楊佳棟

（承德市武烈河河道與橡膠壩管理中心，河北 承德067000）

1 工程概況

武烈河自北向南貫穿整個(gè)承德市城區(qū)， 多年來(lái)武烈河橡膠壩群水環(huán)境工程形成240萬(wàn)m2的人工湖面，庫(kù)容達(dá)300萬(wàn)m3。 第二道橡膠壩建成于1989年，是武烈河梯級(jí)蓄水工程的一部分，除防洪排澇外，在改善河道生態(tài)環(huán)境、 避暑山莊湖區(qū)補(bǔ)水等方面發(fā)揮了重要作用。

第二道橡膠壩工程由河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)， 為山區(qū)多泥沙河道建設(shè)橡膠壩設(shè)計(jì)提供了高貴經(jīng)驗(yàn)，壩高2.5m，共分兩跨，每跨長(zhǎng)83m，內(nèi)壓比1.40。 壩袋為枕式直墻壩，采用楔塊錨固，井泵充壩，自流塌壩。 壩底板、鋪蓋、護(hù)坦、消力池及中邊墩混凝土均為200#（相當(dāng)于C18）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 第二道橡膠壩建設(shè)完成投入運(yùn)行以來(lái)， 為滿足山莊補(bǔ)水和城市供水的需求，已連續(xù)高水位運(yùn)行30年。橡膠壩運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)歷了多次洪水， 以1994年7月13日洪水（1360m3/s）最為嚴(yán)重，造成壩袋撕裂和下游防沖設(shè)施沖毀［1］。自2004年更換橡膠壩袋后運(yùn)行至今已達(dá)15年，現(xiàn)狀壩袋表面多處受損，壩袋老化嚴(yán)重，機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)不同程度的水蝕、銹蝕，均不能滿足橡膠壩安全運(yùn)行。 由于第二道橡膠壩地理位置的重要性，一旦潰壩會(huì)帶來(lái)較為嚴(yán)重的社會(huì)影響， 造成無(wú)法估量的損失，經(jīng)市政府批準(zhǔn)，對(duì)第二道橡膠壩進(jìn)行了維修改造。

2 橡膠壩體改造分析

2.1 橡膠壩袋的選擇

壩袋是橡膠壩工程的主體性擋水建筑物， 壩袋骨架和橡膠材料的選用， 不僅關(guān)系著橡膠壩工程的使用壽命，也是橡膠壩工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的保障。橡膠壩袋按膠布的組成結(jié)構(gòu)不同可分為一布兩膠、兩布三膠、三布四膠等。2004年第二道橡膠壩更換的橡膠壩壩袋為兩布三膠，在外層膠上貼綠色保護(hù)膠膜，經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)行，在壩袋端頭與直墻接觸部位，出現(xiàn)表層膠膜撕裂，外露膠布有明顯磨損痕跡。由于長(zhǎng)期受潮濕、氧化作用，在上、下游錨固線上約0.5m范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積起泡現(xiàn)象，撕開(kāi)后內(nèi)部外層膠完好，有水流出。本次改造為解決山莊湖區(qū)補(bǔ)水需求，在原壩體跨度不變的基礎(chǔ)上， 承德市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院按改造方案對(duì)橡膠壩相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)計(jì)算，橡膠壩壩高由2.5m增至3.0m。 壩袋膠布采用兩布三膠，內(nèi)壓比選定為1.48。 考慮到壩袋顏色與周圍景觀協(xié)調(diào)性，不再使用彩色壩袋。

2.2 錨固結(jié)構(gòu)型式的選擇

錨固結(jié)構(gòu)的合理布置直接影響橡膠壩壩體的改造，是實(shí)現(xiàn)壩體加高的關(guān)鍵，原第二道橡膠壩的錨固結(jié)構(gòu)為靴型槽前后楔塊擠壓式錨固（圖1）。 綜合考慮楔塊運(yùn)行維護(hù)、施工工藝和安全、可靠性等因素。根據(jù)GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》當(dāng)壩高超過(guò)3.0m時(shí)就不宜采用楔塊擠壓式錨固的要求［2］。 本次橡膠壩維修改造采用雙錨固螺栓壓板式錨固結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖1 第二道橡膠壩楔塊式錨固結(jié)構(gòu)

