浅析橡胶坝设计中应注意的问题

摘要：本文从设计的角度，结合工作实践，针对橡胶坝的坝袋锚固形式及材料选择、坝袋振动、坝袋防冰耐磨、运行管理和与生态景观结合等应注意的问题进行了分析探讨，并提出了一些改进措施，以供参考。


橡胶坝是20 世纪50 年代末随着高分子合成材料的发展而出现的一种轻型、低水头的新型水工建筑物。自1966年，我国第一座橡胶坝北京右安门橡胶坝建成以来，橡胶坝工程已在我国发展了近半个世纪，为我国的工农业及生态环境的改善发挥了巨大的作用。在修建橡胶坝时，先用强力合成纤维织物做受力骨架，然后在其内外涂敷合成橡胶，制成胶布，并把胶布按设计尺寸锚固在基础底板上，做成封闭袋形，再用水或气充胀，形成挡水坝。橡胶坝的坝高可调节、坝顶可溢流，能起活动坝和溢流堰的作用。橡胶坝具有投资少、结构简单、施工及安装简便、制造工厂化、工期短、生效快、运用管理灵活方便、泄量大和抗震性能良好等特点，不仅用于灌溉、发电、防洪、回灌地下水、替代水闸，还用于营造城市滨水景观、引水防沙、污水处理、改善生态环境等。但在橡胶坝应用过程中也存在一些问题，为了确保橡胶坝的安全经济运行，从各方面都需要进一步完善。本文从设计的角度，结合工作实践，针对橡胶坝的坝袋锚固形式及材料选择、坝袋振动、坝袋防冰耐磨、运行管理和与生态景观结合等应注意的问题进行了分析探讨，并提出了一些改进措施。
1、坝袋锚固形式及材料选择
橡胶坝充水(气) 后,坝袋胶布的骨架材料承受拉力,通过锚固件将作用在坝体上的水压力传递到钢筋砼底板上来稳定坝袋，坝袋锚固须满足工程的可靠性要求。因此,如何锚固坝袋成为橡胶坝设计中关系到工程能否稳定地起到挡水作用的关键环节。
坝袋的锚固形式主要有楔块锚固和螺栓锚固。楔块锚固是由前后楔块的挤压,增加对锚固槽壁的正压力,产生巨大的摩阻力,将坝袋锚固在底板上，楔块锚固工程造价低，但坝袋四角折叠处易出现严重漏水，需频繁向坝内充水，因而导致运行费用增加，也给工程管理带来不便。螺栓锚固是由上压板、下压板、螺栓组成，下压板与螺栓固定成一体，经过防腐镀锌处理后，预埋在混凝土底板中，上、下压板通过螺栓连接在一起，螺栓锚固所用的锚固件在工厂进行加工生产、除锈、防腐处理，只需将加工好的锚固件直接预埋和安装即可，利于施工质量控制，螺栓锚固坝袋四角折叠处密封良好，且便于坝袋维修。因此，坝袋锚固形式采用螺栓锚固更为可靠经济。
螺栓锚固中压板与坝袋的连接为摩擦连接,原理是通过拧紧螺母,对螺杆施加强大而又受控的预拉力,预拉力通过锚板、压板将橡胶坝袋夹紧,依靠坝袋与锚板间的摩阻力来承受坝袋的内力。螺栓需要承受的预拉力较大,若采用普通螺栓, 预拉力会因疲劳而松弛，且由于普通螺栓强度低, 需要的螺栓直径较大,不经济。可采用高强螺栓，经过大量的试验研究和工程实践证明,在承受反复荷载作用下,高强螺栓具有耐疲劳、预拉力不会松弛,工作安全可靠等特点。
2、坝袋振动
橡胶坝坝顶溢流造成坝袋振动，长时间的振动使坝袋磨损、脱层， 甚至穿孔、撕裂等，严重的时候还会破坏整个坝体，影响工程的安全和效益的发挥。因此，加强对橡胶坝坝袋振动的处理，必须贯穿于橡胶坝建设的整个过程。
