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【橡膠壩設計】橡膠壩設計論文

發布時間:2020-09-26 00:09:50 影響了:

橡膠壩設計 第一章 緒論 橡膠壩是用高強合成纖維織物做受力骨架,內外涂敷合成橡膠作粘結保護層,加工成膠布,按要求的尺寸,錨固在基礎底板上,用水或氣的壓力充脹起來,形成擋水壩。不需要擋水時,泄空壩內的水或氣,恢復原有河渠的過流斷面。

橡膠壩主要適用于低水頭、大跨度的閘壩工程,如用于水庫溢洪道上作為閘門或活動溢流堰,以增加水庫庫容及發電水頭;
用于河道上作為低水頭、大跨度的滾水壩或溢流堰,可以不用常規閘的啟閉機、工作橋等;
用于渠系上作為進水閘、分水閘、節制閘,能夠方便地 蓄水和調節水位和流量;
用于沿海岸作防浪堤或擋潮閘,由于不受海水浸蝕和海生生物的影 響,比金屬閘門效果好;
用于跨度較大的孔口船閘的上、下游閘門;
用于施工圍堰或活動圍 堰,橡膠活動圍堰高度可升可降,并且可從堰頂溢流,不需取土筑堰可保持河道清潔,節省 勞力并縮短工期;
用于城區園林工程,采用彩色壩袋,造型優美,線條流暢,可為城市建設 增添一道優美的風景。

第二章 工程設計 2.1工程規劃 柴關橡膠壩工程是擬建于北沙河上的一處集農田灌溉、水產養殖于一體的綜合利用水利工程,工程建成以后,不僅能有利的促進當地農村經濟發展,而且對自然、生態、社會環境的改善產生了積極的影響。柴關橡膠壩工程建成后可使柴關灌區農田的灌溉保證率由60%提高到95%。

2.1.1基本資料 (1)流域概況 北沙河發源于山西省靈丘縣境內,從行唐縣入境,匯支流曲河、郜河后橫穿新樂縣全境,向東入保定市定州。是大清河南支主要來水支流之一。干流在曲陽縣建有大型水庫王快水庫,支流郜河、曲河分別建有大型水庫口頭水庫和中型水庫紅領巾水庫,隸屬于大清河水系。大清河水系位于海河流域中部,發源于西部太行山區,經獨流減河及海河干流入海,跨山西、河北、北京、天津4省市。河北省面積34683 km2,人口1607萬人,耕地143.4萬hm2。

(2)水文氣象 本區的地下水主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖裂隙水兩種,皆直接或間接補給自大氣降水。由于本區降水量多集中在6~7月,且蒸發量大于降水量。同時匯流面積較小,因此地下水含量不大。根據水化學特性分析,地下水屬于重碳酸鈣鎂型水,不含侵蝕性。PH植為7.3~9.0,具堿性,總硬度為8.4~7.8,屬軟水,判別河水對混凝土無侵蝕性。

根據當地水資源調查與水利區劃綜合報告,該區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候,四季分明:冬季受西伯利亞大陸性氣團控制,寒冷少雨雪;
春季北風盛行,較冷蒸發大;
夏季受海洋性氣團和太行山地形影響,降魚集中;
秋季一般秋高氣爽,降雨稀少。多年平均氣溫為平原13.2℃丘陵12.2℃、山區42.7℃、極端最低氣溫-21.4℃。無霜期為平原206天、丘陵197天、山區176天。平均降水量為:平原538.2mm、丘陵525.7mm、山區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,最大為4倍;
降水強度較大,一般情況下在西部山區一次暴雨量即超過300mm。年均蒸發量為水面1000mm,陸面350mm,最大風速為18m/s,最大凍土深度54cm。

(3)工程地質 本區主要是地層巖性為三疊系上統和侏羅系下統砂頁巖,上伏第四系地層。壩址車為堅硬粉質黏土,各項參數指標為:凝聚力=60.0?kpa;
內摩擦角=19;
天然孔隙比=0.69;
天然容重=20.3。河床4.0~6.0m以下均為基巖,基巖僅在局部地段出露。本區地層平緩,構造簡單,是華北陸臺上較穩定的部位,新構造運動差異性小,以大面積緩慢抬升為主,地震基本烈度為6度。

區內地層中粗砂巖產狀為:走向0~25 o。傾向W 或NW,傾角2~8o。斷裂構造不發育,僅有小規模的斷層分布,節理裂隙呈“棋盤格式”狀發育,走向NW64 o 及NE40 o,陡傾角。節理張開寬度大小不均,一般約為0.2~0.6cm,最大可達2~3m。

