承德市武烈河第二道橡膠壩維修改造分析

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承德市城區(qū)， 多年來武烈河橡膠壩群水環(huán)境工程形成240萬m2的人工湖面，庫容達300萬m3。 第二道橡膠壩建成于1989年，是武烈河梯級蓄水工程的一部分，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設計研究院設計， 為山區(qū)多泥沙河道建設橡膠壩設計提供了高貴經(jīng)驗，壩高2.5m，共分兩跨，每跨長83m，內壓比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、護坦、消力池及中邊墩混凝土均為200#（相當于C18）鋼筋混凝土結構。 第二道橡膠壩建設完成投入運行以來， 為滿足山莊補水和城市供水的需求，已連續(xù)高水位運行30年。橡膠壩運行過程中經(jīng)歷了多次洪水， 以1994年7月13日洪水（1360m3/s）最為嚴重，造成壩袋撕裂和下游防沖設施沖毀［1］。自2004年更換橡膠壩袋后運行至今已達15年，現(xiàn)狀壩袋表面多處受損，壩袋老化嚴重，機電設備出現(xiàn)不同程度的水蝕、銹蝕，均不能滿足橡膠壩安全運行。 由于第二道橡膠壩地理位置的重要性，一旦潰壩會帶來較為嚴重的社會影響， 造成無法估量的損失，經(jīng)市政府批準，對第二道橡膠壩進行了維修改造。

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)定運行的保障。橡膠壩袋按膠布的組成結構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膠膜，經(jīng)過十余年的運行，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。由于長期受潮濕、氧化作用，在上、下游錨固線上約0.5m范圍內出現(xiàn)大面積起泡現(xiàn)象，撕開后內部外層膠完好，有水流出。本次改造為解決山莊湖區(qū)補水需求，在原壩體跨度不變的基礎上， 承德市水利水電勘測設計研究院按改造方案對橡膠壩相關技術參數(shù)進行了重新設計計算，橡膠壩壩高由2.5m增至3.0m。 壩袋膠布采用兩布三膠，內壓比選定為1.48。 考慮到壩袋顏色與周圍景觀協(xié)調性，不再使用彩色壩袋。

2.2 錨固結構型式的選擇

錨固結構的合理布置直接影響橡膠壩壩體的改造，是實現(xiàn)壩體加高的關鍵，原第二道橡膠壩的錨固結構為靴型槽前后楔塊擠壓式錨固（圖1）。 綜合考慮楔塊運行維護、施工工藝和安全、可靠性等因素。根據(jù)GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術規(guī)范》當壩高超過3.0m時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構（圖2）。

圖1 第二道橡膠壩楔塊式錨固結構

2.3 上下游錨固線的布設

橡膠壩上下游兩條錨固線的距離應滿足設計條件下計算的壩袋上下游間貼地長度要求。 在確定雙錨固線的兩條錨固中心線的距離時，應以上、下游錨固構件內側間的距離等于設計條件下計算的壩袋上下游間貼地長度為依據(jù)［3］。 按照改造方案壩高3m和壩袋內壓比為1.48，依據(jù)GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術規(guī)范》 求得上游貼地面段長度為3.06m，下游貼地段長度為1.34m［2］。 經(jīng)計算分析壩底板順水流方向錨固槽內側凈間距為4.1m，上、下游錨固槽寬均為0.3m，能夠滿足螺栓錨固線布設要求。

圖2 利用橡膠壩原錨固槽的錨固結構

2.4 錨固力的計算分析

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

式中 T為單位長度螺栓計算荷載（N/m），取壩袋徑向計算強度值；ρ為水的密度（1000kg/m3）；α為壩袋內外壓比；H為設計壩高（m）；g為重力加速度（10m/s2）；Q0為每根螺栓承受的設計荷載 （kN）；k1為壩袋徑向拉力、栓緊力及扭轉力的綜合影響系數(shù)，取10；n為單位長度內螺栓根數(shù)。 橡膠壩順水流方向現(xiàn)狀錨固槽處鋼筋長度為1.1m，面層鋼筋的間距為0.2m。 為最大程度避免植筋過程中對錨固槽內已有鋼筋損壞，螺栓植入間距設計為0.2m，單位長度內有5根螺栓。 第二道橡膠壩壩高H為3.0m，內壓比為1.48，壩袋徑向計算強度T為44.1kN/m，綜合影響系數(shù)取10，每根螺栓承受的設計荷載Q0為88.2kN。

