橡胶坝设计

-1-第一章绪论橡胶坝是用高强合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷合成橡胶作粘结保护层，加工成胶布，按要求的尺寸，锚固在基础底板上，用水或气的压力充胀起来，形成挡水坝。不需要挡水时，泄空坝内的水或气，恢复原有河渠的过流断面。橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程，如用于水库溢洪道上作为闸门或活动溢流堰，以增加水库库容及发电水头；用于河道上作为低水头、大跨度的滚水坝或溢流堰，可以不用常规闸的启闭机、工作桥等；用于渠系上作为进水闸、分水闸、节制闸，能够方便地蓄水和调节水位和流量；用于沿海岸作防浪堤或挡潮闸，由于不受海水浸蚀和海生生物的影响，比金属闸门效果好；用于跨度较大的孔口船闸的上、下游闸门；用于施工围堰或活动围堰，橡胶活动围堰高度可升可降，并且可从堰顶溢流，不需取土筑堰可保持河道清洁，节省劳力并缩短工期；用于城区园林工程，采用彩色坝袋，造型优美，线条流畅，可为城市建设增添一道优美的风景。第二章工程设计2.1工程规划柴关橡胶坝工程是拟建于北沙河上的一处集农田灌溉、水产养殖于一体的综合利用水利工程，工程建成以后，不仅能有利的促进当地农村经济发展，而且对自然、生态、社会环境的改善产生了积极的影响。柴关橡胶坝工程建成后可使柴关灌区农田的灌溉保证率由60%提高到95%。2.1.1基本资料（1）流域概况北沙河发源于山西省灵丘县境内，从行唐县入境，汇支流曲河、郜河后横穿新乐县全境，向东入保定市定州。是大清河南支主要来水支流之一。干流在曲阳县建有大型水库王快水库，支流郜河、曲河分别建有大型水库口头水库和中型水库红领巾水库，隶属于大清河水系。大清河水系位于海河流域中部，发源于西部太行山区，经独流减河及海河干流入海，跨山西、河北、北京、天津4省市。河北省面积34683km2，人口1607万人，耕地143.4万hm2。-2-（2）水文气象本区的地下水主要为第四系覆盖层中的孔隙水和基岩裂隙水两种，皆直接或间接补给自大气降水。由于本区降水量多集中在6~7月，且蒸发量大于降水量。同时汇流面积较小，因此地下水含量不大。根据水化学特性分析，地下水属于重碳酸钙镁型水，不含侵蚀性。PH植为7.3~9.0，具碱性，总硬度为8.4~7.8，属软水，判别河水对混凝土无侵蚀性。根据当地水资源调查与水利区划综合报告，该区属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明：冬季受西伯利亚大陆性气团控制，寒冷少雨雪；春季北风盛行，较冷蒸发大；夏季受海洋性气团和太行山地形影响，降鱼集中；秋季一般秋高气爽，降雨稀少。多年平均气温为平原13.2℃丘陵12.2℃、山区42.7℃、极端最低气温-21.4℃。无霜期为平原206天、丘陵197天、山区176天。平均降水量为：平原538.2mm、丘陵525.7mm、山区756.7mm；一般年份77%的降水集中在夏季，多雨年一般相差1~2倍，最大为4倍；降水强度较大，一般情况下在西部山区一次暴雨量即超过300mm。年均蒸发量为水面1000mm，陆面350mm，最大风速为18m/s，最大冻土深度54cm。（3）工程地质本区主要是地层岩性为三叠系上统和侏罗系下统砂页岩，上伏第四系地层。坝址车为坚硬粉质黏土，各项参数指标为：凝聚力=60.0kpa；内摩擦角=19；天然孔隙比=0.69；天然容重=20.3。河床4.0~6.0m以下均为基岩，基岩仅在局部地段出露。本区地层平缓，构造简单，是华北陆台上较稳定的部位，新构造运动差异性小，以大面积缓慢抬升为主，地震基本烈度为6度。区内地层中粗砂岩产状为：走向0～25º。倾向W或NW，倾角2～8º。断裂构造不发育，仅有小规模的断层分布，节理裂隙呈“棋盘格式”状发育，走向NW64º及NE40º，陡倾角。节理张开宽度大小不均，一般约为0.2～0.6cm，最大可达2～3m。