(4)地形地貌 柴關橡膠壩工程處于太行山東麓,河道左岸多為山體,右岸以河灘地為主,前期河道治理已在部分河段修建了堤防,主河槽為U型斷面,壩址處上下游經前期治理,河道斷面近似為梯形,底寬為92m,邊坡為1:2.5,兩岸堤防高程為80.3m。

(6)工程等級及設計標準 根據中華人民共和國行業標準SL252-2000《水利水電工程等別劃分及洪水標準》、SL265-2001《水閘設計規范》,本橡膠壩工程定為四等工程,橡膠壩、控制室分別為4級建筑物。

根據國家《防洪標準》(GB50201-94),本河段設計防洪標準為20年一遇,校核洪水標準為50年一遇。橡膠壩采用同標準,即設計標準為20年一遇洪水,校核標準為50年一遇,壩址處設計洪峰流量為QP=5%=442m3/s,校核洪峰流量為QP=2%=1190m3/s。

(6)施工條件 壩址緊鄰省道,對外交通方便 。工程所用的水泥、砂、石子等材料以當地材料供應為主,所用的塊石,可在附近的山谷中采集。兩岸的山體多為震旦系石英砂巖,致密堅硬,力學強度高,儲量豐富,完全可滿足本工程所需。施工用水用電可就近從柴槽或陽關接10KV高壓線至施工現場。

2.1.2壩址選擇 橡膠壩壩址的選擇應根據橡膠壩的特點及運用方式要求綜合考慮地形.地質.水文.氣象.泥沙.管理和其它因素,經過技術經濟比較后確定。

(1) 壩址應選擇在堅硬緊密的天然土基上,雖然橡膠壩重量比其它閘壩輕,且地基受力均勻,但壩址仍然盡量選在堅硬緊密的天然土基上。如果必須做人工處理地基時,其堅硬密實程度也應達到設計要求,否則將影響壩體安全。

(2)壩址應選擇在水流平順及河岸岸坡穩定的河段,不應選在河流水流條件發生突然變化的河段。這不僅避免發生波狀水躍和折沖水流,防止有害的沖刷和淤積,而且使過壩水流平穩,減輕壩袋振動及磨損延長壩袋使用壽命。據調查和實際工程觀測在河道彎道附近的橡膠壩,過壩水流很不平穩,壩袋易發生振動,加劇壩袋磨損,影響壩袋使用壽命。

如果在河床岸坡不穩定的河段建壩,將增加維護費用。由于壩址選點不當而被拆除的壩袋已有不少。運用實踐表明,水流條件是影響壩袋振動的主要誘因,振動又是使壩袋磨損破壞的主要原因。因此,橡膠壩應建于平直河段處,即在壩址選擇時,必須在壩址上下游均有一定長度的平直段,以保證過壩水流平穩,防止壩袋產生強烈振動。同時,要充分考慮到河床或河岸的變化特點,要估計建壩后對于原有河道可能產生的影響。

(3)對于多泥沙河流,壩址不應選在縱坡突然變緩的河段,以減少淤積。如一定要在這樣的河道上建壩時,應將基礎地板適當抬高,并在底板高程以下修排沙泄流閘孔。

(4)壩址選擇還應考慮施工導流.交通運輸.基坑排水.施工供水及電源條件.。

(5)壩址選擇應考慮便于壩袋檢修維護及工程管理運用。壩址選擇時要考慮建壩后是否具備檢修條件,因橡膠壩的特點之一是跨度大,一般不設檢修閘門,應盡量選在不筑堰的情況下,能夠進行維修的地點。

基礎底板不宜低于河床,防止在坍壩泄洪時,壩袋被泥沙覆蓋,造成管理維修困難。在滿足泄洪斷面的情況下,將基礎底板適當抬高,使橡膠壩高于枯水季節下游河流水位,便于檢測和維修。同時,底板抬高后水流過壩后有一陡坡段,還有利于上游和下游水流的銜接,易于泥沙排泄,減輕壩袋溢流振動,避免回流和漩渦將卵石和泥沙等雜物帶到下游側錨固線外的底板上,引起壩袋磨損。

(6)壩址選擇應考慮樞紐建筑物的合理布置。重要工程應有水工模型實驗論證。

由設計資料可知本區在主要地層巖性為三疊系上統和侏羅系下統砂頁巖,第四地層。壩址處為堅硬粉質粘土,符合建壩基礎條件。

前期提出兩處建壩地址,一處在上游柴槽處,一處在下游陽關處。由壩址選擇示意圖可知柴槽處在河流轉彎段,水流不平穩,對河床沖刷作用明顯,不宜修建橡膠壩。所以橡膠壩選在陽關附近的河道上,此處水流平順,壩址上下游均有一定長度的平直,河床4—6米以下均為基巖。河道左岸多為山體,右岸以河灘為主,部分河段修建了堤防,河床及岸坡穩定。陽關緊鄰省道,對外交通方便。工程所用水泥、沙、石子等材料以當地材料供應為主。所用塊石可在附近山谷中采集。兩岸山體多為震旦系石英砂巖致密堅硬,力學強度高,可滿足本工程所需。施工用水用電可就近從附近陽關接10KV高壓線到施工現場.。

