1、汾河治理美化工程梯级橡胶坝设计设计与施工水利规划与设计 2003 年第 4 期汾河治理美化工程梯级橡胶坝设计朱峰(水利部水利水电规化设计总院北京 100011)姚宝永赵新永(北京勘测设计研究院北京 100024)【摘要】汾河太原城区段治理美化工程,规模宏大,四个梯级橡胶坝联合调度运行.该工程建成运行为我国在多泥沙河道上建设梯级橡胶坝群积累了一定的设计和运行管理经验.【关键词】梯级橡胶坝泥沙锚固槽充排水联合运行l 工程概况及橡胶坝特点池警萎汾河太原城区段治理美化工程位于太原市区的汾河上,北起胜利桥,南至南内环桥,全段长约6km,是太原市治理美化汾河城区段河道,改善市区生态环境的重点工程,获 20
2、01 年建设部颁发的“中国人居环境范例奖“ 和世界卫生组织 “人居环境奖“. 工程于 2000 年蓄水运行后已成为太原市区最大的集游乐,观赏,休闲于一体的风景游览胜地.工程主要有四座主橡胶坝和一座副橡胶坝组成,将汾河主河道形成三座蓄水池和一条浑水渠.橡胶坝位于治理段主河槽内,平时副坝塌坝,四座主坝立坝,上游来水由浑水渠泄向下游;汛期超过蓄水要求的洪水来临时,副坝,主坝全塌运行,洪水由浑水渠,蓄水池泄向下游.橡胶坝采用充水枕式,双锚线布置,楔块锚固,坝高均为 2.5m.汾河橡胶坝具有以下特点:(1)在治理段内建造四个梯级橡胶坝,规模宏大,多坝联合调度运行,这在国内是不多见的.因此做好四座橡胶坝的
3、联合调度,科学运行管理是充分发挥工程效益的关键,要在实践中不断总结和完善具体运行管理措施.(2)1#主坝具有双向挡水功能.汛期洪水时1#主坝上游水位高于蓄水池水位,1#坝正向挡水;枯水期上游无水时,1#主坝反向挡水.(3)充排水系统的最大特点是,为满足防洪要求,橡胶坝塌,立坝均要求在较短的时间内完成,设计要求塌坝时间约 90 分钟,立坝时间约 150 分钟.因此充排水系统相对复杂,需要专门建造储水?36?施.例如:坝袋采用两布三胶,坝袋底板用底垫片,抬高底板等.(5)汾河洪水峰高流急,洪水时可能有漂浮物过坝,为避免对坝袋的撞击,需采取防护措施.例如:在坝前一定范围内设置拦污排.(6)工程区属暖
4、温带于旱半于旱大陆性季风气候区,多年平均气温 9.4.橡胶坝平均约两年有一次翻坝和塌坝过水的机会,平均五年有一次全塌运行.坝袋大部分时间暴露于空气中,紫外线照射强烈,日晒严重.(7)太原地区属寒冷地区,冬季最低气温一25.5,坝袋上下游及坝袋内均有结冰可能.工程位于市区,为增加冬季娱乐项目,减少补水费用,冬季立坝运行时,除要求坝袋具有抗冻性能外,尚应制定适宜的冬季运行措施.2 自然条件治理段河床地势平坦,河道纵比降 0.8%o 左右,河床宽约 450500m,被粉细沙覆盖 .治理段汾河常年有水,大水集中在汛期的 7,8 两月,平时以排泄污水为主.城区段现状行洪能力达3450m./s 以上,上下
5、游河道按 2000m./s 洪水设防.工程区属暖温带干旱半干旱大陆性季风气候区.四季特点分明,冬季寒冷干燥,夏季高温湿重,多年平均气温 9.4,多年平均降水 450mm,年平均风速 2.3m/s,年平均蒸发量 1700mm(20cm 蒸发 lit),年平均相对湿度 60,冻土深度设计与施工水利规划与设计 2003 年第 4 期0.77m,全年无霜期 170 天.汾河为黄河的一级支流,属于多泥沙河流,兰村水文站水沙特征:最大含沙量 555.7kg/m.,多年平均含沙量 15.6kg/m.,上游来沙主要集中在汛期 69 月,输沙量为 618 万 t,占全年来沙的929/6.含沙特点是含沙量随流量增
6、加而增大,沙峰滞后洪峰 2 小时.工程区地层岩性为第四系全新统汾河近代冲,洪积物及第四系上更新统冲积湖积物,与工程密切相关的地层可分为五层.第 1 层为新近沉积的粉土,粘质粉土和粉细砂,厚 0.O7.Om;第 1I 层为粉细砂,中砂(局部有粗砾砂),夹粘质粉土或粉质粘土透镜体,厚 2.519.Om;第层为粗砂砾砂层,局部为卵石,一般厚 5.018.Om;第层为粉土,粉质粘土及粘土互层,治理段内此层总体上连续性较好,可作为相对隔水层;第 V 层为中粗砂圆砾,局部为卵石,此层勘探时未打穿.针对存在的主要工程地质问题,如地震与液化,渗漏与浸没等,分别采取了强夯,振冲等软基加固措施和高喷防渗墙防渗措施