2.3 上下游錨固線的布設(shè)

橡膠壩上下游兩條錨固線的距離應(yīng)滿足設(shè)計(jì)條件下計(jì)算的壩袋上下游間貼地長(zhǎng)度要求。 在確定雙錨固線的兩條錨固中心線的距離時(shí)，應(yīng)以上、下游錨固構(gòu)件內(nèi)側(cè)間的距離等于設(shè)計(jì)條件下計(jì)算的壩袋上下游間貼地長(zhǎng)度為依據(jù)［3］。 按照改造方案壩高3m和壩袋內(nèi)壓比為1.48，依據(jù)GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》 求得上游貼地面段長(zhǎng)度為3.06m，下游貼地段長(zhǎng)度為1.34m［2］。 經(jīng)計(jì)算分析壩底板順?biāo)鞣较蝈^固槽內(nèi)側(cè)凈間距為4.1m，上、下游錨固槽寬均為0.3m，能夠滿足螺栓錨固線布設(shè)要求。

圖2 利用橡膠壩原錨固槽的錨固結(jié)構(gòu)

2.4 錨固力的計(jì)算分析

第二道橡膠壩的錨固結(jié)構(gòu)需要在原錨固槽進(jìn)行植筋，確定植入螺栓的直徑。 根據(jù)GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》 計(jì)算公式計(jì)算螺栓直徑，其計(jì)算采用式（1）［2］及式（2）。

式中 T為單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載（N/m），取壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度值；ρ為水的密度（1000kg/m3）；α為壩袋內(nèi)外壓比；H為設(shè)計(jì)壩高（m）；g為重力加速度（10m/s2）；Q0為每根螺栓承受的設(shè)計(jì)荷載 （kN）；k1為壩袋徑向拉力、栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的綜合影響系數(shù)，取10；n為單位長(zhǎng)度內(nèi)螺栓根數(shù)。 橡膠壩順?biāo)鞣较颥F(xiàn)狀錨固槽處鋼筋長(zhǎng)度為1.1m，面層鋼筋的間距為0.2m。 為最大程度避免植筋過(guò)程中對(duì)錨固槽內(nèi)已有鋼筋損壞，螺栓植入間距設(shè)計(jì)為0.2m，單位長(zhǎng)度內(nèi)有5根螺栓。 第二道橡膠壩壩高H為3.0m，內(nèi)壓比為1.48，壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度T為44.1kN/m，綜合影響系數(shù)取10，每根螺栓承受的設(shè)計(jì)荷載Q0為88.2kN。

工程選用Q345 號(hào)錨固螺栓（抗拉強(qiáng)度值為180N/mm2），螺栓直徑的計(jì)算如式（3）［2］。

GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》將考慮壩袋與海綿止水膠及膠板之間的摩擦系數(shù)以綜合影響系數(shù)考慮，而《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》中考慮壩袋與海綿止水膠及壓板之間的摩擦系數(shù)， 從水平向力平衡和對(duì)螺栓中心線取矩的力矩平衡方面考慮計(jì)算螺栓直徑。本文在采用《規(guī)范》中計(jì)算方法的同時(shí)，按《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》 中推薦方法計(jì)算螺栓直徑，并對(duì)二者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》中每根螺栓的設(shè)計(jì)拉力的計(jì)算公式如式（4）［4］。

式中 p0為螺栓設(shè)計(jì)拉力（kN/m）；k1為安全系數(shù)，取3；f為壩袋與海綿止水膠之間的摩擦系數(shù)，取0.7；f1為壩袋與底板之間的摩擦系數(shù)，取0.2；T為壩袋徑向拉力（kN/m）；θ為上游壩面轉(zhuǎn)角，計(jì)算值為88.831°。 經(jīng)計(jì)算，每根螺栓的設(shè)計(jì)拉力為82.309kN。