2.1.3 壩型選擇 橡膠壩與常規水閘比較,橡膠壩的優點是:①壩袋制造工廠化、安裝簡單、工期短;
②造價低廉、節省鋼材、木材、水泥;
③不阻水、能保持河道泄流斷面;
④操作靈活、管理方便;
⑤有較好的抗沖擊性能。缺點是:壩袋易老化、耐久性較差。

橡膠壩主要適用于低水頭大跨度的閘壩工程。壩高一般不超過5米。由設計資料知河流的設計水深為2.9米,河道底寬為92米,屬于大跨度低水頭大壩工程,所以適宜采用橡膠壩。

橡膠壩在實際運用中基本上以充水式和充氣式為主,采用水氣混合的很少。世界上橡膠把發展和建設主要以日本和我國為代表。我國和日本幾乎同時研究和建設橡膠壩,但日后兩國采用的橡膠壩型式卻不同。日本的橡膠把多為充氣式,至目前已建3000余座;
而我國的橡膠壩多為沖水式,至今已建成約千余座。

充氣式橡膠壩對于壩袋強度制造工藝要求高,安裝要求比充水式高,運行管理水平要求高。充水式橡膠壩對于壩袋制造、安裝、強度及運行管理要求較低,為節省鋼材,我國還發明了混凝土楔塊錨固法。在充水橡膠壩方面,我國已形成了具有自己特色的橡膠壩設計制造運行管理技術,滿足我國發展橡膠壩的需求。

但相比之沖水式橡膠壩,充氣式橡膠壩的主要優點有:
一.運行管理相對方便,不受季節變化的影響。這一點主要體現在冬季,由于氣體不存在結冰問題,運行管理模式四季相當,沒有明顯的季節變化。而水在零度就會結冰,要使充水橡膠壩在冰寒期仍然有效運行,解決好冰凍問題是不可回避的。

二.充氣式壩袋塌壩相對充分,不會造成阻水。而充水橡膠壩塌壩后不僅需要占壓一定面積的土地,且在塌壩后還會造成一定的阻水問題,大約阻水50厘米之多。當然,這主要是由于充水橡膠壩的現行結構所致,如想克服此問題也許只能是通過修改現行的有關標準。

三.充脹介質易于提取,充脹簡便。充氣式橡膠壩的充脹介質為氣體,可以說是無時不有、無處不在,來源十分充沛,且可滿足于隨時足量取用,沒有時間、地點的制約。而充水橡膠壩則要考慮充水介質的取水水源問題。以一座高5米的橡膠壩為例,每延米橡膠壩就需要46立方米的水量來予以填充,跨度為100米寬的橡膠壩就需要4600立方米的水量。現在橡膠壩的寬度動輒數百米、上千米,作為充脹介質的水源問題已成為必須考慮的問題之一。

四.充氣式壩袋塌壩迅速及時,可滿足汛期防汛搶險的快速反應。

五.充水式橡膠壩只宜布置在水平底板上,以便坍壩時能排空壩袋內的水。充氣式壩袋既可布置在水平底板上,也可在曲線形實用堰頂上,應用范圍較廣。

六.滿足充氣橡膠壩運行要求的占地面積比充水橡膠壩占地面積節約15%到35%;
從而大量的節約工程資金;
比如壩高為2米的充水橡膠壩,按標準要求,壩基礎順水流寬度為6.3米,而同等規格的充氣橡膠壩壩基礎順水流寬度為4.2米,節約基礎投資為33%;
壩高為1.5米的充水橡膠壩,按標準要求基礎地板順水流寬度為4.6米,而充氣橡膠壩僅要求為3.7米,節約基礎投資20%;
壩高為1米的充水橡膠壩,按標準要求基礎地板順水流寬度為3.3米,而充氣橡膠壩僅要求為2.8米,節約基礎投資15%;

