右安門橡膠壩壩袋檢測與安全評價

桂 彬 李 萌 烏 溪

(1.北京市城市河湖管理處，北京 100089；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

橡膠壩壩袋屬于高分子材料，長期處于日曬、水浸的環境中運行，還可能遭受各種外力作用和自然條件侵襲，壩袋膠布的老化變質、磨損等狀態都處在不斷變化之中[1-2]。隨著運行年限的增長，橡膠壩壩袋磨損、老化等病害將逐漸顯現，加強工程日常檢查、定期檢測和安全評價日益重要。若管理不善或無人管理，未能及時檢測發現壩袋出現的病害缺陷并采取必要的修補措施，將有可能造成壩袋撕裂報廢，直接威脅工程的安全運行。

1 工程概況

右安門橡膠壩位于北京市右安門外以西約500m的南護城河上。設計壩高3.0m，壩袋設計內壓水頭為4.3m，采用雙錨線螺栓壓板式錨固。壩袋膠布型號為JBD3.5-260-2，二層膠布，錦綸膠布型號為J260260-2，膠布強度均為260kN/m。右安門橡膠壩起著節制閘和分洪閘的雙重作用，平時鼓壩壅水調節流量，擔負著向南護城河和涼水河分配工農業用水的任務；汛期洪水流量小時坍壩泄洪，當洪水流量較大時，則將橡膠壩鼓起到設計高度向涼水河分洪。右安門橡膠壩自上次更換壩袋至今已運行18年，為保證橡膠壩工程運行安全、加強質量管理，需要對壩袋進行檢測與安全評價。

2 檢測內容與檢測方法

影響壩袋老化的因素有內在和外在兩種，根據壩袋的運用情況，其發生老化的現象可分為外觀變化和物理力學性能變化[3]。根據相關規程規范要求[4-5]，本次橡膠壩壩袋檢測內容主要包括外觀質量、壩袋厚度、拉伸強度、拉斷伸長率及硬度等物理力學指標。

2.1 壩袋外觀質量檢測

壩袋外觀質量檢測內容主要包括壩袋的褶皺、破損、老化、磨損、修補情況以及壩袋的密封性等。

2.2 壩袋厚度檢測

現場在壩袋錨固邊緣部位取樣，將壩袋試樣放在厚度計平臺上，確保壩袋光滑平整，無皺折，無任何拉伸。將壓腳輕輕放到壩袋試樣上，使其在壩袋試樣上停留10s，然后讀取厚度計示值(精確至0.02mm)。在壩袋試樣有效寬度上均勻等距測量10個點的厚度，計算10次測量的算術平均值，取該值作為壩袋的厚度[6]。

2.3 壩袋硬度檢測

壩袋膠料硬度采用邵A型硬度計檢測[7]，壓針端頭平面直徑為0.79mm。邵氏硬度計的測量原理是在彈簧力的作用下把壓針壓入橡膠試樣一定深度，用其壓入深度度量硬度值的高低。

2.4 壩袋拉伸強度和拉斷伸長率檢測

現場在壩袋錨固邊緣部位取樣，在試驗室將壩袋試樣制作成標準啞鈴形試件(見圖1)，試件數量不少于3個。試樣的寬度取裁刀狹窄部分刀刃間的距離，試樣厚度采用測厚計在試驗長度的中部和兩端測量，取3個厚度測量值的中位數用于計算橫截面面積[8]。在任何一個啞鈴狀試樣中，試驗長度部分的三個測量厚度值都不得超過厚度中位數的2%。

圖1 啞鈴狀試樣形狀

在試驗過程中，為保證拉力均勻地分布在橫截面上，將試樣對稱地夾在拉力試驗機的上、下夾持器上，并在試驗機上裝配一個伸長測量裝置，夾持器的移動速度為500mm/min±50mm/min(見圖2)。在整個測試過程中，需要連續觀測試樣長度和拉力的變化情況，精度在±2%之內。根據試驗結果對拉伸強度和拉斷伸長率進行計算，計算公式如下：

圖2 壩袋膠料拉伸試驗

式中Ts——拉伸強度，MPa；

Eb——拉伸伸長率，%；

Fm——記錄的最大力，N；

W——裁刀狹窄部分的寬度，mm；

t——試驗長度部分寬度，mm；

Lb——斷裂時的試驗長度，mm；

L0——初始試驗長度，mm。

3 壩袋安全檢測結果與分析

3.1 壩袋外觀狀況檢測

右安門橡膠壩壩袋嚴重老化、變色，表面龜裂(見圖3)；橡膠壩表層膠存在多處損傷、開裂(見圖4)；壩袋搭接黏合處表層膠出現大量老化、損傷開裂現象，最大開裂長度5.9m，最大開裂寬度3.5mm，開裂深度1～2mm(見圖5)。