（4）地形地貌柴关橡胶坝工程处于太行山东麓，河道左岸多为山体，右岸以河滩地为主，前期河道治理已在部分河段修建了堤防，主河槽为U型断面，坝址处上下游经前期治理，河道断面近似为梯形，底宽为92m，边坡为1：2.5，两岸堤防高程为-3-80.3m。（6）工程等级及设计标准根据中华人民共和国行业标准SL252-2000《水利水电工程等别划分及洪水标准》、SL265-2001《水闸设计规范》，本橡胶坝工程定为四等工程，橡胶坝、控制室分别为4级建筑物。根据国家《防洪标准》（GB50201-94），本河段设计防洪标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇。橡胶坝采用同标准，即设计标准为20年一遇洪水，校核标准为50年一遇，坝址处设计洪峰流量为QP=5%=442m3/s，校核洪峰流量为QP=2%=1190m3/s。（6）施工条件坝址紧邻省道，对外交通方便。工程所用的水泥、砂、石子等材料以当地材料供应为主，所用的块石，可在附近的山谷中采集。两岸的山体多为震旦系石英砂岩，致密坚硬，力学强度高，储量丰富，完全可满足本工程所需。施工用水用电可就近从柴槽或阳关接10KV高压线至施工现场。2.1.2坝址选择橡胶坝坝址的选择应根据橡胶坝的特点及运用方式要求综合考虑地形.地质.水文.气象.泥沙.管理和其它因素，经过技术经济比较后确定。（1）坝址应选择在坚硬紧密的天然土基上，虽然橡胶坝重量比其它闸坝轻，且地基受力均匀，但坝址仍然尽量选在坚硬紧密的天然土基上。如果必须做人工处理地基时，其坚硬密实程度也应达到设计要求，否则将影响坝体安全。（2）坝址应选择在水流平顺及河岸岸坡稳定的河段，不应选在河流水流条件发生突然变化的河段。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，而且使过坝水流平稳，减轻坝袋振动及磨损延长坝袋使用寿命。据调查和实际工程观测在河道弯道附近的橡胶坝，过坝水流很不平稳，坝袋易发生振动，加剧坝袋磨损，影响坝袋使用寿命。如果在河床岸坡不稳定的河段建坝，将增加维护费用。由于坝址选点不当而被拆除的坝袋已有不少。运用实践表明，水流条件是影响坝袋振动的主要诱因，振动又是使坝袋磨损破坏的主要原因。因此，橡胶坝应建于平直河段处，即在坝址选择时，必须在坝址上下游均有一定长度的平直段，以保证过坝水流平稳，防-4-止坝袋产生强烈振动。同时，要充分考虑到河床或河岸的变化特点，要估计建坝后对于原有河道可能产生的影响。（3）对于多泥沙河流，坝址不应选在纵坡突然变缓的河段，以减少淤积。如一定要在这样的河道上建坝时，应将基础地板适当抬高，并在底板高程以下修排沙泄流闸孔。（4）坝址选择还应考虑施工导流.交通运输.基坑排水.施工供水及电源条件.。（5）坝址选择应考虑便于坝袋检修维护及工程管理运用。坝址选择时要考虑建坝后是否具备检修条件，因橡胶坝的特点之一是跨度大，一般不设检修闸门，应尽量选在不筑堰的情况下，能够进行维修的地点。基础底板不宜低于河床，防止在坍坝泄洪时，坝袋被泥沙覆盖，造成管理维修困难。在满足泄洪断面的情况下，将基础底板适当抬高，使橡胶坝高于枯水季节下游河流水位，便于检测和维修。同时，底板抬高后水流过坝后有一陡坡段，还有利于上游和下游水流的衔接，易于泥沙排泄，减轻坝袋溢流振动，避免回流和漩涡将卵石和泥沙等杂物带到下游侧锚固线外的底板上，引起坝袋磨损。（6）坝址选择应考虑枢纽建筑物的合理布置。重要工程应有水工模型实验论证。由设计资料可知本区在主要地层岩性为三叠系上统和侏罗系下统砂页岩，第四地层。坝址处为坚硬粉质粘土，符合建坝基础条件。前期提出两处建坝地址，一处在上游柴槽处，一处在下游阳关处。由坝址选择示意图可知柴槽处在河流转弯段，水流不平稳，对河床冲刷作用明显，不宜修建橡胶坝。所以橡胶坝选在阳关附近的河道上，此处水流平顺，坝址上下游均有一定长度的平直，河床4—6米以下均为基岩。河道左岸多为山体，右岸以河滩为主，部分河段修建了堤防，河床及岸坡稳定。阳关紧邻省道，对外交通方便。工程所用水泥、沙、石子等材料以当地材料供应为主。所用块石可在附近山谷中采集。两岸山体多为震旦系石英砂岩致密坚硬，力学强度高，可满足本工程所需。