七.充氣橡膠壩的運輸、安裝較為便利,這為山區小水電橡膠壩建設提供極大的便利。

充氣橡膠壩的種種優點,導致充氣式橡膠壩在當今國際市場上所占的市場份額呈攀升之勢。,特別是考慮到橡膠壩的運行管理和維修等條件,在柴關橡膠壩采用充氣式橡膠壩。

2.1.4 工程等級及樞紐布置 (1)工程規模。

工程規模應根據水文水利計算研究確定,具體可參照SL278-2002,《水利水電工程水文計算規范》和SL104-95《水利工程水利計算規范》的規定進行。

橡膠壩工程的規模主要是指壩的高度和長度。

a.設計壩高. 設計壩高是指壩袋內壓為設計內壓,壩上游水位計算水位,壩下游水位為零時的壩袋擋水高度。確定壩高時應考慮壩袋坍肩和褶皺處溢流的影響。

河床高程為75.6米,底板高程比河床高0.2~0.4m,取75.8m; 設計水位為78.5米,壩頂應比正常水位高0.1~0.2m,取78.7m; 壩高 H=75.8-78.7=2.9米 根據建壩用途,運行中壩高可以隨時調節,以滿足需要。因壩袋袋體為薄壁柔性結構,由于橡膠壩內壓變化和壩上下游水位變化等原因,易引起壩袋變形,壩高將下降,要掌握溢流量就要了解與各個時刻上下游水位相應的壩高變化值。

我國水利行業標準SL287-98,《橡膠壩技術規范》規定橡膠壩的適用范圍是壩高5m及其以下的袋式橡膠壩工程,壩高超過5m或特殊用途時應進行專門的技術論證和實驗研究。

b.壩長設計。

壩長是指兩岸端墻之間的壩袋的距離。如為直墻連接則是直墻之間的距離;
兩岸為斜坡連接,則壩袋到達設計壩高時沿壩頂軸線上口的長度。單跨橡膠壩的邊墻若為直墻,則跨長為邊墩內側之間的凈距。

本橡膠壩設計為單跨充氣式,邊墩為直墻式。

則壩長米 橡膠壩經常在寬河流上使用,除經濟效益明顯,管理方便外,景觀優美,壯觀雄偉,也是一大優點。但單個壩袋過長會帶來一系列問題,如加工不便,運輸安裝困難,充壩時間長,不利于檢修,運行管理難度大等。為此,規范SL227-98 中2.3.3條規定,“壩長應與河(渠)寬度相適應,坍壩時應能滿足河道設計行洪要求,單跨壩長度應滿足壩袋制造運輸、安裝、檢修以及管理要求” 。規范對此條文的解釋是:“壩長的確定,應滿足校核流量時上游水位不超過防洪限制水位,下游單寬泄流量不超過允許單寬泄流量”。考慮壩袋運輸、安裝、檢修方便以及運行管理要求,單跨最大壩長在100m以內為宜。對于冰凌等漂浮物較多的河段,單跨在20-30m為宜。本工程所處地區四級分明,冬季寒冷少雪,取壩長92m符合要求。

(2)等級標準 水利水電工程等級劃分,即關系到工程自身的安全,由關系到其下游人民生命財產、工況企業和設施的安全,還對工程效益的正常發揮,工程造價和建設速度有直接的影響。因此,應根據自然規律和經濟規律,體現國家經濟政策和技術政策,根據我國社會經濟發展水平來確定工程等級。

水利水電工程是根據其規模效益及在國民經濟中的重要性劃分等。水利水電工程中的永久建筑物一般根據工程等別及其在工程中的重要性分級;
臨時建筑物根據被保護建筑物的級別本身的規模使用年限及重要性分級。工程等級劃分除執行國家統一標準外,允許根據不同地區不同情況制定相應的地方標準。

 據中華人民共和國行業標準《水利水電工程等別劃分及洪水標準》《水閘設計規范》。本橡膠壩定為四等工程,橡膠壩控制室為4級建筑物。

(3)工程結構 橡膠壩整個工程結構主要由三部分組成:
a.基礎土建部分 包括基礎底板、邊墩、上下游翼墻、上下游護坡、上游防滲鋪蓋、下游護坦、海漫、防沖槽等。這部分的作用是將上游水流平順而均勻的引入并通過橡膠壩,并保證水流過壩后不產生淘刷。固定橡膠壩的基礎地板要能抵抗通過錨固系統傳遞到底板的壓力,使壩體得到穩定。

b.擋水壩體。

即橡膠壩袋和錨固結構,用水將壩袋充脹后即可調節水位和控制流量。

c.控制及觀測系統。

包括充脹壩體的充排設備、安全及觀測裝置等。如空壓機、壓力表、水封管、水位計等。

(4)工程總體布置特點 柴關橡膠壩是建于平原河道上的橡膠壩。水流較平穩,河流斷面較寬,能充分發揮橡膠壩的跨度大過水阻力小的特點。由于河床屬于軟土地基,巖層埋藏較深,所以設計時應控制滲流和沖刷,保證壩基穩定。