圖3 壩袋表面老化龜裂、搭接處表層膠老化開裂

圖4 壩袋外層膠損傷、開裂

圖5 壩袋搭接黏合處外層膠老化、損傷開裂

3.2 壩袋膠布的膠層厚度檢測

現場取樣，按照相關標準規定的試驗方法，在試驗室對壩袋膠布的膠層厚度進行了檢測(見表1)。

表1 壩袋膠布試樣的膠層厚度檢測結果

由表1可知，右安門橡膠壩壩袋樣品外層覆蓋膠、夾層膠以及內層覆蓋膠厚度均滿足規范要求。

3.3 壩袋物理力學性能檢測

現場取樣，在試驗室按照標準試驗方法對壩袋膠料樣品的拉伸強度、拉斷伸長率及硬度和壩袋膠布的拉伸強度進行了檢測(見表2)。

表2 壩袋膠料與膠布試樣物理力學性能檢測結果

由于取樣位置位于橡膠壩邊緣處，該樣品在運行過程中基本不存在受力疲勞老化，只會有氣候老化。

由表2可知，右安門橡膠壩壩袋外層膠、內層膠拉伸強度分別為5.98MPa和3.96MPa，僅為規范最低指標要求的42.7%和66.0%；外層膠、內層膠的拉斷伸長率分別為106%和93%，僅為規范最低指標要求的26.5%和37.2%；壩袋外層膠、內層膠指標已遠低于規范指標要求。右安門橡膠壩壩袋膠布的經向、緯向拉伸強度分別為181kN/m和165kN/m，較設計膠布強度分別降低了30.4%和36.5%，不滿足設計要求。

4 壩袋強度復核與安全評價

4.1 壩袋強度復核

壩袋抗拉強度與壩袋設計強度之比為壩袋強度設計安全系數。在工程實踐中發現，造成壩袋屢屢被撕裂破壞的主要原因之一是壩袋強度安全系數過低。為了掌握目前壩袋安全系數，采用下列公式對壩袋徑向計算強度進行了計算，壩袋內外壓比α為1.43，壩袋徑向計算強度T為41.85kN/m。

α=H0/H1

式中T——壩袋徑向計算強度，kN/m；

γ——水的重度，10kN/m3；

α——壩袋內外壓比；

H0——壩袋內壓水頭，m；

H1——設計壩高，m。

由表2可知壩袋膠布檢測徑向拉伸強度為181kN/m，經計算壩袋強度安全系數K為4.3。

4.2 壩袋安全評價

a.外觀狀況。右安門橡膠壩壩袋表面嚴重老化、龜裂、變色，外層膠存在多處損傷、開裂，壩袋搭接黏合處表層膠存在大量老化、損傷開裂現象。

b.物理力學性能指標。橡膠壩檢測試樣外層膠、內層膠拉伸強度分別為5.98MPa和3.96MPa，僅為規范最低指標要求的42.7%和66.0%；外層膠、內層膠的拉斷伸長率分別為106%和93%，僅為規范最低指標要求的26.5%和37.2%；壩袋膠布徑向、緯向拉伸強度分別為181kN/m和165kN/m，較設計膠布強度分別降低了30.4%和36.5%。由檢測結果可知，壩袋試樣外層膠、內層膠指標已遠低于規范要求，壩袋膠布抗拉強度不滿足設計要求。

c.壩袋強度。壩袋強度安全系數為4.3，不滿足《橡膠壩工程技術規范》(GB/T 50979—2014)“充水式壩袋的強度設計安全系數不應小于6.0”的要求。

目前，壩袋外觀存在較嚴重的老化開裂等病害缺陷，外層膠、內層膠拉伸強度、拉斷伸長率均嚴重低于規范要求，壩袋膠布抗拉強度大幅下降，壩袋強度安全系數不滿足規范要求，壩袋存在撕破損壞安全隱患。

5 結 語

右安門橡膠壩是我國建成的第一座充水式橡膠壩，目前已經運行50多年，運行期間于1987年、2004年分別進行過壩袋更新，自上次更換壩袋至今已運行18年，基本上達到使用壽命。根據壩袋檢測、強度復核和安全評價結果，壩袋老化損傷問題凸顯，建議盡快更換壩袋。