寒冷地区充水枕式橡胶坝工程设计探析

张同军，王歌，张兴

（1.辽宁省抚顺市清原满族自治县水务事务服务中心，辽宁 清原 113300；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300220；3.辽宁省抚顺市清原满族自治县水利勘测设计室，辽宁 清原 113300）

1 工程概况

门坎哨拦河闸除险加固工程地处辽宁省抚顺市清原满族自治县境内、浑河干流上，左岸紧邻河堤路，右岸为国道202 公路，担负着闸址以下246.67 hm2水田的灌溉任务。工程始建于1990 年，原设计洪水标准为5 年一遇，校核洪水标准为10年一遇，最大过闸流量为1 460.31 m3/s。主要建筑物由右岸向左岸依次为进水闸、自由溢流堰+泄沙闸和自溃土堤（长50.00 m），其中自由溢流堰坝长200.00 m，堰高1.20 m，戽流消能；堰上分散布设10 孔泄沙闸，单孔净宽2.50 m。

2009 年，水利部核定该工程为3 类坝，确定除险加固后工程规模为大（2）型Ⅱ等工程，设计洪水标准为20 年一遇，校核洪水标准为50 年一遇，消能防冲建筑物洪水标准为20 年一遇，最大过闸流量为4 380 m3/s，正常蓄水位为149.58 m。主要建筑物由右岸向左岸依次为进水闸、泄洪冲沙闸和橡胶坝，泵房布置在紧邻冲沙闸和进水闸下游侧的右岸岸边，共两层，地下一层为水泵室，地上一层为控制室。该工程于2018 年5 月开工，于2019年11 月下闸蓄水，目前已经历3 个完整汛期考验，运行正常。工程总投资2 311.77万元，其中，国家匹配资金占60%，辽宁省和地方配套资金各占20%。

工程地处辽宁省东部寒冷山区，多年平均年降水量为810.9 mm，最冷月平均气温为-37.6 ℃，最大冻土深为1.69 m，地震基本烈度小于Ⅵ度。闸址区基础土层为圆砾，岩性以花岗岩为主，天然密度为21 kN/m3，孔隙率为0.33%，内摩擦角为32°，允许承载力为350 kPa，渗透系数为6.9×10-2cm/s，允许渗透比降为0.22（水平段）、0.50（出口段）。

2 橡胶坝段结构设计

浑河流域为多泥沙河流，参考同类工程，综合考虑泄流能力与减少泥沙淤积等因素，确定闸底板顶高程高出河床平均高程0.20 m，取为148.00 m。橡胶坝段布置在主河床偏左岸，总长241.00 m，共分4 跨4 个坝袋，单跨长59.50 m，坝高1.60 m。橡胶坝段自上游向下游由防渗铺盖、坝体、消力池及海漫组成，上游防渗铺盖顺水流向长5.00 m，底板厚0.40 m，顶高程148.00 m；橡胶坝体顺水流向长7.50 m，底板厚1.50 m，顶高程148.00 m，橡胶坝袋充胀顶高程为149.60 m，中墩厚1.00 m；底流消能消力池顺水流向池长21.70 m，池深0.80 m，池底板顶高程146.70 m，消力池末端6.00 m 范围内设有排水孔；海漫段长20.00 m，末端设抛石防冲槽。混凝土设计标号为C30F300，过水面层配筋双向均为HRB400 直径20@200。防渗铺盖、闸底板与消力池底板间的结构缝错缝布置，沿垂直水流向结构缝间距为15.00 m，结构缝间设置1 道橡胶止水带。

3 充水枕式橡胶坝的抗冰冻设计

3.1 橡胶坝袋冻胀机理及袋壁材料选择

橡胶坝袋按充胀介质可分为充水式和充气式，结合门坎哨拦河闸实际运行条件，地处寒冷地区且多泥沙河流，采用充水式橡胶坝袋较为适宜。冬季充水式橡胶坝坝袋内易结冰，坍坝运行时坝袋表面会过冰，上述情况对坝袋的正常寿命带来多大影响及如何采取可靠措施给予切实的保护一直是运行中备受关注的问题。通过对忻州市郭家寨水库橡胶坝两年冬季结冰运行的原型观测数据分析得出[1]，当外界最低气温为-17.0 ℃时，坝袋内最低点温度为-6.5 ℃，二者变化不同步，坝袋内日平均温度比外界日平均气温平均高约8.8 ℃；同时发现，坝袋在补水过程中温度上升，水充填了冰与坝袋之间的空隙，将坝袋内冰与坝袋内壁分离开来。根据1 d 3 次（早8 时，午14 时，晚16 时）坝袋内温度以小时加权平均后，计算出橡胶坝内部各点的日平均温度等值线，见图1。结冰过程中，温度每降低1.0 ℃历时1 d，坝袋内可增加冰厚0.70 cm 左右；溶解过程中，温度每增加1.0 ℃历时1 d，坝袋内可溶解1.00 cm 左右厚的冰。结冰速度小于融冰速度。

图1 坝袋内外温差实测曲线

结合以上试验成果分析，当橡胶坝冬季充胀运行时，如果能够每隔数日对橡胶坝坝袋进行排水及充水运行，可以有效地缓解坝袋内结冰对坝袋造成损坏。冬季橡胶坝坍坝运行时，若河道内水流冰的厚度较小，一般不会对坝袋造成破坏；坝袋表面的过流能保持一定的水流深度，冰就会浮在水面，对坝袋造成损坏不大。

