橡胶坝工程设计综述

橡胶坝工程设计综述

牛利凯

摘 要：橡胶坝是一种由高分子合成材料建造的新型挡水建筑物，它结构简单、造价低、施工工期短、节省三材、抗震性能好，已在改善生态环境、发电、灌溉及临时挡水等工程中得到广泛应用，本文通过橡胶坝成功的设计经验对橡胶坝的设计进行简要的介绍。

关键词：橡胶坝；坝址；坝袋；锚固系统；土建工程；控制系统

橡胶坝于20世纪50年代兴起，将高强度纤维织物做成的胶布按设计尺寸加工成坝袋形状，锚固于底板上形成封闭坝袋，坝袋充涨后即可挡水的一种新型挡水建筑物。橡胶坝运用条件与水闸相似，即可充坝挡水，又可塌坝过流，但与水闸相比，橡胶坝具有结构简单、造价低、工期短、跨度大、抗震性能好、新颖美观、管理方便、运用费用低等优点，正是由于橡胶坝的这些优点，其已在河道整治、灌溉发电、沿海挡潮、临时挡水及拦洪蓄水美化环境等工程中得到广泛应用。

我国于1965年开始兴建橡胶坝，至今已建橡胶坝工程超过1600余座，结合国内已建橡胶坝经验，橡胶坝工程设计主要包括坝址确定、坝袋设计、锚固系统设计、土建工程设计、控制系统及安全与观测装置设计等五大部分。

1.坝址的确定

橡胶坝坝址应根据其运用要求，结合地形、地质、水流、泥沙、施工、管理及环境影响等因素确定。坝址选择应遵循下列原则：

（1）坝址应选择在地形开阔、岸坡稳定及河床变动小的河段，应考虑橡胶坝总体布置、施工管理及建坝后形成水面与周围景观相协调等因素。

（2）坝址应选择在基础为坚硬完整的岩石或沉降紧密的土基上。

（3）坝址应选择在河道顺直、流速变化小、主流稳定的河段。

（4）对于梯级开发河道，坝址布置应考虑蓄水、行洪及通航等多方面因素，综合确定橡胶坝梯级开发的坝址。

2.坝袋设计

坝袋是橡胶坝的主体挡水建筑物，坝袋材料的选用及其胶布的构造设计，直接影响橡胶坝的使用寿命和工程的安全运行。坝袋设计的主要内容包括坝袋结构型式确定、坝袋主要技术参数的选取、坝袋胶布构造的选择。

2.1坝袋结构形式确定

（1）坝袋的充胀介质是选择充水还是充气，应按运用要求、工作条件经技术、经济比较后确定。

（2）坝体布置可采用单跨式或多跨式，橡胶坝单跨一般不宜超过100m。

（3）橡胶坝坝高一般不应超过5.0m，对于超过5.0m或有特殊专门用途时应进行专门的技术论证和实验研究。

2.2坝袋主要技术参数的选取

在进行坝袋设计时，首先要选择坝袋设计内压比和坝袋强度安全系数，其值的选择应经技术、经济和安全比较后确定。

（1）根据已建工程经验，充水式橡胶坝内压比一般选取范围宜为1.3～1.6；充气式橡胶坝一般选取范围宜为0.75～1.1。

（2）坝袋袋壁承受的径向拉力根据薄膜理论按平面问题进行计算，在此基础上进行坝袋强度设计安全系数的计算。根据经验和实验结果，坝袋径向强度设计安全系数充水式应不小于6.0，充气式应不小于8.0；相应纬向强度设计安全系数，对于堵头式橡胶坝按径向强度设计安全系数的0.5倍选取，对于斜坡锚固的橡胶坝按径向强度设计安全系数的0.8～1.0倍选取。

（3）坝袋横断面形状、尺寸及坝袋充涨容积等设计参数根据《橡胶坝技术规范》（SL227-98）查表进行计算。

2.3坝袋胶布构造的选择

橡胶坝坝袋胶布由帆布和橡胶加工硫化而成，帆布是坝袋的受力骨架，橡胶分外层、夹层和内层，起保护帆布和协调各层帆布共同发挥功效的作用。

（1）胶布选择必须满足坝袋强度设计安全系数，且胶布布幅间的搭接强度应大于坝袋纬向设计强度。

（2）胶布的帆布层数一般不宜超过3层，层数多时须经试验验证。

（3）坝袋用橡胶应耐大气老化、耐腐蚀、耐磨损、耐水性好，有足够的强度，在寒冷地区要有抗冻性等。外层橡胶厚度应大于2.5mm，夹层橡胶厚度宜为0.3～0.7mm，内层橡胶厚度应大于2mm。