7、.3 橡胶坝土建设计及基础处理橡胶坝土建工程从上游到下游依次为上游干砌石铅丝石笼段,上游铺盖段,坝袋底板段,消力池段,海漫段,下游铅丝石笼和干砌石防冲段等组成.3.1 橡胶坝底板底板顺水流方向宽度根据坝袋塌落宽度和上下游施工检修要求确定,坝袋坍落宽度 7.15m,上下游交通各取 lm,取底板宽度 lOm.根据基础内埋管,防冻,稳定要求,设计钢筋混凝土底板厚 lm.为减少泥沙淤积对坝袋的磨损,底板高出河床高程0.2m.坝袋底板示意图见图 31.图 31 坝袋底板示意图(单位:高程 m,尺寸 cm)3.2 边墩与中墩利用排污暗渠和中隔墙边墙作为橡胶坝的边墩,并加厚到 0.5m;顶部加高 0.6m
8、作为挡墙,以阻挡两岸泥沙等杂物进入橡胶坝基础底板和消力池中.四座主坝均各设两个钢筋混凝土中墩,鱼形体型,中墩内设溢流孔.3.3 防渗止水设计考虑橡胶坝渗透稳定,防冲要求,同时结合蓄水池整体防渗要求,结构布置上采取了以下防渗止水措施:(1)坝袋基础底板上游设钢筋混凝土铺盖:铺盖顺水流方向长 15m,厚 40cm,铺盖下设 lOcm混凝土垫层.铺盖上,下游分别设齿墙.(2)1#坝底板上游齿墙及 2#,3#,4#坝铺盖上游齿墙下设高喷防渗墙,与东暗渠,中隔墙的防渗墙连接,使蓄水池四周形成封闭的防渗体系,防渗墙顶部用沥青砂浆与上部混凝土柔性连接.1#副坝渗透水力坡降 0.1,不会造成渗透破坏,同时 1
9、#副坝布置在浑水渠首部,临时挡水,不需设置防渗墙.(3)在混凝土铺盖,橡胶坝底板等结构缝位置设橡胶止水带,与边墩,中墩止水相连.3.4 消能防冲设计枕式橡胶坝单宽流量小且均匀,橡胶坝下游面为倒弧曲线,水流紧贴坝面,因此水流出坝能量小,消力池的长度,深度以及下游防护段长度可大大缩短.根据消能计算,消力池深度为 0.2m,长度为 7.3m.设计取深度 0.5m,长度 9m,池尾设高 0.5m 的尾坎,池前由 1:4 的斜坡与橡胶坝袋底板连接,总计消力池长 12m.消力池尾部设排水孔,梅花型布置.排水孔下设反滤层,反滤层根据地基情况设三层反滤.根据结构防冲要求和泥沙试验冲刷情况,在铺盖上游设铅丝石笼
10、及干砌石防冲,消力池下游设钢筋混凝土海漫,铅丝笼及干砌石防冲槽.3.5 基础处理橡胶坝底板基础主要座落在粉细砂,中砂层,在地震设防烈度 8 度下,液化指数一般为 16.1557.7,属严重液化砂层,设计采用振冲挤密法消除地震液化.下部第四层为粉土,粉质粘土及粘土互层,深 15m30m,此层在工程布置范围内总体上连续性较好,可作为相对隔水层,设计采用高喷防渗墙作为防渗措施.?37?设计与旄工水利规划与设计 2003 年第 4 期4 锚固结构设计4.1 锚固线布置汾河为多泥沙河流,上游河水污染,为坝袋运行稳定及避免泥沙进入坝袋底部磨损坝袋,设计采用双锚线布置.4.2 锚固槽结构设计(1)锚固槽尺寸
11、上,下游及侧向锚固槽均采用侧壁设凹槽的靴形槽,深度 25cm,上,下游锚固槽槽底宽 38cm,顶宽 31cm,堵头锚固槽底宽 23cm,顶宽 16cm.压轴采用 DN28mm 镀锌钢管.经结构计算配置构造配筋即可.上下游锚固槽示意图见图 41,堵头锚固槽示意图见图 42.:20 水砂浆抹平 145l135J,轧,袒,30/l镀锌钢管2X 30mm二图 41 上,下游锚固槽示意图(单位:cm)765.118523851图 4-2 堵头锚固槽示意图(单位:cm)(2)锚固槽净间距计算坝袋锚固槽净问距等于坝袋贴地长度,根据坝袋尺寸计算,上下游净距为 4.7m,所以锚固槽净距为 4.7m.(3)锚固槽
