橡胶坝

摘要橡胶坝也称橡胶水闸,它是将高强度合成纤维用合成橡胶粘合制成坝袋,锚固在闸底板上,用水或气(多采用水)充胀形成坝体,坝高可由增减坝袋内的水(气)量来调节。洪水期排掉坝袋内水(气),坝袋塌缩可以泄洪,因此坝袋相当于活动的闸门,既可挡水,又可泄水或溢流。适宜坝高一般在5m以内,多为2~...

橡胶坝

橡胶坝也称橡胶水闸,它是将高强度合成纤维合成橡胶粘合制成坝袋,锚固在闸底板上,用水或气(多采用水)充胀形成坝体,坝高可由增减坝袋内的水(气)量来调节。洪水期排掉坝袋内水(气),坝袋塌缩可以泄洪,因此坝袋相当于活动的闸门,既可挡水,又可泄水或溢流。适宜坝高一般在5m以内,多为2~5m,坝长应与河宽相适应,单跨坝长不宜超过100m。常用于灌溉、供水、发电等的拦河闸坝,也可用作灌渠渠系上的分水闸、节制闸或河岸溢洪道上的闸门,适宜修建于水流平顺,泥沙、漂浮物较少的中小河(渠)道上。其结构简单,施工快(坝袋可工厂预制),操作灵活,且抗震性能好,可用于大跨度,但坝袋易老化、磨损,需经常维修或定期更换。

橡胶坝出现于20世纪50年代末,我国第一座橡胶坝是1966年6月建成的北京右安门橡胶坝,坝高3.4m,坝顶长37.6m。山东省临沂市于1997年建成高为3.5m,总长为1135m的小埠东拦河橡胶坝,目前,除为数很少的几座充气式橡胶坝外,均为充水式橡胶坝。

橡胶坝特点

与传统的闸坝相比,橡胶坝具有以下特点:

(1)造价低。橡胶坝的造价与同规模的常规水闸相比,一般可以减少投资30%~70%。

(2)节省三材。橡胶坝袋是以合成纤维织物和橡胶制成的薄柔性结构代替钢木及钢筋混凝土结构,由于不需要修建中间闸墩、工作桥和安装启闭机等钢筋混凝土的上部结构,并简化水下结构,因此三材用量显著减少,一般可节省钢材30%~50%,节省水泥50%左右。

(3)施工期短。橡胶坝袋是先在工厂生产,然后到现场安装,施工速度快,整个工程施工工艺简单,工期一般为3~6个月,多数橡胶坝工程是当年施工当年受益。

(4)抗震性能好。橡胶坝的坝体为柔性薄壳结构,延伸率达6000%,具有以柔克刚的性能,故能抵抗强大地震波和特大洪水的波浪冲击。

(5)不阻水,止水效果好。坝袋锚固于底板和岸墙上,基本能达到不漏水。坝袋内水泄空后,紧贴在底板上,不缩小原有河床断面,无需建中间闸墩、启闭机架等结构,故不阻水。

橡胶坝形式

橡胶坝按充胀介质可分为充水式、充气式两种。充水坝的充排时间要长于充气坝。在造价方面,两种坝型相差不多。充水橡胶坝在坝顶溢流时袋形比较稳定,过水均匀,对下游冲刷较小;由于气体具有较大的可压缩性,充气橡胶坝在坝顶溢流时,出现凹口现象,水流集中,对下游河道冲刷较强。在有冰冻的地区,充气橡胶坝内的介质没有冰冻问题,但充气橡胶坝气密性要求高。

橡胶坝按岸墙的结构形式可分为直墙式和斜坡式两种。直墙式橡胶坝的所有锚固均在底板上,橡胶坝坝袋采用堵头式。堵头式的橡胶坝的坝袋不和直墙锚固,只利用堵头与直墙的挤压,达到止水的目的。充水后,坝袋全断面形状相同,不起褶皱,坝袋应力分布比较均匀。这种形式结构简单,适应面广,但充坝时在坝袋和岸墙结合部位出现坍肩现象,引起局部溢流,这就要求坝袋和岸墙结合部位尽可能光滑。斜坡式橡胶坝的端部锚固在岸坡上,这种形式的坝袋在岸墙和底板的连接处易形成褶皱,在护坡式的河道中,与上下游的连接容易处理。