3.锚固系统设计

橡胶坝的锚固是用锚固构件将坝袋胶布沿其周边安装固定在坝底板和岸墙（中墩）上，使坝袋构成一个封闭的袋体，锚固是橡胶坝坝袋能否稳定挡水的关键部分。锚固系统设计的主要内容为锚固型式的选择及设计、锚固线的布置等。

3.1锚固型式的选择及设计

橡胶坝锚固型式可分为螺栓压板锚固、楔块挤压锚固以及胶囊充水锚固三种，应根据工程规模、加工条件、耐久性、施工及维修等条件，经综合经济比较后选用。

3.2锚固线的布置

橡胶坝锚固线布置可分为单线锚固和双线锚固两种。应根据工程规模、水流条件、坝袋运行稳定性等方面，经综合经济比较后选用。

（1）无论单线锚固还是双线锚固，上游锚固线距底板上游距离宜为0.5～1.0m。

（2）岸墙和中墩锚固线的布置应满足塌坝时坝袋平整不阻水、充涨时坝袋褶皱较少的要求。

（3）岸墙和中墩为直墙时，为减少坝袋端部塌肩现象，应将底板数米内少许抬高0.1～0.2m坝高，坡度为1:6～1:10,锚固线也沿此坡度布置。

（4）岸墙和中墩为斜坡时，斜坡应设爬坡段，长度为0.2～0.25倍坝高，顶部锚固高度可取1.1～1.2m坝高。

4.土建工程设计

橡胶坝土建工程主要包括坝底板、边墩（岸墙）、中墩、上下游护坡（翼墙）、上游铺盖或截渗墙、下游消力池、海漫、防冲槽、控制室和泵房等相关建筑物组成。

4.1橡胶坝底板设计

橡胶坝底板设计主要包括坝底板高程、厚度及顺水流方向长度的确定。

（1）坝底板高程应不低于设计或现有河床底高程，一般应较河床底高程抬高0.3～0.5m，对梯级开发河道对底板高程应进行统一规划。

（2）底板厚度应满足结构稳定、充排水（气）及锚固布置的要求，根据实际工程经验，底板厚度一般可取为0.5～0.8m。

（3）坝底板顺水流方向长度应满足坝袋塌落长度的要求，同时上下游应留足安装检修的通道。

4.2边墩、中墩和翼墙设计

（1）边墩和中墩通常有斜坡式和直墙式两种，其高度首先应满足坝袋锚固的布置要求，同时高于坝顶溢流时最高溢流水位。

（2）斜坡式边墩坡度应缓于1:2.0；直墙式边墩结构尺寸可根据结构计算确定，一般顶宽0.4～0.6m，迎水面铅直，背水坡坡度0.4～0.6，底宽为高度的0.7倍左右。

（3）中墩设于多跨橡胶坝中，其厚度由构造要求确定，一般取为0.8～1.0m，顺水流方向长度应大于充涨后的坝袋长度，但宜小于底板长度0.5～1.0m。

（4）橡胶坝上、下游段翼墙宜做成扭面与上下游河道连接，扩散角不宜过大，一般取7°～12°，其长度可根据工程布置确定。

4.3防渗排水设计

橡胶坝防渗排水设计的基本原则为上堵下排、防渗与导渗相结合，应根据地基的地质条件和上、下游水位差等因素，通过对渗透的计算，结合消能和两岸布置综合考虑，设置完整的防渗排水系统。橡胶坝防渗排水设计包括防渗设计、排水设计及止水设计等。

