加格達(dá)奇區(qū)橡膠壩工程壩體設(shè)計(jì)

王志遠(yuǎn)，夏鳳蘭

(黑龍江省中部引嫩工程管理處，黑龍江齊齊哈爾161006)

1 概述

加格達(dá)奇區(qū)位于黑龍江省西北部，大興安嶺山脈南麓，行政區(qū)劃隸屬大興安嶺地區(qū)，是大興安嶺行政公署所在地，全區(qū)總面積1 587 km2。城區(qū)現(xiàn)有人口15.53萬(wàn)人，工業(yè)形成了以木材加工為中心，農(nóng)機(jī)、化工、電力、建材、紡織、食品加工為骨干，門(mén)類(lèi)比較齊全、設(shè)備比較先進(jìn)的工業(yè)體系，服務(wù)業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展迅速。城南區(qū)總面積12.5 km2，是“十五”、“十一五”期間作為重要軍事、政治、科研和教育中心進(jìn)行重點(diǎn)投資和建設(shè)的地區(qū)。

甘河是嫩江上游右岸的一級(jí)支流，由西向東流經(jīng)加格達(dá)奇主城區(qū)后折向南，城區(qū)內(nèi)有甘河支流加格達(dá)奇河和東小河匯入。

2 基本資料

加格達(dá)奇區(qū)位于黑龍江省西北部甘河中游，是黑龍江省大興安嶺行政公署所在地，地理位置在 E123°46'～124°26'，N50°09'～50°35'，加格達(dá)奇區(qū)西南與鄂倫春自治旗毗鄰，東部和北部與松嶺區(qū)接壤，全區(qū)總面積1 587 km2。

加格達(dá)奇區(qū)地處大興安嶺南坡，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫年變化和日變化都較大。夏季炎熱而短暫，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，秋季降溫迅速多早霜。年最低氣溫為－41.5℃，出現(xiàn)在1月份;年最高氣溫32℃，出現(xiàn)在7月份，年平均氣溫－0.6℃。多年平均降水量500 mm，年降水量的70%集中在6～8月。多年平均風(fēng)速2.4 m/s，多為西風(fēng)和西北風(fēng)。本區(qū)封凍期約5～6個(gè)月，一般11月上、中旬封河，4月中下旬開(kāi)河。

3 工程建設(shè)的必要性

甘河發(fā)源于大興安嶺東麓雉雞山，由西向東流經(jīng)加格達(dá)奇區(qū)，將主城區(qū)分為河南河北兩部分，于主城區(qū)東南角折向南，至柳家屯下游15 km處匯入嫩江，是嫩江上游右岸最大一級(jí)支流，流域總面積19 665 km2，河道長(zhǎng)447 km。加格達(dá)奇水文站以上控制面積9 575 km2，流經(jīng)加格達(dá)奇境內(nèi)河道長(zhǎng)55 km。

甘河加格達(dá)奇以上河段較大支流為阿里河，從左岸匯入，流域面積2 150 km2。加格達(dá)奇河在城區(qū)加格達(dá)奇水文站斷面上游1 km處從左岸匯入，流域面積100 km2。

甘河上游為大興安嶺山區(qū)，屬于山區(qū)性河流，河道彎曲，坡陡流急。河床一般由砂礫石及卵石構(gòu)成，流域內(nèi)植被良好，森林覆蓋率60%以上。下游河段河灘地較開(kāi)闊，沿河兩岸灘地多為次生林。城區(qū)河段河灘地天然植被破壞嚴(yán)重，地表砂壤土大量流失，河岸塌陷，甘河左岸主城區(qū)已修建了城市防洪堤，全長(zhǎng)5.9 km。

甘河橫跨城區(qū)，水量充沛，水質(zhì)良好，但年內(nèi)不配不均，春季水量較枯、水位低，嚴(yán)重影響城市水域環(huán)境。為了合理利用水資源，充分開(kāi)發(fā)城區(qū)江段旅游資源，改善城區(qū)河段水環(huán)境，增加城市景觀的多樣性和功能性，提高甘河兩岸的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)加格達(dá)奇區(qū)新城區(qū)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，修建橡膠壩工程，是非常必要性的。

甘河在加格達(dá)奇城區(qū)江段近4 km，靠近中心城區(qū)，江岸有公園、甘河大橋等景區(qū)及城市防洪堤等重要基礎(chǔ)設(shè)施，供居民及游客觀光游覽，但由于甘河春季水位低，水量少，景觀差，從而使游人很難盡興。修建橡膠壩可抬高水位擴(kuò)大水域面積，蓄水成湖，波光瀲滟，相互輝映，與堤內(nèi)公園遙相呼應(yīng)，更增添游覽區(qū)秀美山色。湖中泛舟、景中穿行、成為居民觀光、休閑娛樂(lè)的理想場(chǎng)所，因此修建橡膠壩工程為人心所向。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 壩袋計(jì)算

