寒冷地區充水枕式橡膠壩工程設計探析

張同軍，王歌，張興

（1.遼寧省撫順市清原滿族自治縣水務事務服務中心，遼寧 清原 113300；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300220；3.遼寧省撫順市清原滿族自治縣水利勘測設計室，遼寧 清原 113300）

1 工程概況

門坎哨攔河閘除險加固工程地處遼寧省撫順市清原滿族自治縣境內、渾河干流上，左岸緊鄰河堤路，右岸為國道202 公路，擔負著閘址以下246.67 hm2水田的灌溉任務。工程始建于1990 年，原設計洪水標準為5 年一遇，校核洪水標準為10年一遇，最大過閘流量為1 460.31 m3/s。主要建筑物由右岸向左岸依次為進水閘、自由溢流堰+泄沙閘和自潰土堤（長50.00 m），其中自由溢流堰壩長200.00 m，堰高1.20 m，戽流消能；堰上分散布設10 孔泄沙閘，單孔凈寬2.50 m。

2009 年，水利部核定該工程為3 類壩，確定除險加固后工程規模為大（2）型Ⅱ等工程，設計洪水標準為20 年一遇，校核洪水標準為50 年一遇，消能防沖建筑物洪水標準為20 年一遇，最大過閘流量為4 380 m3/s，正常蓄水位為149.58 m。主要建筑物由右岸向左岸依次為進水閘、泄洪沖沙閘和橡膠壩，泵房布置在緊鄰沖沙閘和進水閘下游側的右岸岸邊，共兩層，地下一層為水泵室，地上一層為控制室。該工程于2018 年5 月開工，于2019年11 月下閘蓄水，目前已經歷3 個完整汛期考驗，運行正常。工程總投資2 311.77萬元，其中，國家匹配資金占60%，遼寧省和地方配套資金各占20%。

工程地處遼寧省東部寒冷山區，多年平均年降水量為810.9 mm，最冷月平均氣溫為-37.6 ℃，最大凍土深為1.69 m，地震基本烈度小于Ⅵ度。閘址區基礎土層為圓礫，巖性以花崗巖為主，天然密度為21 kN/m3，孔隙率為0.33%，內摩擦角為32°，允許承載力為350 kPa，滲透系數為6.9×10-2cm/s，允許滲透比降為0.22（水平段）、0.50（出口段）。

2 橡膠壩段結構設計

渾河流域為多泥沙河流，參考同類工程，綜合考慮泄流能力與減少泥沙淤積等因素，確定閘底板頂高程高出河床平均高程0.20 m，取為148.00 m。橡膠壩段布置在主河床偏左岸，總長241.00 m，共分4 跨4 個壩袋，單跨長59.50 m，壩高1.60 m。橡膠壩段自上游向下游由防滲鋪蓋、壩體、消力池及海漫組成，上游防滲鋪蓋順水流向長5.00 m，底板厚0.40 m，頂高程148.00 m；橡膠壩體順水流向長7.50 m，底板厚1.50 m，頂高程148.00 m，橡膠壩袋充脹頂高程為149.60 m，中墩厚1.00 m；底流消能消力池順水流向池長21.70 m，池深0.80 m，池底板頂高程146.70 m，消力池末端6.00 m 范圍內設有排水孔；海漫段長20.00 m，末端設拋石防沖槽?；炷猎O計標號為C30F300，過水面層配筋雙向均為HRB400 直徑20@200。防滲鋪蓋、閘底板與消力池底板間的結構縫錯縫布置，沿垂直水流向結構縫間距為15.00 m，結構縫間設置1 道橡膠止水帶。

3 充水枕式橡膠壩的抗冰凍設計

3.1 橡膠壩袋凍脹機理及袋壁材料選擇

橡膠壩袋按充脹介質可分為充水式和充氣式，結合門坎哨攔河閘實際運行條件，地處寒冷地區且多泥沙河流，采用充水式橡膠壩袋較為適宜。冬季充水式橡膠壩壩袋內易結冰，坍壩運行時壩袋表面會過冰，上述情況對壩袋的正常壽命帶來多大影響及如何采取可靠措施給予切實的保護一直是運行中備受關注的問題。通過對忻州市郭家寨水庫橡膠壩兩年冬季結冰運行的原型觀測數據分析得出[1]，當外界最低氣溫為-17.0 ℃時，壩袋內最低點溫度為-6.5 ℃，二者變化不同步，壩袋內日平均溫度比外界日平均氣溫平均高約8.8 ℃；同時發現，壩袋在補水過程中溫度上升，水充填了冰與壩袋之間的空隙，將壩袋內冰與壩袋內壁分離開來。根據1 d 3 次（早8 時，午14 時，晚16 時）壩袋內溫度以小時加權平均后，計算出橡膠壩內部各點的日平均溫度等值線，見圖1。結冰過程中，溫度每降低1.0 ℃歷時1 d，壩袋內可增加冰厚0.70 cm 左右；溶解過程中，溫度每增加1.0 ℃歷時1 d，壩袋內可溶解1.00 cm 左右厚的冰。結冰速度小于融冰速度。

圖1 壩袋內外溫差實測曲線

結合以上試驗成果分析，當橡膠壩冬季充脹運行時，如果能夠每隔數日對橡膠壩壩袋進行排水及充水運行，可以有效地緩解壩袋內結冰對壩袋造成損壞。冬季橡膠壩坍壩運行時，若河道內水流冰的厚度較小，一般不會對壩袋造成破壞；壩袋表面的過流能保持一定的水流深度，冰就會浮在水面，對壩袋造成損壞不大。