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

GB/T50979—2014《橡膠壩工程技術規(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《橡膠壩技術及應用》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螺栓中心線取矩的力矩平衡方面考慮計算螺栓直徑。本文在采用《規(guī)范》中計算方法的同時，按《橡膠壩技術及應用》 中推薦方法計算螺栓直徑，并對二者計算結果進行對比。

《橡膠壩技術及應用》中每根螺栓的設計拉力的計算公式如式（4）［4］。

式中 p0為螺栓設計拉力（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為上游壩面轉角，計算值為88.831°。 經(jīng)計算，每根螺栓的設計拉力為82.309kN。

螺栓根部設計直徑的計算公式如式（5）［4］。

式中 ［σ］為螺栓材料允許抗拉強度（N/cm2），取270 N/cm2。

螺栓的設計拉力計算值T0為82.309kN/m，計算螺栓根部設計直徑d為25.383mm。

根據(jù)《規(guī)范》法和《橡膠壩技術及應用》推薦方法計算結果可知，二者計算結果差異不大；《規(guī)范》法計算的每根螺栓承受荷載比《橡膠壩技術及應用》計算的數(shù)值偏大，但計算的螺栓直徑偏小，這與摩擦系數(shù)的取值有關。保守起見，設計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)《橡膠壩技術與應用》中螺栓錨固長度表得出，本工程螺栓錨固長度為25d，即675mm。

3 橡膠壩基改造分析

第二橡膠壩維修改造過程中， 發(fā)現(xiàn)中邊墩混凝土表層受侵蝕嚴重， 委托專業(yè)檢測人員對壩基混凝土主要結構進行了檢測。 壩底板和中邊墩原設計混凝土標號200#（相當于C18），回彈法實測強度為27.7至37.6MPa，大于設計強度。 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范［5］規(guī)定，混凝土結構除應滿足強度和限裂要求外還要滿足耐久性要求。 工程實測中邊墩混凝土碳化深度最大23mm，最小5mm，平均14mm；實測鋼筋保護層厚度最大71mm，最小37mm，平均66.5mm。 壩底板由于長期處于底墊片覆蓋之下的潮濕環(huán)境中，未發(fā)生碳化，壩底板不需進行處理； 中邊墩不會出現(xiàn)由于碳化引起的老化病害， 為減少橡膠壩袋磨損需要對混凝土表面進行處理。

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，設充排水泵進行充泄水控制，經(jīng)多年運用，水泵及閘閥部分已經(jīng)損壞，且部分閘閥為手動，不利于橡膠壩運行管理，為保證橡膠壩充排水的正常運行，需要對離心泵和蝶閥進行更換。供水井已經(jīng)運行了10余年，壩袋的充排水系統(tǒng)是由供水井補給， 橡膠壩充水量達2000m3。 充水水源從庫區(qū)建設的供水井取水，供水井采用井底進水的方式供水， 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行，對橡膠壩供水井及管道進行清洗，并在泵房管道進口處加設管道過濾器，確保橡膠壩正常充水。

5 結語

第二道橡膠壩屬典型北方山區(qū)河道橡膠壩工程， 改造后運行管理過程中應加強橡膠壩的安全監(jiān)測。 汛期要嚴格按照武烈河橡膠壩群汛期調度制度進行橡膠壩的行洪調度。定期檢查橡膠壩運行情況，實現(xiàn)安全運行和發(fā)揮綜合效益雙贏的效果。