第三章 單跨充氣式橡膠壩的壩袋設計 3.1壩袋結構型式設計 3.1.1壩袋結構型式的選擇: 壩袋的結構,從外形上可分為袋式,帆式和混合式。袋式分為單袋式和多袋式。單袋式是按照設計壩高安裝一個袋囊,達到擋水高度,多用于壩高較低的工程,是目前國內外通常采用的壩型。

柴關橡膠壩的設計壩高為2.9米屬于壩高較低的工程,單跨充氣式壩型,采用單壩袋。

3.1.2壩袋的內外壓比 壩袋的設計內外壓比是指壩袋的內壓高度與壩袋設計高度的比。當壩高一定時,壩袋的外形尺寸主要受壩袋內壓水頭的影響。內壓水頭與壩袋的有效周長成反比,與壩袋的拉力成正比。

根據調查充氣式橡膠壩采用的設計內外壓比范圍是0.75~1.10之間。從運用角度出發,沒有特別要求時,內壓比無需選擇太大。從強度角度講,壩高較小時,強度的選擇基本不受材料限制,內壓比選擇幅度很大,為節省壩袋材料,可選取較大值。而高壩的強度選擇受材料限制很大,宜選取較小值。在內壓比選擇幅度較大時,內外壓比的選擇應經技術經濟比較后確定。

橡膠壩的壩袋的設計內外壓比取為1.0。

3.1.3壩袋強度設計的安全系數 壩袋強度設計安全系數定義為壩袋抗拉強度與壩袋設計計算強度之比,這是一種不論建筑物等級而采用的單一安全系數法。在制定<<橡膠壩技術規范>>時規定 “壩袋強度設計安全系數充水壩應不小于6.0,充氣壩應不小于8.0”。充氣壩強度設計安全系數下限定為8.0,這是調查國內已建的橡膠壩壩袋強度設計安全系數的選取情況。

在具體計算壩袋強度安全系數時,直接采用壩袋膠布名義強度值計算時,應扣除15%-25%的膠布強度損失。

3.2.壩袋設計計算 橡膠壩的設計壩高H=2.9m 壩袋的設計內外壓比 查橡膠壩技術規范表2.2-1充水式橡膠壩壩袋設計參數表可得: 由計算可得: 壩袋徑向計算強度 上游壩面曲線段長度 下游壩面曲線段長度 壩袋貼地段長度 壩袋有效周長 、 壩袋單寬容積 壩袋橫斷面曲線坐標,坐標選取如圖. 上游壩面曲線坐標: 查<橡膠壩工程技術指南>附表1-2,充水式橡膠壩橢圓曲線坐標表由可列下表 一 0.000 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.00 0.2189 0.3030 0.3628 0.4095 0.4471 0.4781 0.5037 0.5249 二 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.5425 0.5568 0.5684 0.5776 0.5847 0.5901 0.5939 0.5946 0.5979 三 0.90 0.95 1.00 0.5987 0.5990 0.5991 把代入表格可得下游壩面曲線點坐標 一 y 0.000 0.145 0.29 0.435 0.580 0.725 0.870 1.015 1.160 x 0.000 0.6348 0.8787 1.0521 1.1875 1.2966 1.3865 1.4607 1.5222 二 y 1.305 1.450 1.595 1.740 1.885 2.030 2.175 2.320 2.465 x 1.5732 1.6147 1.6484 1.6750 1.6956 1.7113 1.7223 1.7296 1.7339 三 y 2.610 2.755 2.900 x 1.7362 1.7371 1.7374 下游壩面曲線坐標: 3.3.壩袋膠布結構設計 3.3.1壩袋膠布結構 壩袋膠布的主要材料是橡膠和帆布.橡膠在壩袋中起膠合密封和保護受力的作用。對橡膠材料的基本要求是:耐大氣老化,耐水性,耐侵蝕,耐磨損,和有足夠的抗拉強度.抗撕裂性能.柔性好.耐撓曲.耐久性能好,以及適宜橡膠加工工藝。

由壩袋拉力和壩高H=2.9m,選用壩袋型號JBD3.0-220-2,壩袋膠布型號為J220110-2。

壩袋為一布兩膠,膠布層數為兩層,外層膠厚為4.50mm內層膠厚為4.00mm。壩袋膠布的徑向強度為360KN/m,考慮25%膠布強度損失后膠布強度為330KN/m。

壩袋強度安全系數>8.0故滿足設計要求。

3.3.2壩袋展開圖 根據橡膠壩的多跨布置,在岸邊采用直墻邊墩,在中墩處采用直墻式連接。

圖中a為錨固長度,本設計定a=0.2m , 則壩袋長度: ;

