桂 彬 李 萌 烏 溪

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

橡膠壩壩袋屬于高分子材料，長(zhǎng)期處于日曬、水浸的環(huán)境中運(yùn)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(zhì)、磨損等狀態(tài)都處在不斷變化之中[1-2]。隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，橡膠壩壩袋磨損、老化等病害將逐漸顯現(xiàn)，加強(qiáng)工程日常檢查、定期檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)日益重要。若管理不善或無(wú)人管理，未能及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)壩袋出現(xiàn)的病害缺陷并采取必要的修補(bǔ)措施，將有可能造成壩袋撕裂報(bào)廢，直接威脅工程的安全運(yùn)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(hù)城河上。設(shè)計(jì)壩高3.0m，壩袋設(shè)計(jì)內(nèi)壓水頭為4.3m，采用雙錨線螺栓壓板式錨固。壩袋膠布型號(hào)為JBD3.5-260-2，二層膠布，錦綸膠布型號(hào)為J260260-2，膠布強(qiáng)度均為260kN/m。右安門橡膠壩起著節(jié)制閘和分洪閘的雙重作用，平時(shí)鼓壩壅水調(diào)節(jié)流量，擔(dān)負(fù)著向南護(hù)城河和涼水河分配工農(nóng)業(yè)用水的任務(wù)；汛期洪水流量小時(shí)坍壩泄洪，當(dāng)洪水流量較大時(shí)，則將橡膠壩鼓起到設(shè)計(jì)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(yùn)行18年，為保證橡膠壩工程運(yùn)行安全、加強(qiáng)質(zhì)量管理，需要對(duì)壩袋進(jìn)行檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)。

2 檢測(cè)內(nèi)容與檢測(cè)方法

影響壩袋老化的因素有內(nèi)在和外在兩種，根據(jù)壩袋的運(yùn)用情況，其發(fā)生老化的現(xiàn)象可分為外觀變化和物理力學(xué)性能變化[3]。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求[4-5]，本次橡膠壩壩袋檢測(cè)內(nèi)容主要包括外觀質(zhì)量、壩袋厚度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率及硬度等物理力學(xué)指標(biāo)。

2.1 壩袋外觀質(zhì)量檢測(cè)

壩袋外觀質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容主要包括壩袋的褶皺、破損、老化、磨損、修補(bǔ)情況以及壩袋的密封性等。

2.2 壩袋厚度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)在壩袋錨固邊緣部位取樣，將壩袋試樣放在厚度計(jì)平臺(tái)上，確保壩袋光滑平整，無(wú)皺折，無(wú)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(jì)示值(精確至0.02mm)。在壩袋試樣有效寬度上均勻等距測(cè)量10個(gè)點(diǎn)的厚度，計(jì)算10次測(cè)量的算術(shù)平均值，取該值作為壩袋的厚度[6]。

2.3 壩袋硬度檢測(cè)

壩袋膠料硬度采用邵A型硬度計(jì)檢測(cè)[7]，壓針端頭平面直徑為0.79mm。邵氏硬度計(jì)的測(cè)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(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)在壩袋錨固邊緣部位取樣，在試驗(yàn)室將壩袋試樣制作成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴形試件(見(jiàn)圖1)，試件數(shù)量不少于3個(gè)。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(cè)厚計(jì)在試驗(yàn)長(zhǎng)度的中部和兩端測(cè)量，取3個(gè)厚度測(cè)量值的中位數(shù)用于計(jì)算橫截面面積[8]。在任何一個(gè)啞鈴狀試樣中，試驗(yàn)長(zhǎng)度部分的三個(gè)測(cè)量厚度值都不得超過(guò)厚度中位數(shù)的2%。

圖1 啞鈴狀試樣形狀

在試驗(yàn)過(guò)程中，為保證拉力均勻地分布在橫截面上，將試樣對(duì)稱地夾在拉力試驗(yàn)機(jī)的上、下夾持器上，并在試驗(yàn)機(jī)上裝配一個(gè)伸長(zhǎng)測(cè)量裝置，夾持器的移動(dòng)速度為500mm/min±50mm/min(見(jiàn)圖2)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，需要連續(xù)觀測(cè)試樣長(zhǎng)度和拉力的變化情況，精度在±2%之內(nèi)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

圖2 壩袋膠料拉伸試驗(yàn)

式中Ts——拉伸強(qiáng)度，MPa；

Eb——拉伸伸長(zhǎng)率，%；

Fm——記錄的最大力，N；

W——裁刀狹窄部分的寬度，mm；

t——試驗(yàn)長(zhǎng)度部分寬度，mm；

Lb——斷裂時(shí)的試驗(yàn)長(zhǎng)度，mm；

L0——初始試驗(yàn)長(zhǎng)度，mm。

3 壩袋安全檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 壩袋外觀狀況檢測(cè)