依据SL 227—98《橡胶坝技术规范》，对于充水橡胶坝袋强度设计安全系数不小于6.0，计入安全系数后径向及纬向胶布抗拉强度不小于60.00 kN/m。经计算，充水枕式橡胶坝袋设计内外压比值选用1.40，坝高1.60 m，坝袋径向拉力为11.52 kN/m。坝袋纬向拉力计算较为复杂，当坝袋充胀后，由于锚固线的约束，各部位的受力情况不同。袋壁坝袋中段的纬向拉力可取径向拉力的50%，即5.76 kN/m；两端附近的折皱区受力情况比较复杂，可按径向拉力的100%计算，即11.52 kN/m。

根据橡胶坝袋强度计算成果并结合门坎哨工程实际运行条件分析，在冬季橡胶坝坍坝运行时，存在坝顶过流冰的可能性；同时，浑河为多泥沙河流，河水裹挟泥沙泄流会对坝袋有一定的磨损；综合考虑选用坝袋袋壁材料为二布三胶（2 层锦纶帆布，3 层氯丁橡胶），袋布总厚度为6.80 mm，经纬向抗拉强度为160.00 kN/m，坝袋型号为JBD1.60-100100-2。

3.2 橡胶坝袋充排水管的抗冻胀设计

橡胶坝段布置4跨，共4个橡胶坝坝袋，每个坝袋设置1根充排水管，1管两用，共4根充排水管。充排水钢管材质采用Q235D 钢，型号为DN300 mm，埋设在闸混凝土底板内。为避免冬季排水钢管内发生冻胀破坏，考虑在水泵强排基础上钢管内残留的水能够自流排出，从根源上解决水的冻胀问题，在布设充排水管时，要求沿管路轴线方向的横向坡比不小于0.2%，闸底板顶高程为148.00 m，底高程为146.50 m，充排水管中心高程为146.75～147.30 m，以确保充排水管内残余积水可以自流排至右岸泵房的集水井内，管路内无水、无冻胀问题。

3.3 橡胶坝袋充排水管的过缝保护设计

工程地处寒冷地区，充排水管埋设在闸底板混凝土内部，底板厚度为1.50 m，建基土层为圆砾，非冻胀土。充排水管为单管单坝袋，距离泵房最远的钢管长度为231.00 m，过闸底板结构缝有15 个。为减小闸底板的不均匀沉降对钢管产生的法向应力，对充排水钢管过缝部位设置过缝保护结构。过缝的设计使充排水钢管与套管间形成柔性加强区域，保护范围为两端过结构缝各1.50 m区域，沿充排水钢管DN300 mm 径向设置钢套管DN450 mm，在钢套管两端设置沥青麻片，用棕绳麻绳包扎。目前，工程投入使用已3 年，经历6 个冻融循环，充排水钢管运行良好无渗漏，说明钢管过缝结构起到了一定保护作用。

4 橡胶坝袋充排水系统

门坎哨橡胶坝坝袋总容水量为946.40 m3，坝袋充水时间为5 h，坍坝排水时间为1 h，坝袋内压比1.4。橡胶坝的充排水系统采用强充强排方式，根据橡胶坝的总容水量及充、排水时间，在泵房内144.50 m 高程设置4 台套卧式离心泵（其中3 台工作，1 台备用）作为坝袋充、排水泵，且设置相应的阀门、管路、附件和自动化软件等设备。当橡胶坝充起时，水泵从集水井抽水通过阀门及管道向各个坝段的坝袋充水；当橡胶坝需要排水时，坝袋中的水通过水泵强排至下游消力池中。在充排水总管上设置4 套压力开关，用于控制水泵启停。当工作泵出现故障或需要检修维护时，备用泵可代替任意一台工作泵。

为保障橡胶坝袋的充水安全，在每个坝袋均设置1 根超压溢流管，共4 根，管径为DN300 mm，出口分别布置在中闸墩和冲沙闸右边墩上，出口高程为150.24 m，比坍坝水位高出0.24 m，在出口部位设置有防止洪水倒灌入的法兰式橡胶缓闭式逆止阀。橡胶坝充排水系统内设有控制水流方向的逆止阀。超压溢流管的出水口方向宜朝向管理房侧，便于运行管理人员及时观测坝袋充盈水状况，在保障工程安全的同时，使工程管理方式更加灵活多样化。

5 结语

门坎哨橡胶坝冬季不运行，不存在坝袋挡水问题，但由于寒冷地区冬季室外温度很低，河道水流会结冰，因此应采取必要措施对过冬的坝袋予以保护；在开春流冰季节，管理部门要做好河道清理，尽可能避免上游流冰及漂浮的树枝等杂物对橡胶坝袋造成损坏，当橡胶坝坍坝运行时，要采取必要措施使得坝袋表面有一定的水深，让冰浮在水面，若冰的厚度较小，一般不会对坝袋造成破坏。

门坎哨拦河闸闸址左岸紧邻河堤路，右岸为国道202 公路，初设阶段批复的橡胶坝充排水泵房设在左岸，在河堤路内建设。在工程开工建设落实过程中，建设管理单位提出泵房所在左岸的现有河堤道路无法作为防汛道路，而且现状供电线路均在右岸，要求将泵房位置变更到右岸。经清原满族自治县水务局、上级主管部门和设计单位多次研究，确定了泵房调整方案。调整后的泵房紧邻冲砂闸和进水闸下游侧的右岸岸边，泵房通往控制室的大门正对国道202 公路，防汛交通便利，近岸侧回填至路面高程，形成约35 m2的平台，便于汛期抢险作业和运行管理，泵房的位置调整是合理的。该工程建设过程中发生的设计变更，严格执行了审批制度，并非常重视工程建设前期的准备工作，可供同类工程借鉴。