夏爽英 劉洪飛

新型無縫自控充氣式橡膠壩的設計與應用

夏爽英 劉洪飛

一、概述

河南省平頂山市西楊村河是穿越平頂山市區(qū)的主要城市河道之一，河流自北向南貫穿市區(qū)，最終匯入湛河，河道全長約5.46km，由于近年來大量污水直接排入河道和兩岸生活垃圾的堆放，河流污染嚴重。為改變河道現狀，改善城市環(huán)境，實施了西楊村河道生態(tài)整治工程。工程內容包括河道疏挖、生態(tài)護岸、截污、河道水源、橡膠壩及景觀工程等。其中，西楊村河道在市區(qū)段共設置3座橡膠壩以攔蓄上游來水，由于河道比降較大，通過橡膠壩的合理布置，可以形成梯級景觀效果和穩(wěn)定水面，滿足市民近水、親水、休閑娛樂需要，提高城市整體形象。

二、工程設計

1.壩型選擇

橡膠壩壩袋按照充漲介質可分為充水式、充氣式。傳統(tǒng)充水式橡膠壩在國內工程中較為常用，充氣式橡膠壩由于對壩袋強度、制造工藝要求高，在我國應用相對較少，國外如韓國、日本等采用充氣式橡膠壩較多。近年來，我國的橡膠壩制造技術也達到了世界先進水平，已能生產出符合國際標準的帶脊無縫橡膠壩袋，該壩袋如同書本結構，整體無拼接，氣密性好。

由于西楊村河為城市河道，斷面形式固定，河道上開口寬15m左右，兩岸均為城市道路，水源及控制室布置等問題難以解決，比較適合采用這種新型帶脊無縫充氣式橡膠壩。

本次采用新型帶脊無縫充氣式橡膠壩主要考慮到其具有以下優(yōu)點:①充氣式橡膠壩的充脹介質為氣體，易于提取，充脹簡便,無需打井，節(jié)約水源。②帶脊無縫橡膠壩袋氣密性較好，安全系數高，造型美觀，使用壽命長，其壩頂“帶脊”結構可解決傳統(tǒng)充氣式橡膠壩運行過程中的振動及過水不均勻問題，使橡膠壩溢流狀態(tài)形成瀑布狀，具有較好溢流景觀效果。③充氣式壩袋坍壩相對充分，坍壩后比基礎底板僅高5cm左右，基本不阻水，西楊村河道上游為山丘區(qū)，一旦洪水到來，來水量較大，充氣式壩袋坍壩迅速及時，可滿足汛期防汛搶險的快速反應需要。④充排氣系統(tǒng)設施簡單，不需要設置地下泵房和大直徑的充排管道，僅需設置空氣壓縮機、充排氣管道及簡單的電氣控制系統(tǒng)，即可實現自動化充排，運行管理費用低，操作方便。⑤總體投資節(jié)省，同樣高度的橡膠壩，充氣壩袋比充水壩袋使用面積可節(jié)省20%～30%，對壩基礎底板及地基條件的要求相對較低，控制室面積達到7m2即可滿足充排系統(tǒng)布置需要。

2.壩袋設計

3.土建工程布置

充氣式橡膠壩與充水式橡膠壩在土建工程布置方面基本一致，充氣式橡膠壩基礎底板寬度相對于充水式橡膠壩可減小20%左右。按照從河道上游至下游方向，西楊村河橡膠壩工程布置依次包括：上游連接段、防滲鋪蓋段、壩身段、壩后消力池段、海漫段及下游連接段。其中壩基、防滲及消能防沖設計按照《水閘設計規(guī)范》（SL265-2001）計算。

4.錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)是橡膠壩壩袋能否穩(wěn)定起到擋水作用的關鍵部分，充氣橡膠壩錨固構件必須滿足設計的強度和耐久性，以達到牢固可靠和嚴密不透氣的要求。由于帶脊無縫橡膠壩袋如同書本式結構，且西楊村河橡膠壩屬于小型壩，采用“少褶皺橡膠壩”的單錨固線布置方式，斜坡上的錨固線為向下游傾斜的直線。錨固結構形式采用螺栓壓板式錨固，錨固構件由錨固螺栓和上下壓板組合而成，上下壓板采用鍍鋅鋼板，錨固螺栓直徑M24，長40cm，螺栓間距25cm。