螺栓根部設(shè)計(jì)直徑的計(jì)算公式如式（5）［4］。

式中 ［σ］為螺栓材料允許抗拉強(qiáng)度（N/cm2），取270 N/cm2。

螺栓的設(shè)計(jì)拉力計(jì)算值T0為82.309kN/m，計(jì)算螺栓根部設(shè)計(jì)直徑d為25.383mm。

根據(jù)《規(guī)范》法和《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》推薦方法計(jì)算結(jié)果可知，二者計(jì)算結(jié)果差異不大；《規(guī)范》法計(jì)算的每根螺栓承受荷載比《橡膠壩技術(shù)及應(yīng)用》計(jì)算的數(shù)值偏大，但計(jì)算的螺栓直徑偏小，這與摩擦系數(shù)的取值有關(guān)。保守起見(jiàn)，設(shè)計(jì)取值取兩種算法中較大者，即螺栓直徑不低于25.383mm。 故選用M27螺栓。

考慮到本工程需要在原橡膠壩錨固槽上植入螺栓，受施工等外部影響較大，從經(jīng)濟(jì)合理及保證工程安全的角度，工程選用M27螺栓。 根據(jù)《橡膠壩技術(shù)與應(yīng)用》中螺栓錨固長(zhǎng)度表得出，本工程螺栓錨固長(zhǎng)度為25d，即675mm。

3 橡膠壩基改造分析

第二橡膠壩維修改造過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)中邊墩混凝土表層受侵蝕嚴(yán)重， 委托專業(yè)檢測(cè)人員對(duì)壩基混凝土主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)。 壩底板和中邊墩原設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)200#（相當(dāng)于C18），回彈法實(shí)測(cè)強(qiáng)度為27.7至37.6MPa，大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范［5］規(guī)定，混凝土結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足強(qiáng)度和限裂要求外還要滿足耐久性要求。 工程實(shí)測(cè)中邊墩混凝土碳化深度最大23mm，最小5mm，平均14mm；實(shí)測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度最大71mm，最小37mm，平均66.5mm。 壩底板由于長(zhǎng)期處于底墊片覆蓋之下的潮濕環(huán)境中，未發(fā)生碳化，壩底板不需進(jìn)行處理； 中邊墩不會(huì)出現(xiàn)由于碳化引起的老化病害， 為減少橡膠壩袋磨損需要對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理。

4 橡膠壩充排系統(tǒng)改造分析

第二橡膠壩充排水系統(tǒng)采用2根充排螺旋鋼管，設(shè)充排水泵進(jìn)行充泄水控制，經(jīng)多年運(yùn)用，水泵及閘閥部分已經(jīng)損壞，且部分閘閥為手動(dòng)，不利于橡膠壩運(yùn)行管理，為保證橡膠壩充排水的正常運(yùn)行，需要對(duì)離心泵和蝶閥進(jìn)行更換。供水井已經(jīng)運(yùn)行了10余年，壩袋的充排水系統(tǒng)是由供水井補(bǔ)給， 橡膠壩充水量達(dá)2000m3。 充水水源從庫(kù)區(qū)建設(shè)的供水井取水，供水井采用井底進(jìn)水的方式供水， 井壁為鋼筋混凝土井壁。近幾年由于水體污染和庫(kù)區(qū)淤積，至使管道部分堵塞，造成水流緩慢，直接影響了橡膠壩工程的正常運(yùn)行，對(duì)橡膠壩供水井及管道進(jìn)行清洗，并在泵房管道進(jìn)口處加設(shè)管道過(guò)濾器，確保橡膠壩正常充水。

5 結(jié)語(yǔ)

第二道橡膠壩屬典型北方山區(qū)河道橡膠壩工程， 改造后運(yùn)行管理過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)橡膠壩的安全監(jiān)測(cè)。 汛期要嚴(yán)格按照武烈河橡膠壩群汛期調(diào)度制度進(jìn)行橡膠壩的行洪調(diào)度。定期檢查橡膠壩運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行和發(fā)揮綜合效益雙贏的效果。