12、施工技术要求锚固槽混凝土一次浇筑成型.要求锚固槽尺寸准确,不平整度(2m 直尺检查)小于2mm.为防止混凝土振捣过程中模板上下,左右移动,可采用螺栓加固模板,在浇注过程中,用水准仪和经纬仪进行观测监控,若发现位移,在混凝土初凝前及时调整.,4.3 楔块设计上,下游侧锚固采用钢筋混凝土预制块,堵头锚固采用木楔块.预制楔块混凝土标号均为 C3o,前楔块标准块长度为 49.5cm;后楔块标准块长度为 20cm.楔块承受正压力,为防止锤击破坏,配置构造钢筋.木楔块前块长度为 93.5cm,后块长度为 18.5cm,表面刨光,加工完毕后需浸透防腐油.前楔块采用白松,后楔块采用硬杂木.楔块尺寸要求误差不超
13、过2mm,同时保证楔块的斜面倾角和垂直度,以保证前后楔块斜面相吻合,否则捶打易碎.根据楔块自锁条件,楔块倾角采用 76.锚固槽深度及楔块高度设计时,为避免楔块凸出磨损坝袋,要求楔块顶部留有 3cm 的空隙,锚固后用 C20 水泥砂浆抹平.并在后楔块底部留有4cm 左右的锚固余量.但在施工过程中,部分楔块高出坝袋底板 2cm 左右,无法捶打下去.经分析研究,在锚固槽通长楔块范围内,根据坝袋坍落形状,用水泥砂浆抹一凸面,对坝袋磨损并无明显影响.5 坝袋设计5.1 坝袋径向设计拉力将橡胶坝的受力假定为平面问题和薄膜内力两个基本条件,设计内压比 QH./H 一 1.3,计算公式:T=0.57(HoH1
14、-0.5H)式中,T坝袋径向拉力(kN/m);水比重(kN/m.);H1实际坝高(m);Ho坝袋内压水头.经计算,在设计坝高下,坝袋单宽径向拉力25kN/m.5.2 坝袋技术指标及外形计算坝袋有效周长,坝袋体积,堵头尺寸等坝袋技术指标及外形尺寸,根据橡胶坝技术规范(SI22798)确定,见表 51,表 52.设计与施工水利规划与设计 2003 年第 4 期表 5 一 l 橡胶坝主要工程技术指标表1#副 1#3#4#项目橡胶坝橡胶坝橡胶坝坝高(m)2.52.52.5坝长(m)78.5226.8242.8内压比(H./H1)1.31.31.3坝袋材料二布三胶二布三胶二布三胶袋壁计算强度 25252
15、5(kN/cm)袋壁极限强度 200280280(kN/cm)坝袋安全系数 811.211.2坝袋有效周长 8.828.828.82(m)锚固线布置双锚双锚双锚钢筋砼楔钢筋砼楔钢筋砼楔锚固结构型式块锚固块锚固块锚固充排水方式动力充排动力充排动力充排表 52 橡胶坝各坝袋容积统计表单位:rn31#副 1#橡 2#橡 3#橡 4#橡容积坝胶坝胶坝胶坝胶坝每坝段容积 844813813813865总容积 32832439243925955.3 坝袋的材料根据国内橡胶坝袋生产情况及汾河工程特点,坝袋采用以氯磺化聚乙稀为主料的彩色橡胶坝袋.坝袋采用两布三胶,堵头采用一布二胶,底垫片采用纯橡胶片.(1)坝
16、袋胶布坝袋胶布使用高强且与橡胶具有良好结合性能的锦纶帆布(锦纶网眼布).锦纶帆布在涂胶前要求对白坯布进行化学药品浸渍处理,以加强胶料对织物的渗透和涂敷粘合体系.(2)坝袋胶料坝袋胶料主料采用耐老化,耐腐蚀,耐磨损,抗冻性及耐水性好的氯丁胶,彩色坝袋的贴合复合层主料采用氯磺化聚乙稀.坝袋面层颜色:应具有持久性,彩色坝袋外覆盖胶以采用复合形式为宜,外覆彩色胶厚度 l1.5ram.l#坝及 l#副坝坝袋面胶采用黑色;2#坝袋面胶采用海蓝色:3#坝袋面胶采用浅绿色;4#坝袋面胶采用墨绿色.胶布的层胶厚度见表 53.表 53 胶层厚度外覆盖胶夹层胶内覆盖胶底垫片2.5mm0.5mm2.0mm2.0mm5.4 坝袋制作坝袋纬向拼接采用机压热粘合方法,但应减小重复硫化次数,坝袋搭接强度要求不小于坝袋本身强度.坝袋径向不允许拼接.为保证搭接质量,所有搭接缝粘接要求在工厂完成.5.5 坝袋塌肩处理措施国内已建枕式橡胶坝或多或少存在塌肩现象,这主要是由于堵头与边墙的摩擦力以及上游水压力引起的.本工程总结以往工程经验,主要采取以下措施减少坝袋塌肩:1)堵头与中墩,边墩接触范围内的墙体设计要求做抛光处理,并涂聚安酯.施工中由于施工单位华水公司在该处采用大型整片模板,表面比较光