充排水(气)系统的设计中,没有充分重视坝袋均匀起降的重要性,认为水或气充到坝袋内会自动平衡。其实不然,在充排水过程中若各个出水口出水流量、压力水头不均衡,会引起启落高度不均,导致坝袋振动、磨损严重，坝段在运行中若长期存在振动现象则会导致坝袋脱层和撕裂, 严重的破坏整个坝体。为了使坝袋均匀坍落,要均匀布置出水口,并使各个出水口排出水流量一致,就能够使得坝袋均匀塌坝,以改善坝袋两端先塌、中央排水不完全的现象；同样，充坝时多个出水口同时等流量等压强出水能够保证坝袋内的水均匀升高,从而使得坝袋平稳的升起,避免坝袋内由于出水口出水不均,使坝袋内水流的振动引起的坝袋振动。水头损失与管径、长度有关,通过设置不同的管径，可以使与水泵不同距离的出水口的流量、压强一致。
坝袋振动原因是多方面的，还受过坝流量、下游水位、坝体跨度、坝袋锚固和两岸连接形式、充胀介质及坝袋施工安装等影响。因此在工程设计时坝址应选择在过坝水流流态平顺及河床岸坡相对稳定的河段， 这不仅避免发生波状水跃和折冲水流， 防止有害的冲刷和淤积， 而且使过坝水流平顺， 以减轻坝袋的振动；在施工安装坝袋时，准确定位，符合设计要求，误差控制在容许值范围之内；工程建成后，要严格管理，制定一套合理可行的运行规程，规范操作。
3、坝袋防冰耐磨
北方地区冬季气候寒冷，橡胶坝会被冰块撞击而损坏坝袋。为防止冰块撞击坝袋，设计时可在坝底板前增设拦冰坎措施，使冰块不接触坝袋，将冰块拦在坝前，或使其随过闸主流排向坝下。坝袋生产时在不影响其他技术指标的前提下，提高橡胶坝在低温（-40℃以下）情况下的耐老化、耐磨损、抗冲击、抗屈折性。
橡胶坝的坝袋在充胀和塌落过程中，坝袋与坝肩、隔墩的不断摩擦会减少坝袋的使用寿命。为减轻坝袋的磨损，可将不锈钢板通过预埋件锚固在隔墩两侧，来代替砼与坝袋接触，以减小摩擦系数，延长坝袋的使用寿命。
4、运行管理设计
橡胶坝设计中往往对工程运行管理的设计不够重视。橡胶坝工程能否充分发挥效益，运行管理是关键。工程管理人员在橡胶坝投入使用的初期，可能对橡胶坝的设计运用边界条件了解的不够全面详细，为确保橡胶坝的安全经济运行，在设计中应按照可能出现的各种工况，提出运行操作程序和注意事项，明确管理单位责任，明确工程保护范围。临沂市小埠东橡胶坝于1997年建成运行至今，在工程运行管理方面积累了丰富的经验，对于减轻坝袋的振动起到了积极的作用。首先是控制坝顶的溢流量，其次是调整下游水位，若下游水位较低，应尽可能提高到一半坝高以上运行，这样可振动危害性也就小得多；另外，改变坝袋内的内水压力，改变坝体自振频率，使其避开水流脉动的主频率，防止坝袋共振现象的发生；在汛期时，应注意将坝袋坍平，以利于排洪、排沙和减轻坝袋振动磨损。
5、生态景观设计
生态景观设计在橡胶坝设计中常常被忽视。生态水利是围绕生态环境建设而开展的水利建设，是大生态的概念，具有与传统水利、工程水利不同的显著特征。随着人们生活水平的不断提高，对自然的生态环境愈加渴求，在橡胶坝设计中应结合当地的生态环境与城市规划要求，将生态景观理念融入到橡胶坝设计中。可在坝袋之间的中墩上部设计景观造型，对管理范围进行景观绿化设计，增设亲水设施，提高游人的参与性与可进入性，体现生态景观，达到人与自然的和谐。
结束语
橡胶坝作为一种新颖、实用的坝型，在改善生态环境、营造城市滨水景观中以其独特的优势，得到了广泛的应用，随着水利科学技术的不断进步，橡胶坝的技术也将越来越成熟。