4.3.1防渗设计

橡胶坝防渗方式主要有水平防渗和垂直防渗两种。水平防渗措施主要为铺盖；垂直防渗措施包括板桩、帷幕灌浆、混凝土防渗墙及垂直土工膜防渗等。

（1）铺盖长度根据坝基所需防渗长度计算确定，一般长度为上、下游水头差的3～5倍。

（2）铺盖厚度由选用的材料和作用的水头决定。混凝土和浆砌石铺盖一般取0.3～0.5m；粘土铺盖厚度不宜小于0.6m；防渗土工膜的厚度不宜小于0.6mm。

（3）板桩主要有钢板桩、钢筋混凝土板桩等，厚度宜为15～30cm，深度一般为坝上水头0.6～1.0倍，或深入相对不透水层。

（4）防渗帷幕厚度一般不宜小于0.1m；混凝土防渗墙厚度主要根据成槽器尺寸确定，一般不宜小于0.2m；其深度均应深入相对不透水层。

4.3.2排水设计

排水型式主要有平铺式排水、排水减压井和排水沟等。

（1）平铺式排水一般用3～4种直径不同的卵石、砾石、碎石平铺在地基做成，厚度一般为0.2～0.6m，应在排水层和地基土层间设反滤层。

（2）当坝基下卧土层为承压水层时，应设置排水减压井，井深和井距根据承压水土层深度和厚度确定，井壁内径不宜小于0.2m，间距大致为3.0m。

（3）排水沟尺寸根据透水层厚度确定，沟内应按滤层结构设计。

4.3.3止水设计

橡胶坝基础土建部分各构件之间设有沉降、伸缩等永久逢，凡不允许透水的缝中均应设止水。

（1）止水一般有紫铜、不锈钢片或橡胶片等，应根据工程水头、重要性和经济等多方面因素选取止水材料，一般设一道止水，重要部位可设两道。

（2）止水材料应满足建筑物发生变位时仍能满足使用的要求，其伸长率宜为50%～100%，同时止水应具有与混凝土结合良好、不透水、耐腐蚀、耐久度强等性质。

4.4消能防冲设计

橡胶坝的消能防冲设施主要包括下游消力池、海漫和防冲槽等。设计时应首先验算建坝后在各种工况下的河道过流能力，弄清橡胶坝的流态、消能特点后，根据橡胶坝运用条件选择水位和流量的组合进行消能防冲的计算。

（1）消力池长度和深度根据最不利水位、流量组合情况计算确定，其底板厚度根据抗冲和抗浮要求计算确定；消力池底板和坝底板之间宜采用不陡于1:4.0的陡坡连接，同时应在消力池底板布设排水孔，孔径5～10cm，间距1～2m。

（2）消力池后的海漫段宜做成水平或不陡于1:10的斜坡，其长度根据最不利水位、流量组合情况计算确定；其厚度与选用材料有关，混凝土海漫一般厚度0.1～0.2m，砌石海漫一般厚度0.3～0.5m。

（3）橡胶坝铺盖首端和海漫末端应设防冲槽，槽深一般为1～2.5m，槽上、下游边坡1:2～1:4，槽内填堆石，粒径30～50cm。

4.5橡胶坝控制室及泵房设计

（1）橡胶坝控制室首先应满足管路和闸阀的布置空间，同时满足工作人员管理方便和控制设备的要求；其结构型式应美观大方，与周围环境相协调。

（3）橡胶坝地下泵房应做好防渗、防潮和通风等措施，同时还应注意采光。

5. 控制系统设计

橡胶坝控制系统包括坝袋充排方式及其管路布置；坝袋安全设施布置；观测装置设置及系统自动控制设施等。控制系统设计应遵循的主要原则如下：

（1）橡胶坝的充排方式应根据现场条件和使用要求进行选取；坝袋的充涨和排放所需时间必须与工程运用要求相适应。

（2）充水橡胶坝的水源应水质洁净。

（3）充排系统的动力设备应根据工程情况、运用管理的可靠性、操作方便等因素，经济合理的选用水泵或空压机的容量及台数；重要的橡胶坝工程应配置备用动力设备。

（4）管路设计应与充排时间相适应，具有足够的充排能力，做到布置合理、运行可靠及维修方便；寒冷地区的埋设应满足抗冻要求。

（5）充水坝的安全设施主要有安全溢流设备和排气阀，坝袋内压不应超过设计值，排气阀均匀设在坝袋顶部。

（6）充气坝宜设置安全阀、水封管或U形管等充气压力监测设备。

（7）橡胶坝观测装置主要包括想橡胶坝上、下游水位观测、内压观测和土建工程观测等。上、下游水位观测可采用连通管或水尺；充水坝内压观测采用坝内连通管，充气坝采用安装压力表。土建工程观测设计可参照《水闸设计规范》（SL265-2001）等规定进行设计。

（8）橡胶坝工程自动控制系统根据上、下游水位和坝袋内压力进行自动控制和运行。自动控制系统的技术方案和规模应根据可靠性、实用性、开放性、先进性、经济性及软件管理的原则，经技术经济比较后确定。

6. 结语

橡胶坝这一新技术，从其诞生至今，尽管只有几十年的时间，但由于其具有一些独特的优点，能够取得显著的社会、经济和生态环境效益，故发展较快，随着橡胶坝技术的进一步开发，其应用范围也会越来越广。

参考规范

「1」 SL227-98，橡胶坝设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，1999

「2」 SL265-2001，水闸设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2001

「3」 高本虎．橡胶坝工程技术指南[M]．北京：中国水利水电出版社，2004

「4」 高本虎．橡胶坝工程技术指南[M]．北京：中国水利水电出版社，2004

「5」 陆吾华，侯作启．橡胶坝设计与管理[M]．北京：中国水利水电出版社，2005

「6」 王文，韩昌海，童中山．橡胶坝技术及应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2008