依據SL 227—98《橡膠壩技術規范》，對于充水橡膠壩袋強度設計安全系數不小于6.0，計入安全系數后徑向及緯向膠布抗拉強度不小于60.00 kN/m。經計算，充水枕式橡膠壩袋設計內外壓比值選用1.40，壩高1.60 m，壩袋徑向拉力為11.52 kN/m。壩袋緯向拉力計算較為復雜，當壩袋充脹后，由于錨固線的約束，各部位的受力情況不同。袋壁壩袋中段的緯向拉力可取徑向拉力的50%，即5.76 kN/m；兩端附近的折皺區受力情況比較復雜，可按徑向拉力的100%計算，即11.52 kN/m。

根據橡膠壩袋強度計算成果并結合門坎哨工程實際運行條件分析，在冬季橡膠壩坍壩運行時，存在壩頂過流冰的可能性；同時，渾河為多泥沙河流，河水裹挾泥沙泄流會對壩袋有一定的磨損；綜合考慮選用壩袋袋壁材料為二布三膠（2 層錦綸帆布，3 層氯丁橡膠），袋布總厚度為6.80 mm，經緯向抗拉強度為160.00 kN/m，壩袋型號為JBD1.60-100100-2。

3.2 橡膠壩袋充排水管的抗凍脹設計

橡膠壩段布置4跨，共4個橡膠壩壩袋，每個壩袋設置1根充排水管，1管兩用，共4根充排水管。充排水鋼管材質采用Q235D 鋼，型號為DN300 mm，埋設在閘混凝土底板內。為避免冬季排水鋼管內發生凍脹破壞，考慮在水泵強排基礎上鋼管內殘留的水能夠自流排出，從根源上解決水的凍脹問題，在布設充排水管時，要求沿管路軸線方向的橫向坡比不小于0.2%，閘底板頂高程為148.00 m，底高程為146.50 m，充排水管中心高程為146.75～147.30 m，以確保充排水管內殘余積水可以自流排至右岸泵房的集水井內，管路內無水、無凍脹問題。

3.3 橡膠壩袋充排水管的過縫保護設計

工程地處寒冷地區，充排水管埋設在閘底板混凝土內部，底板厚度為1.50 m，建基土層為圓礫，非凍脹土。充排水管為單管單壩袋，距離泵房最遠的鋼管長度為231.00 m，過閘底板結構縫有15 個。為減小閘底板的不均勻沉降對鋼管產生的法向應力，對充排水鋼管過縫部位設置過縫保護結構。過縫的設計使充排水鋼管與套管間形成柔性加強區域，保護范圍為兩端過結構縫各1.50 m區域，沿充排水鋼管DN300 mm 徑向設置鋼套管DN450 mm，在鋼套管兩端設置瀝青麻片，用棕繩麻繩包扎。目前，工程投入使用已3 年，經歷6 個凍融循環，充排水鋼管運行良好無滲漏，說明鋼管過縫結構起到了一定保護作用。

4 橡膠壩袋充排水系統

門坎哨橡膠壩壩袋總容水量為946.40 m3，壩袋充水時間為5 h，坍壩排水時間為1 h，壩袋內壓比1.4。橡膠壩的充排水系統采用強充強排方式，根據橡膠壩的總容水量及充、排水時間，在泵房內144.50 m 高程設置4 臺套臥式離心泵（其中3 臺工作，1 臺備用）作為壩袋充、排水泵，且設置相應的閥門、管路、附件和自動化軟件等設備。當橡膠壩充起時，水泵從集水井抽水通過閥門及管道向各個壩段的壩袋充水；當橡膠壩需要排水時，壩袋中的水通過水泵強排至下游消力池中。在充排水總管上設置4 套壓力開關，用于控制水泵啟停。當工作泵出現故障或需要檢修維護時，備用泵可代替任意一臺工作泵。

為保障橡膠壩袋的充水安全，在每個壩袋均設置1 根超壓溢流管，共4 根，管徑為DN300 mm，出口分別布置在中閘墩和沖沙閘右邊墩上，出口高程為150.24 m，比坍壩水位高出0.24 m，在出口部位設置有防止洪水倒灌入的法蘭式橡膠緩閉式逆止閥。橡膠壩充排水系統內設有控制水流方向的逆止閥。超壓溢流管的出水口方向宜朝向管理房側，便于運行管理人員及時觀測壩袋充盈水狀況，在保障工程安全的同時，使工程管理方式更加靈活多樣化。

5 結語

門坎哨橡膠壩冬季不運行，不存在壩袋擋水問題，但由于寒冷地區冬季室外溫度很低，河道水流會結冰，因此應采取必要措施對過冬的壩袋予以保護；在開春流冰季節，管理部門要做好河道清理，盡可能避免上游流冰及漂浮的樹枝等雜物對橡膠壩袋造成損壞，當橡膠壩坍壩運行時，要采取必要措施使得壩袋表面有一定的水深，讓冰浮在水面，若冰的厚度較小，一般不會對壩袋造成破壞。

門坎哨攔河閘閘址左岸緊鄰河堤路，右岸為國道202 公路，初設階段批復的橡膠壩充排水泵房設在左岸，在河堤路內建設。在工程開工建設落實過程中，建設管理單位提出泵房所在左岸的現有河堤道路無法作為防汛道路，而且現狀供電線路均在右岸，要求將泵房位置變更到右岸。經清原滿族自治縣水務局、上級主管部門和設計單位多次研究，確定了泵房調整方案。調整后的泵房緊鄰沖砂閘和進水閘下游側的右岸岸邊，泵房通往控制室的大門正對國道202 公路，防汛交通便利，近岸側回填至路面高程，形成約35 m2的平臺，便于汛期搶險作業和運行管理，泵房的位置調整是合理的。該工程建設過程中發生的設計變更，嚴格執行了審批制度，并非常重視工程建設前期的準備工作，可供同類工程借鑒。