橡胶坝组成

橡胶坝由上游连接段、橡胶坝段、下游连接段和橡胶坝控制系统等四部分组成,其中的上、下游连接段的作用和设计方法同水闸的上、下游连接段;橡胶坝段由橡胶坝袋、底垫片、锚固系统、充排水管和坝基等组成,其主要作用是控制水位和下泄流量;控制系统由水泵(鼓风机或空压机)、机电设备、传感器、管道和阀门等组成,水泵(鼓风机或空压机)、机电设备和阀门一般都布置在专门的水泵房内,主要作用是控制橡胶坝的高度。

橡胶坝原理

橡胶坝利用中空原理,充气或者充水时,使橡胶膨胀,坝体增高,积蓄水量,提高水位,泄洪时需要放掉水或者空气,坝体高度降低。

橡胶坝作用

橡胶坝主要用于防洪和水利调节。

橡胶坝施工

坝袋安装流程螺栓压板式橡胶坝安装可以分为十二个工序流程,如下所示:坝床处理→锚固槽处理→展开底垫片和打孔→安装庄水海绵→水帽和溢流管处理→展开坝袋调整定位→坝袋打孔压平→垫平片安装→安装上压板→紧固螺栓→坝袋冲水试验→浇筑封锚混凝土。

橡胶坝的坝袋

橡胶坝主要依靠坝袋内的胶布来承受拉力的,橡胶保护胶布免受外力的损害,根据坝的高度不同,可以选择一布二胶、二布三胶和三布四胶,采用最多的是二布三胶;一般情况下,夹层胶厚0.3~0.5mm,内层覆盖胶厚大于2.0mm,外层覆盖胶厚大于2.5mm。目前国内坝袋胶布采用锦纶帆布,坝袋用的胶布必须满足如下性能:

(1)有足够的抗拉强度和抗撕裂性能,径向抗拉强度必须大于坝袋径向设计强度,纬向抗拉强度必须大于坝袋纬向设计强度。

(2)柔曲性、耐疲劳性、耐水浸泡及耐久性好。

(3)与橡胶具有良好的粘合性能。

(4)重量轻、加工工艺成熟。

坝袋用的胶料必须满足下列基本要求:

(1)耐大气老化、耐腐蚀、耐磨损、耐水性好。

(2)有足够的强度。

(3)在寒冷地区要有抗冻性等。

(4)坝袋使用的胶料达到或超过表10-1的规定。坝袋选择的步骤:首先计算出坝袋的设计强度,然后根据设计强度的要求选择胶布的型号和层数,最后确定各层橡胶的厚度和坝袋的总厚度。

表10-1 坝袋胶料物理机械性能要求

项目 外层胶 夹层胶内层胶 底垫片胶
扯断强度/MPa ≥14 ≥12 ≥6
扯断伸长率/% ≥400 ≥400 ≥250
扯断永久变形/% ≤30 ≤30 ≤35
硬度(邵尔A)/度 55~65 50~60 55~65
脆性温度/℃ -30 -30 -30
热空气老化(100℃×96h) 扯断强度/MPa ≥12 ≥10 ≥5
扯断伸长率/% ≥300 ≥300 ≥200
热淡水老化
(70℃×96h)
扯断强度/MPa ≥12 ≥10 ≥5
扯断伸长率/% ≥300 >300 ≥200
体积膨胀率/% ≤15 ≤15 ≤15
臭氧老化 120 120 100
磨耗量(阿克隆) ≤0.8 ≤1 ≤1.2
屈挠性、不裂/万次 20 20 20