5.自控充排系統(tǒng)

充氣橡膠壩充排系統(tǒng)主要包括充排管道、控制柜、羅茨風機、壓力表、壓力變送器、超聲波液位探位儀、控制閥門等。西楊村河橡膠壩充排氣管采用DN80鍍鋅鋼管，在右岸邊墻處設一充排氣口，管口采用法蘭盤錨固。為避免充排氣不均勻現象，用2根DN40橡膠高壓軟管作為排氣隔管，用橡膠帶固定粘連在壩袋內底部，一端管口固定于充排氣口處，沿壩底部通至壩袋另一端，軟管周身鉆滿小孔，以利于壩袋充氣均勻,排氣徹底。

充排系統(tǒng)采用自動控制，由PLC系統(tǒng)自動完成。PLC自動控制系統(tǒng)由橡膠壩上游水位和壩袋內壓力控制運行，系統(tǒng)借助水位傳感器和壓力傳感器連續(xù)采集橡膠壩上游水位值和壩內壓力值，自動完成充壩和坍壩過程。其工作原理及過程為：（1）充氣過程：橡膠壩在正常運行狀態(tài)，當上游水位低于設計值或由于氣溫降低壩袋內壓力低于壓力設定下限時，PLC將執(zhí)行自動補氣，充氣閥門將自動打開，變頻器控制風機自動運行，開始向壩袋內充氣；當橡膠壩充至擋水高度或壩袋內壓力達到設定上限值時，變頻器控制風機自動停止工作，進氣閥門自動關閉，系統(tǒng)進入保壓狀態(tài)，充氣過程結束。（2）排氣過程：當橡膠壩上游水位超過設定坍壩水位需坍壩行洪或因空氣溫度升高壩袋內壓力超過坍壩設定值時，PLC將執(zhí)行自動排氣程序，排氣閥門自動打開，開始排氣；當上游水位或壩袋內壓力低于正常設定值時，排氣閥門自動關閉，完成坍壩過程。（3）緊急措施：當遇到洪水或電氣系統(tǒng)故障時，系統(tǒng)管路上加裝的手動閥門可進行手動泄壓，另外，系統(tǒng)管路上設有安全閥，當遇到電氣系統(tǒng)故障時可避免壩袋發(fā)生超壓破壞。

三、設計及運行管理中應注意的問題

（1）在橡膠壩選型時要因地制宜，應權衡充水式與充氣式橡膠壩的優(yōu)缺點，并考慮橡膠壩的運行、管理和維修等條件，雖然帶脊無縫充氣式橡膠壩解決了傳統(tǒng)充氣式橡膠壩的較多缺陷，但在河流水量較大、壩高要求高，尤其是南方地區(qū)的較大河流上，充氣式橡膠壩的選用還需要慎重。

（2）由于羅茨風機在充氣過程中，空氣遇冷后會在壩袋中產生少量的冷凝水，這些冷凝水如果長期在壩袋及充排氣管道中儲存起來，會影響橡膠壩充排氣的自動運行，因此必須定期清除這些冷凝水，可采取在壩底板一端設置冷凝水排水管或者在壩底板充排氣管道上增設排水閥門井的措施。

（3）由于充氣橡膠壩對氣密性要求高，因此錨固構件必須具有較好的強度和耐久性，大型充氣橡膠壩錨固構件建議采用不銹鋼材質，如日本、韓國充氣橡膠壩均采用不銹鋼材質錨固構件。

（4）充氣式橡膠壩自控系統(tǒng)中，為防止因自動控制設備誤動作致使壩袋充氣過量而破壞，應設置安全閥作為超壓安全保護裝置。

（5）在橡膠壩日常運行管理中，應保持控制室干燥、清潔，并對自控系統(tǒng)的各個元器件定期檢查維護。

四、結束語

平頂山市西楊村河上修建的3座充氣式橡膠壩已于2009年1月投入運行，各項設施運行狀況良好，相比傳統(tǒng)橡膠壩型，具有較好的景觀溢流效果，改善了西楊村河的水生態(tài)環(huán)境及整體面貌，也提高了平頂山市的整體形象。目前在國內這種帶脊無縫自控充氣式橡膠壩應用還較少，西楊村河橡膠壩的成功運用，為今后該壩型在國內的應用提供了經驗

河南省鄭州市水利建筑勘測設計院 450006）