8℃，橡胶坝冬季运行，需要在上、下游破冰，整个管理范围禁止闲杂人等人内。

  如若坝袋内结冰，在采取化冰措施之前，严禁坝高的调节。冬季结冰前对坝高进行调节，为了减少上游结冰对坝袋的影响，要控制坝高与上游水位齐平；春季化冰过程中，要根据上游水面冰凌的情况，适时对坝高下泄冰块进行调节，在冰凌下泄后，再将坝袋充至设计坝高。

3.4橡胶坝充泄水试验

  为保证橡胶坝安全运行，橡胶坝在初次挡水前和大修后都必须进行充水试验。充水试验严格遵循以下规范，大修后充水试验可以按设计充泄水流量进行。

  a．坝袋安装完成后，应将坝袋在平面位置上规整布放，避免出现坝袋褶边，尤其对于坝袋的堵头部位，要将坝袋摆放为有利于充水起坝的形状。

  b．充水前做好充分准备，就绪后再开始充水。起坝时，人工对贴地部分以及堵头部位进行拉起，以防止坝袋出现褶边。在充水过程中必须对坝袋体形情况进行观察，如果出现异常状况，应立即停止充水，当坝高充至0. 5m高时，停止充水，检查坝袋有无漏水、折裂和其他异常现象。

  c．检查一切正常后继续充水，充至1.0m坝高后停止充水重复检查，再次充水至1.5m坝高时，停止充水，检查坝袋并且打开排气孔，待坝袋内气体排空后，关闭排气孔继续充水，然后逐级充水至设计坝高。

  d．在设计坝高状态，对坝袋情况进行检查，一切正常后坍坝泄水，坍坝泄水流量控制在300~400m3/h。

  e．坝袋塌平后，对坝袋、锚固、充排气系统进行全面检查。

  f检查完成后以设计充水流量进行充水，充水过程中密切注意坝袋情况，出现异常及时停止充水。充至2.0~2. 5m坝高时，停止充水检查坝袋情况，检查正常后以小流量进行充水，直至设计坝高。

  g．在设计坝高状态，重新检查后塌坝泄水。

  h．坝袋塌平后，要对坝袋及其锚固、充排等系统进行全面细致的检查。

3.5橡胶坝运行养护

平时运行中要对各部位进行定期、不定期的检查和观测，认真做好各项记录，对于安全隐患要及时发现、及时处理，确保橡胶坝的运行安全。此外，当发生暴风雨、地震等重大自然灾害时，要及时组织力量进行全面检查，着重检查工程有无损坏等。平时的养护与维修要做好坝袋养护、锚固件养护、充排设备养护及土建工程养护等，确保橡胶坝安全运行。

4【摘要】  湫水河属于黄河一级支流，湫水河临县城区段二期治理的主要任务是防洪、蓄水美化以及截污。修建拦河橡胶坝，并对蓄水池进行防渗设计是该项目的主要任务之一。本文主要对橡胶坝的工程设计和运行作了简要探讨，内容包括橡胶坝的布置、坝袋设计、土建工程设计、锚固设计、控制与观测系统设计以及橡胶坝的运行养护等，以期为类似工程提供参考。