經查表已計算出: 壩袋寬度的計算: 根據《橡膠壩設計指南》充氣壩采用穿孔式鋼壓板錨固,錨固長度為35cm,即=0.35m 第四章 單跨充水式橡膠壩錨固系統結構設計 橡膠壩是將壩袋錨固在基礎底板和邊墩上,充氣將壩袋充脹,構成可升高擋水和降低泄流的工程。錨固是橡膠壩工程的關鍵組成部分,錨固系統結構設計包括錨固線的布置、錨固結構形式的選擇、錨固構件設計制造和錨固結構強度實驗研究。

4.1錨固線的布置 錨固線的布置可分為單錨固線和雙錨固線兩種。單錨固線是將壩袋膠布安裝錨固在基礎底板上,只有底板上游一條錨固線,其錨固線短,錨固件少,安裝簡便,密封和防漏性能好。但壩袋周長較長(包括壩袋底部的貼地長度),多費壩袋膠布。由于單錨固線僅在上游錨固,壩袋可動范圍大,對壩袋防震防磨不利,尤其是當壩頂溢流時,在下游壩腳處產生負壓,將泥沙吸進壩袋底部,造成壩袋磨損。雙錨固線是兩條錨固線將壩袋膠布分別錨固于四周,錨固線長,錨固件多,安裝工作量大,相應處理密封的工作量也大,但壩袋四周被錨固,壩袋可動范圍小,對壩袋防振防磨有利,由于在上下游錨固線件的貼地段可用純膠片代替壩袋膠布防滲,從而節省壩袋膠布約三分之一,可降低壩袋的造價,在實際工程中普遍采用。

規范中說明充氣壩宜優先采用單錨固線錨固。所以本工程橡膠壩采用單錨固線進行壩袋錨固。

4.1.1基礎底板錨固線布置 單錨固線布置時,錨固線的位置是在離上游底板(順水流方向)的長度為0.5-1.0m處,是為了安裝壩袋檢查維修所需設的交通道的寬度。

4.1.2邊墩錨固線布置 邊墩錨固線布置,應滿足坍壩時壩袋平整不阻水,充壩時壩袋褶皺較少,不會因壩袋褶皺產生水頭損失,壩體挺拔美觀。

邊墩為直墻形式采用矩形孔口的錨線型式。若錨線直接往上爬坡,壩袋產生褶皺較多,則上游錨固線往下游向上傾斜布置,褶皺可以減少 4.2.錨固構件計算 橡膠壩的錨固結構型式多種多樣,按錨固壩袋的方式可分為穿孔錨固和不穿孔錨固兩種。按錨固構件材料,分為螺栓壓板式錨固和膠囊充水式錨固。在已建的橡膠壩工程中,常用的錨固結構型式是螺栓壓板式錨固。本橡膠壩采用穿孔錨固的方法和螺栓壓板式錨固。

螺栓壓板式錨固的構件由螺栓壓板及墊板組成。橡膠壩設計壩高為2.9m,為了增強壓板單位面積的壓強,在壓板底面邊緣焊兩條直徑為15mm的鋼筋,以增加壓板與膠布的摩擦力,壓板截面型式采用曲線性。錨栓和剛壓板材質可采用Q235剛制成,錨栓為粗制,螺紋為粗牙. 4.2.1錨固螺栓壓板式錨固設計主要是通過計算確定螺栓直徑、間距、長度及壓板的斷面尺寸。螺栓間距用壓板剛度和螺栓直徑進行計算確定,螺栓間距宜采取為餓0.2-0.3m。。

4.2.2 錨固構件螺栓的設計 錨固力的計算:  ---安全系數,一般取為3-4,本設計取4 —壩袋環向拉力,按設計時徑向拉力計算 設1米廠錨固線上布置4個螺栓,則螺栓間距為25cm 每根螺栓承受的荷載計算如下: K---擰緊力和轉力影響系數,取為1.75 n ---1米長內螺栓根數 螺栓直徑的計算; 螺栓材質選用Q235鋼,則其值 選用直徑的鋼栓,其規格型號為,適用于壩高2.5-3.0m的壩。

螺栓長度計算: 按經驗螺栓長度可取為20d--25d,本設計取 末端彎鉤長度,取為100 mm。

4.2.3壓板設計 壓板采用規格M300,長度為996mm,寬度為130mm,厚度為48mm 由T產生的彎矩: L ---力臂,螺栓中心至壓板邊緣的距離 ---安全系數,一般取為3.0 壓板強度: 4.2.4墊板的設計 墊板采用與之相應的規格M300。

具體尺寸:長度為999mm,寬度為150mm,厚度為8mm 第五章 單跨充氣式橡膠壩的控制系統設計 控制系統起調節橡膠壩高度的作用,它包括壩袋的充脹、排空,充氣式壩袋的超壓排氣以及壩袋內壓和上、下游水位觀測等,它們是橡膠壩工程中不可缺少的重要組成部分。