橡胶坝适用条件

橡胶坝适用于低水头、大跨度的闸坝工程,橡胶坝的高度一般不高于6.0m,单跨长度一般为50~100m。主要用于灌溉、防洪和改善环境,如:

(1)用于水库溢洪道上的闸门或活动溢流堰,以增加库容及发电水头,工程效益十分显著。从水力学和运用条件分析,建在溢洪道或溢流堰上的橡胶坝,坝后紧接陡坡段,无下游回流顶托现象,袋体不易产生颤动。在洪水季节,大量推移质已在水库沉积,过流时不致磨损坝袋,即使有漂浮物流过坝体,因为有过坝水层保护堰顶,也不易发生磨损。

(2)用于河道上的低水头溢流坝或活动溢流堰,特别是平原河道水流比较平稳,河道断面较宽,宜建橡胶坝,它能充分发挥橡胶坝跨度大的优点。

(3)可代替闸门用于渠系进水闸、分水闸、节制闸等工程上,建在渠系的橡胶坝,由于水流比较平稳,袋体柔性、止水性能好,能控制坝高和保持水位,用来调节水位和流量。

(4)用于施工围堰或活动围堰。橡胶活动围堰有其特殊优越之处,如高度可升可降,并且可从堰顶溢流,解决在城市取土的困难,不需取土筑堰可保持河道清洁,节省劳力和缩短工期。

(5)可用于海边挡潮闸及城区园林工程。橡胶坝造型优美,线条流畅。尤其是彩色橡胶坝更为园林建设增添了一幅优美的风景。

橡胶坝充排水设施

坝袋的充排水方式有两种,即动力式、混合式。所谓动力式,即坝袋的上升、下降完全利用水泵进行;混合式即坝袋的上升、下降部分利用水泵来完成,部分利用现有工程条件自充或自排。

橡胶坝充排水系统由管道系统、水泵机组、水帽、闸阀和辅助设备等组成。

(1)管道系统。管道系统由进水管、出水管、充排水管和超压溢流管等组成。

(2)水泵机组。水泵机组主要包括动力设备、水泵及辅助设备,像真空泵、压力表、真空表及电气设备均属于辅助设备。

橡胶坝优点较多,用途广泛,但在具体实践中还有许多新的课题有待解决,如高度大于5m的橡胶坝的工程设计和制造问题,坝袋防振动问题,如何进一步提高坝袋强度(在坝袋胶布内加入钢丝网)问题,坝袋的耐老化和耐磨损问题,坝袋的修补和维护问题,活动式橡胶坝的开发应用问题,橡胶坝的自动控制问题等。

橡胶坝防渗排水设施

建在溢洪道上的橡胶坝,无需另设消能设施。建在河渠上的橡胶坝,基本采用底流式水跃消能。消能防冲设施包括上游铺盖、护坦、排水设施和海漫。消力池与底板之间采用陡坡段连接,坡度为1:3~1:4。如基坑开挖有困难时,坝下游护坦与底板高程齐平,护坦的设置范围应根据计算综合分析决定。

(1)铺盖。铺盖的作用一方面是增加防渗长度,减小底板扬压力,同时也可以防止上游河底冲刷。铺盖常采用混凝土或黏土结构,铺盖的长度应满足防渗长度要求,铺盖的厚度视不同材料而定,一般混凝土铺盖厚0.3m,黏土铺盖厚不小于0.5m。

(2)护坦一般采用混凝土结构,其厚度一般为0.3~0.5m。

(3)排水设施。减少底板扬压力的另一种措施是设置排水,由防渗设计综合考虑后确定排水的位置。排水的起始点便是防渗段的终点。排水设施一般用直径1~2cm的卵石、砾石、碎石等做成,平铺在地基上,厚度0.2~0.6m,其上铺设土工布1~2层。排水设施和地基土壤接触处容易发生破坏,应予注意。

(4)海漫一般采用浆砌石、干砌石或铅丝石笼,其厚度一般为0.3~0.5m。

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