4.1.1 壩袋計(jì)算條件

按壩袋擋水達(dá)到設(shè)計(jì)高度，壩后無(wú)水的情況下，作為壩袋計(jì)算的控制條件。

4.1.2 內(nèi)壓比選定

根據(jù)運(yùn)行工況、溢流水深及壩袋有較短的設(shè)計(jì)周長(zhǎng)并充分利用壩袋強(qiáng)度的原則，選定內(nèi)壓比α=1.35。

4.1.3 壩袋徑向強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)SL227－98《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，壩袋徑向強(qiáng)度計(jì)算公式為:

式中:T為壩袋徑向計(jì)算強(qiáng)度，kN/m;γ為水的容重，kN/m3;α為內(nèi)壓比，H0/H1;H0為內(nèi)壓水頭，m;H1為設(shè)計(jì)壩高，m。

依據(jù)運(yùn)行工況、溢流水深及壩袋有較短的設(shè)計(jì)周長(zhǎng)并充分利用壩袋強(qiáng)度的原則，選定內(nèi)壓比α=1.35。

選用JBD2.5－180－2型壩袋，其徑向強(qiáng)度為360 kN/m，安全系數(shù)K=13.55＞6，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4.1.4 壩袋有效周長(zhǎng)計(jì)算

可將沖脹后的壩袋輪廓分成4個(gè)部分:上游壩面曲線段長(zhǎng)度S1，下游壩面曲線段長(zhǎng)度S，上游貼地段長(zhǎng)度n，下游貼地段長(zhǎng)度X0，詳見(jiàn)圖1。

圖1 充水式橡膠壩示意圖

壩袋各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)可通過(guò)查表格法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)內(nèi)壓比α=1.35，查《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡膠壩壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表得出:

上游壩面曲線段長(zhǎng)度:S1=1.692H1=4.23 m

下游壩面曲線段長(zhǎng)度:S=1.7418H1=4.35 m

上游貼地段長(zhǎng)度:n=1.1952H1=2.99 m

下游貼地段長(zhǎng)度:X0=0.5394H1=1.35 m

a壩袋的有效周長(zhǎng)(不包括錨固長(zhǎng)度)L0=S1+S=8.58 m

b底墊片有效長(zhǎng)度(不包括錨固長(zhǎng)度)L0=n+X0=4.34 m

4.1.5 壩袋實(shí)際周長(zhǎng)計(jì)算

壩袋加工需加上錨固長(zhǎng)度△l=1.0 m，則

壩袋的實(shí)際周長(zhǎng)L=L0+△l=9.58 m

底墊片的實(shí)際長(zhǎng)度l=l0+△l=5.34 m

4.1.6 壩袋容積計(jì)算

根據(jù)內(nèi)壓比α=1.35，查《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》(SL227－98)表B.2.2－1充水式橡膠壩壩袋設(shè)計(jì)參數(shù)表得出:

壩袋單寬容積V0=1.6275H12=10.17 m2則:

單袋充水量V'=711.9 m3

壩袋總充水量V=3V'=2135.7 m3

4.2 橡膠壩底板順?biāo)鏖L(zhǎng)度計(jì)算

本次設(shè)計(jì)橡膠壩采用單向坍落式，計(jì)算公式為:

式中:Ld為橡膠壩底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度，m;l1、l2為上、下游安裝、檢修通道，一般取0.5～1.0 m，采用1.0 m;l3為壩袋坍落貼地長(zhǎng)度，m;其他符號(hào)L0、l0含義同前。

取壩底板長(zhǎng)度為8.5 m。

4.3 錨固計(jì)算

壩袋采用雙錨固線螺栓壓板式錨固，錨固構(gòu)件由螺栓和壓板組成，螺栓間距為0.2 m。

4.3.1 每根螺栓承受的荷載計(jì)算

式中:Q0為每根螺栓承受的荷載;T0為單位長(zhǎng)度螺栓計(jì)算荷載，kN/m;k1為栓緊力及扭轉(zhuǎn)力的影響系數(shù)，取k=1.75;n為1 m長(zhǎng)度內(nèi)螺栓根數(shù)，n=5。

4.3.2 螺栓直徑計(jì)算

式中:d為螺栓直徑，cm;[σ]為螺栓允許拉應(yīng)力，MPa，不銹鋼螺栓[σ]=246 MPa。

經(jīng)計(jì)算:

采用螺栓直徑d=0.26 cm。

壓板強(qiáng)度驗(yàn)算公式為:

式中:M為壩袋拉力作用在壓板上的彎矩，N·cm;L為力臂，為螺栓中心至壓板邊緣的距離，cm;k2為安全系數(shù)，取3.0;Wx為抗彎截面系數(shù)，cm3。

采用的壓板選用Q235制成，上壓板尺寸為130×20 mm，下壓板尺寸為145×10 mm。

[1]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.SL227－98橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

[2]中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.SL211－98水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

[3]齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.加格達(dá)奇區(qū)橡膠壩工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].齊齊哈爾:齊齊哈爾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008.