5.1充排方式 橡膠壩袋的充排方式,有動力式和混合式兩種。

本橡膠壩采用動力式,用空壓機將壓縮空氣充進儲氣罐,然后打開進氣閥,空氣經管道充進壩袋,帶充氣至設計壩高時關閉進氣閥。打開排氣閥排氣即可調節壩高。

5.1.1動力設備設計 動力設備設計要考慮工程規模、運行管理的可靠性、操作方便等因素,合理地選用空壓機的容量及臺數。對于重要的橡膠壩工程,還應配置備用動力設備。空壓機的選型應根據壩袋的容積、設計內外壓比及充壩時間計算確定空壓機的額定生產率。空壓機的工作壓力根據橡膠壩的額定充氣壓力確定,工作壓力應大于額定充氣壓力。

壩袋內壓 壩袋內壓數值上等于壩高水頭產生的靜水壓力。

水平 垂直 換算成壓強為37.4Kp 本工程充氣時間無特殊要求故按照經驗取排氣時間為2小時,則排氣量為:
選擇鼓風機型號為:
L型系列羅茨鼓風機L23LD n=2900r/min 軸功率6.46kW 5.1.5 管路設計計算 管道直徑:: Q---管段內的最大計算流量, V---管道采用的計算流速在10-20 m/s之間,取為15m/s 管道直徑選擇D=100mm 5.1.6管路布置 沖脹和排空管路采用合并布置形式,充氣管路從起源開始,經邊墩穿過地板進入壩內,合并布置是沖排氣管路應各自設閘閥控制,且排氣關口要布置在壩袋最高處,以利排氣。

管路布置按充氣橡膠壩一般原則設計,并根據以上計算和橡膠壩工程的運行要求,結合地形情況進行管路布置。充氣式橡膠壩的管道均采用無縫鋼管,為節省管道,進氣和排氣管路可采用一條主供、排氣管。管與管之間盡可能用法蘭連接,壩袋內支管與壩袋內總管連接采用三通或彎頭。排氣管道上設置安全閥,當主供氣管內壓力超過設計壓力時開始動作,以防壩袋超壓破壞。另外要在管道上設置壓力表,以監測壩袋內壓力,總管與支管均設閥門控制,且管口設在壩袋最高處。

5.2 控制室的設計 5.2.1安全設備 安全裝置施工與安裝必須符合設計(精度)要求,確保施工安裝質量,運用靈活可靠。

  (1)安全系統由超壓溢流孔、安全閥、壓力表、排氣孔等組成,該系統的施工要求嚴密,不得有漏氣現象。

  (2)密封性高的設備都要在安裝前進行調試,符合設計要求方能安裝使用。

  (3)安全裝置應設置在控制室內或控制室旁,以利隨時控制。

  (4)超壓管的設置,其超壓排氣能力應大于或等于進壩的供氣量。

5.2.2觀測設備 觀測系統由壓力表、內壓檢測、上下游水位觀測裝置等組成,其設計和施工應注意以下幾點:
(1)施工安裝時一定要掌握儀器精度,要保證其靈活性、可靠性和安全性。

   (2)壩袋內壓的觀測要求獨立管理,直接從壩內引管觀測,上、下游水位觀測要求獨立埋管引水,取水點盡量離上下游遠點。

   (3)壩袋的經緯向拉力觀測,要求廠家提供壩袋膠布的伸長率曲線。

第六章 壩基土建工程設計 橡膠壩的土建工程包括基礎底板、邊墩(岸墻)、中墩、上下游翼墻、上下游護坡、上游防滲鋪蓋或截滲墻、下游消力池或護坦、海漫、防沖槽等。本設計為單跨橡膠壩,除不設中墩外,其它設施均與橡膠壩土建工程要求相同。

6.1底板的設計 橡膠壩的基礎底板是承受其上部自重、水重及荷載,并向地基傳遞的結構, 同時它又是地下輪廓線的主要組成部分,限制通過地基的滲透水流,減小地基滲透變形的可能性,并保護地基免受泄水水流的沖刷。因此,壩底板必須具有足夠的堅固性、整體性、抗滲性和耐久性。壩底板常采用鋼筋混凝土結構。

6.1.1底板順水流方向的長度 底板順水流方向的長度即底板寬度應滿足壩袋坍落線的寬度要求,并在上下游應留有足夠的安裝檢修的交通道。底板寬度等于壩袋坍落寬度與上下有壩袋的安裝檢查維修所需要的交通要道之和,一般交通要道上游與下游各取0.5-1.0m(包括壩袋殘余變形值所需貼地長度在內),本工程上游取0.5m,下游取1.0m。基礎底板長度的計算公式如下。