右安門橡膠壩壩袋嚴(yán)重老化、變色，表面龜裂(見(jiàn)圖3)；橡膠壩表層膠存在多處損傷、開(kāi)裂(見(jiàn)圖4)；壩袋搭接黏合處表層膠出現(xiàn)大量老化、損傷開(kāi)裂現(xiàn)象，最大開(kāi)裂長(zhǎng)度5.9m，最大開(kāi)裂寬度3.5mm，開(kāi)裂深度1～2mm(見(jiàn)圖5)。

圖3 壩袋表面老化龜裂、搭接處表層膠老化開(kāi)裂

圖4 壩袋外層膠損傷、開(kāi)裂

圖5 壩袋搭接黏合處外層膠老化、損傷開(kāi)裂

3.2 壩袋膠布的膠層厚度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)取樣，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)室對(duì)壩袋膠布的膠層厚度進(jìn)行了檢測(cè)(見(jiàn)表1)。

表1 壩袋膠布試樣的膠層厚度檢測(cè)結(jié)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(nèi)層覆蓋膠厚度均滿足規(guī)范要求。

3.3 壩袋物理力學(xué)性能檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)取樣，在試驗(yàn)室按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)壩袋膠料樣品的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率及硬度和壩袋膠布的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)(見(jiàn)表2)。

表2 壩袋膠料與膠布試樣物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

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

由表2可知，右安門橡膠壩壩袋外層膠、內(nèi)層膠拉伸強(qiáng)度分別為5.98MPa和3.96MPa，僅為規(guī)范最低指標(biāo)要求的42.7%和66.0%；外層膠、內(nèi)層膠的拉斷伸長(zhǎng)率分別為106%和93%，僅為規(guī)范最低指標(biāo)要求的26.5%和37.2%；壩袋外層膠、內(nèi)層膠指標(biāo)已遠(yuǎn)低于規(guī)范指標(biāo)要求。右安門橡膠壩壩袋膠布的經(jīng)向、緯向拉伸強(qiáng)度分別為181kN/m和165kN/m，較設(shè)計(jì)膠布強(qiáng)度分別降低了30.4%和36.5%，不滿足設(shè)計(jì)要求。

4 壩袋強(qiáng)度復(fù)核與安全評(píng)價(jià)

4.1 壩袋強(qiáng)度復(fù)核

壩袋抗拉強(qiáng)度與壩袋設(shè)計(jì)強(qiáng)度之比為壩袋強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，造成壩袋屢屢被撕裂破壞的主要原因之一是壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)過(guò)低。為了掌握目前壩袋安全系數(shù)，采用下列公式對(duì)壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，壩袋內(nèi)外壓比α為1.43，壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度T為41.85kN/m。

α=H0/H1

式中T——壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m；

γ——水的重度，10kN/m3；

α——壩袋內(nèi)外壓比；

H0——壩袋內(nèi)壓水頭，m；

H1——設(shè)計(jì)壩高，m。

由表2可知壩袋膠布檢測(cè)徑向拉伸強(qiáng)度為181kN/m，經(jīng)計(jì)算壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)K為4.3。

4.2 壩袋安全評(píng)價(jià)

a.外觀狀況。右安門橡膠壩壩袋表面嚴(yán)重老化、龜裂、變色，外層膠存在多處損傷、開(kāi)裂，壩袋搭接黏合處表層膠存在大量老化、損傷開(kāi)裂現(xiàn)象。

b.物理力學(xué)性能指標(biāo)。橡膠壩檢測(cè)試樣外層膠、內(nèi)層膠拉伸強(qiáng)度分別為5.98MPa和3.96MPa，僅為規(guī)范最低指標(biāo)要求的42.7%和66.0%；外層膠、內(nèi)層膠的拉斷伸長(zhǎng)率分別為106%和93%，僅為規(guī)范最低指標(biāo)要求的26.5%和37.2%；壩袋膠布徑向、緯向拉伸強(qiáng)度分別為181kN/m和165kN/m，較設(shè)計(jì)膠布強(qiáng)度分別降低了30.4%和36.5%。由檢測(cè)結(jié)果可知，壩袋試樣外層膠、內(nèi)層膠指標(biāo)已遠(yuǎn)低于規(guī)范要求，壩袋膠布抗拉強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求。

c.壩袋強(qiáng)度。壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)為4.3，不滿足《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50979—2014)“充水式壩袋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于6.0”的要求。

目前，壩袋外觀存在較嚴(yán)重的老化開(kāi)裂等病害缺陷，外層膠、內(nèi)層膠拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率均嚴(yán)重低于規(guī)范要求，壩袋膠布抗拉強(qiáng)度大幅下降，壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，壩袋存在撕破損壞安全隱患。

5 結(jié) 語(yǔ)

右安門橡膠壩是我國(guó)建成的第一座充水式橡膠壩，目前已經(jīng)運(yùn)行50多年，運(yùn)行期間于1987年、2004年分別進(jìn)行過(guò)壩袋更新，自上次更換壩袋至今已運(yùn)行18年，基本上達(dá)到使用壽命。根據(jù)壩袋檢測(cè)、強(qiáng)度復(fù)核和安全評(píng)價(jià)結(jié)果，壩袋老化損傷問(wèn)題凸顯，建議盡快更換壩袋。