施工用水用电可就近从附近阳关接10KV高压线到施工现场.。2.1.3坝型选择橡胶坝与常规水闸比较，橡胶坝的优点是:①坝袋制造工厂化、安装简单、工期短；②造价低廉、节省钢材、木材、水泥；③不阻水、能保持河道泄流断面；-5-④操作灵活、管理方便；⑤有较好的抗冲击性能。缺点是：坝袋易老化、耐久性较差。橡胶坝主要适用于低水头大跨度的闸坝工程。坝高一般不超过5米。由设计资料知河流的设计水深为2.9米，河道底宽为92米，属于大跨度低水头大坝工程，所以适宜采用橡胶坝。橡胶坝在实际运用中基本上以充水式和充气式为主，采用水气混合的很少。世界上橡胶把发展和建设主要以日本和我国为代表。我国和日本几乎同时研究和建设橡胶坝，但日后两国采用的橡胶坝型式却不同。日本的橡胶把多为充气式，至目前已建3000余座；而我国的橡胶坝多为冲水式，至今已建成约千余座。充气式橡胶坝对于坝袋强度制造工艺要求高，安装要求比充水式高，运行管理水平要求高。充水式橡胶坝对于坝袋制造、安装、强度及运行管理要求较低，为节省钢材，我国还发明了混凝土楔块锚固法。在充水橡胶坝方面，我国已形成了具有自己特色的橡胶坝设计制造运行管理技术，满足我国发展橡胶坝的需求。但相比之冲水式橡胶坝，充气式橡胶坝的主要优点有：一．运行管理相对方便，不受季节变化的影响。这一点主要体现在冬季，由于气体不存在结冰问题，运行管理模式四季相当，没有明显的季节变化。而水在零度就会结冰，要使充水橡胶坝在冰寒期仍然有效运行，解决好冰冻问题是不可回避的。二．充气式坝袋塌坝相对充分，不会造成阻水。而充水橡胶坝塌坝后不仅需要占压一定面积的土地，且在塌坝后还会造成一定的阻水问题，大约阻水50厘米之多。当然，这主要是由于充水橡胶坝的现行结构所致，如想克服此问题也许只能是通过修改现行的有关标准。三．充胀介质易于提取，充胀简便。充气式橡胶坝的充胀介质为气体，可以说是无时不有、无处不在，来源十分充沛，且可满足于随时足量取用，没有时间、地点的制约。而充水橡胶坝则要考虑充水介质的取水水源问题。以一座高5米的橡胶坝为例，每延米橡胶坝就需要46立方米的水量来予以填充，跨度为100米宽的橡胶坝就需要4600立方米的水量。现在橡胶坝的宽度动辄数百米、上千米，作为充胀介质的水源问题已成为必须考虑的问题之一。四．充气式坝袋塌坝迅速及时，可满足汛期防汛抢险的快速反应。-6-五．充水式橡胶坝只宜布置在水平底板上，以便坍坝时能排空坝袋内的水。充气式坝袋既可布置在水平底板上，也可在曲线形实用堰顶上，应用范围较广。六．满足充气橡胶坝运行要求的占地面积比充水橡胶坝占地面积节约15%到35%；从而大量的节约工程资金；比如坝高为2米的充水橡胶坝，按标准要求，坝基础顺水流宽度为6.3米，而同等规格的充气橡胶坝坝基础顺水流宽度为4.2米，节约基础投资为33%；坝高为1.5米的充水橡胶坝，按标准要求基础地板顺水流宽度为4.6米，而充气橡胶坝仅要求为3.7米，节约基础投资20%；坝高为1米的充水橡胶坝，按标准要求基础地板顺水流宽度为3.3米，而充气橡胶坝仅要求为2.8米，节约基础投资15%；七．充气橡胶坝的运输、安装较为便利，这为山区小水电橡胶坝建设提供极大的便利。充气橡胶坝的种种优点，导致充气式橡胶坝在当今国际市场上所占的市场份额呈攀升之势。，特别是考虑到橡胶坝的运行管理和维修等条件，在柴关橡胶坝采用充气式橡胶坝。2.1.4工程等级及枢纽布置（1）工程规模。工程规模应根据水文水利计算研究确定，具体可参照SL278-2002，《水利水电工程水文计算规范》和SL104-95《水利工程水利计算规范》的规定进行。橡胶坝工程的规模主要是指坝的高度和长度。a.设计坝高．设计坝高是指坝袋内压为设计内压，坝上游水位计算水位，坝下游水位为零时的坝袋挡水高度。确定坝高时应考虑坝袋坍肩和褶皱处溢流的影响。河床高程为75.6米，底板高程比河床高0.2~0.4m，取75.8m;设计水位为78.5米，坝顶应比正常水位高0.1~0.2m,取78.7m;坝高H=75.8-78.7=2.9米根据建坝用途，运行中坝高可以随时调节，以满足需要。因坝袋袋体为薄壁柔性结构