李懷兵，高艷偉

（1.蘭陵縣水利建筑安裝公司，山東 蘭陵 277700；2.山東省蘭陵縣農(nóng)村公共供水管理辦公室，山東 蘭陵 277700）

橡膠壩由于其環(huán)保、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工周期短等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)廣泛應(yīng)用。1957年美國(guó)工程師采用高分子合成材料在洛杉磯修建了第一座橡膠壩，之后我國(guó)也著手相關(guān)研究，并在北京右安門水道管理中予以成功應(yīng)用。郭維東等[1]在工程實(shí)踐中分析了徑流量對(duì)橡膠壩下泄水流水噪聲的影響，指出了優(yōu)化尾坎高度與消力池長(zhǎng)度的的方法；李洋洋等[2]在浐河流域的實(shí)踐表明，選擇橡膠壩在立壩時(shí)的水面線較塌壩時(shí)的水面線平穩(wěn)，塌壩時(shí)具有延遲性與水躍現(xiàn)象；王洋[3]對(duì)遼寧中部城市非恒定流模型的定邊界條件進(jìn)行改進(jìn)，加入動(dòng)態(tài)邊界后模擬河流橡膠壩河段的流態(tài)，表明其自然恢復(fù)性更好，適宜于河流景觀構(gòu)建。截至目前，我國(guó)的橡膠壩已建成約5000座，近年來更是以每年新建300座左右的速度發(fā)展。目前橡膠壩的發(fā)展趨勢(shì)是，由小跨度到大跨度發(fā)展，由低位向高位發(fā)展。因此再增大跨度、增加高度后橡膠壩的靜動(dòng)力特性需要引起我們的注意。目前已經(jīng)有一些學(xué)者對(duì)橡膠壩的靜動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果[4～8]。本文基于ANSYS軟件對(duì)壩體進(jìn)行靜力和風(fēng)載作用下有限元分析。

1 工程概況

蘆柞橡膠壩位于山東省臨沂市內(nèi)，是南水北調(diào)工程截污導(dǎo)流工程。橡膠壩壩高4 m，擋水高度4 m，正常蓄水位38.7 m，底板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度14 m，底板頂高程34.7 m，采用C25剛勁混凝土底板結(jié)構(gòu)，邊墩采用C25鋼筋混凝土，長(zhǎng)度同底板，墩頂厚1m，墩頂高程39.3 m。彩色壩袋，壩袋布厚3 mm，強(qiáng)度為120 kN/m。

對(duì)于壩高超過3 m的橡膠壩，往往采用的還是傳統(tǒng)低矮橡膠壩的設(shè)計(jì)方法，無論是在靜荷載還是動(dòng)荷載的影響下都存在較大的安全隱患，因此本文基于ANSYS軟件對(duì)蘆柞橡膠壩進(jìn)行數(shù)值建模，分析加固和不加固下橡膠壩的穩(wěn)定性，以及在動(dòng)荷載作用下，橡膠壩的應(yīng)力反應(yīng)特點(diǎn)。并根據(jù)橡膠壩的運(yùn)行情況提出相應(yīng)建議。

2 壩體靜力分析結(jié)果

采用ANSYS軟件計(jì)算壩體的靜強(qiáng)度問題，采用壩袋Mooney-Rivlin材料模型和薄膜結(jié)構(gòu)有限元分析方法，計(jì)算橡膠壩體加固和不加固壩體的強(qiáng)度問題。壩體的設(shè)計(jì)參數(shù)為：壓力比 α=1.4、H1=3m、H0=4.2m，壩體長(zhǎng)度為 15 m。

對(duì)于目前一些超高橡膠壩，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足其抵抗外界荷載的功能需求，因此需要采取相應(yīng)的措施對(duì)壩體進(jìn)行加固，分別計(jì)算加固和不加固壩體的等效應(yīng)力。

圖1 壩體最大應(yīng)力變化圖

由計(jì)算結(jié)果可知，未加固壩體最大應(yīng)力為6.72 MPa，加固后的壩體最大應(yīng)力為6.5 MPa，均滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于一般的壩體可以不進(jìn)行加固處理，但是對(duì)于超高壩體，為防止壩體出現(xiàn)工程災(zāi)害，要進(jìn)行加固處理，提高壩體的安全系數(shù)。由圖1可知，壩體的最大應(yīng)力在間距為0.5 m時(shí)，出現(xiàn)最小值，因此對(duì)于本工況下，建議設(shè)計(jì)間距為0.5 m時(shí)，能對(duì)荷載起到很好的分布優(yōu)化作用。

3 橡膠壩風(fēng)載作用結(jié)果

橡膠壩在承受風(fēng)載作用時(shí)，由于其大跨度的特點(diǎn)，幾乎不能承受彎矩，因此橡膠壩在承受風(fēng)荷載時(shí)的軸力和剪力較大，進(jìn)而導(dǎo)致其變形較大。采用非線性理論，通過ANSYS軟件對(duì)橡膠壩進(jìn)行整體風(fēng)荷載受力分析。模擬壩體承受20 m/s的風(fēng)速，通過風(fēng)速簡(jiǎn)化加載函數(shù)：

計(jì)算得到壩體上風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線見圖2。

圖2 壩體上風(fēng)壓隨時(shí)間變化曲線

圖3 X和Y方向上應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖

如圖3所示，壩體在X和Y方向上應(yīng)力隨時(shí)間變化幅度較小，由此說明在風(fēng)載作用下，壩體的動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)可取小一些。本文只對(duì)動(dòng)荷載下，橡膠壩的反應(yīng)進(jìn)行了初步研究，由于風(fēng)荷載的頻率與壩體的固有振動(dòng)頻率相似，因此導(dǎo)致壩體整體或局部劇烈震動(dòng)，引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，此問題需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）本工況下加固后壩體和不加固壩體均滿足設(shè)計(jì)要求，但是對(duì)于超高橡膠壩為提高其安全性和穩(wěn)定性，需要進(jìn)行加固處理。在設(shè)計(jì)間距為0.5 m時(shí)，壩體的受力分布較為均勻。

2）在風(fēng)荷載作用下，壩體整體的動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，因此設(shè)計(jì)中動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)可以取小一些，但是對(duì)于在動(dòng)荷載作用下壩體的震動(dòng)問題還需深入研究。

4.2 建議

1）橡膠壩袋容易受到尖利和有頭角物體的損壞，故應(yīng)劃出橡膠壩工程的管理范圍和安全區(qū)域。制定橡膠壩運(yùn)行管理的有關(guān)規(guī)章制度，宣傳落實(shí)水法、防洪法、水污染防治法、河道管理?xiàng)l例等法律法規(guī)。在管理和保護(hù)范圍內(nèi)，禁止“四亂”（亂倒垃圾、亂占河灘、亂采砂石、亂修建筑物），督促清淤除障，保障行洪安全。

2）迎水面設(shè)立水標(biāo)尺，加強(qiáng)水情預(yù)報(bào)。在重點(diǎn)監(jiān)控范圍內(nèi)規(guī)劃“三線”（橡膠壩管理范圍線、保證水位線、警戒水位線），給橡膠壩管理提供依據(jù)。

3）加強(qiáng)工程觀測(cè)，如壩身沉降、壩基滲漏、水位變化等，并作好記載，編制并實(shí)施工程維修計(jì)劃，當(dāng)工程發(fā)生重大險(xiǎn)情和重大事故時(shí)，及時(shí)向上級(jí)主管部門請(qǐng)示報(bào)告并提出搶險(xiǎn)方案。