對于單錨固的橡膠壩 式中 L0----壩袋的有效周長 L1---上游交通道長度,取為0.5m L2---下游交通道長度,取為1.0m 取 L=10.0m 6.1.2底板厚度的確定 底板厚度應根據地基土質作用荷載等因素確定,在滿足基礎抗滑穩定底板強度和剛度的條件下來確定。SL227-98《橡膠壩技術規范》建議,壩底厚度常采0.5-0.8m,應滿足管路布置和結構需要,對有防凍和特殊要求的工程可適當加厚。

本設計底板厚度取為0.6m。

6.1.3底板高程 橡膠壩基礎底板高程的選定不僅與壩高壩袋周長及工程造價有直接關系,還與運用要求及壩袋檢修關系密切。壩底板高程定的低一些,可以加大下泄流量,但壩袋高度增加,壩袋周長加長,壩袋檢修條件差。因此,在不影響泄流的情況下,壩底板高程比上游河床地形平均高程適當抬高0.2-0.4m,這不但可使整個高程造價降低,檢修條件改善和便于觀測,而且可防止過壩推移質泥沙隨水流卷入壩袋底部,從而減輕壩袋的磨損。

壩底板高程比上游河床地形平均高程適當抬高0.2-0.4m,取為0.2m 6.1.4底板型式 基礎底板形式有平底板、低堰底板、折線底板和反拱底板等。充氣壩不受底板形狀影響,它可適應曲面形狀底板,由于橡膠壩多采用平底板,且平底板施工方便,本設計采用平底板。

采用堵頭形式的橡膠壩,充壩時和邊墩的結合部位出現坍肩現象,引起局部溢流,影響橡膠壩的正常運行。在工程上采取將邊墩與壩袋接觸部位的混凝土表面做得盡量光滑、部底板局部抬高等方法來消除影響。

6.1.5底板分縫 為了防止和減少由于地基不均勻沉降溫度變化和混凝土干縮引起的裂縫,必須沿垂直于水流向對底板進行分段,即設置若干道順水流向的永久縫,分段長度不宜過大,亦不宜過小。由于基礎地基為土基,鋼筋混凝土底板順水流向的永久縫的縫距不宜大于35m。

本工程底板上永久縫的構造形式采用鉛直貫通縫,縫寬取3cm,縫距取30m。

6.1.6底板地下輪廓的形狀和尺寸 根據地基的地質條件、壩上下游的水頭差,并結合考慮壩袋錨固槽(深度和位置)的需要來選定壩底板地下輪廓的形狀和尺寸。

在壩底板的上、游端,通常設有0.5-1.5m的齒墻,既能增加滲徑長度,降低壩基底部滲透壓力,減小滲透水流的出逸坡降,又能增加壩基的抗滑穩定性。但齒墻深度不宜超過2.0m,否則施工 有困難。

采用鋼筋混凝土平底板,在上下游端設置深度為1.0m 的齒墻,齒墻上部寬度為0.6m,下部寬度為0.3m。

6.2底板應力和穩定計算 6.2.1荷載計算及組合 (1)壩袋及壩底板自重 按其幾何尺寸及材料重度計算確定。在橡膠壩結構使用的建筑材料,主要有混凝土和鋼筋混凝土。混凝土的重度可采用23.5-24.0,鋼筋混凝土的重度采用24.5-25.0,壩袋膠布的重度可采用12.0 壩袋重: 底板重: (2)壩內氣體壓力 壩袋內壓數值上等于壩高水頭產生的靜水壓力。

水平 垂直 (3)靜水壓力 。

應根據橡膠壩不同運用情況時最不利的上下游水位組合條件確定。

壩袋充滿水后擋水部分為曲面,靜水壓力可分為水平分力和垂直分力。

水平分力:
垂直分力:
式中hc壩袋上游水體形心點位置及水體體積由CAD圖形得出。

(4)風壓力 忽略不計 (5) 浪壓力的計算:
作用在橡膠壩上的浪壓力應根據壩前風向、風速、風區長度、風區內的平均水深以及壩前實際波態的判別等確定。浪壓力計算公式可按照GB50286-98<<堤防工程設計規范>>或SL265-2001推薦的公式。關于計算風速的取值,采用DL5077-1997的有關公式。

a.平均波高和平均波周期可按蒲田公式計算 式中:---- 平均波高 ---- 計算風速,參與荷載基本組合時用重現期為50年的年最大風速取為18m/s D ---- 風區長度取河道寬度的5倍,為532.5m ----風區內平均水深,為2.9m ----平均波周期 代入上式:
b.由建筑物的級別為四級,查《水閘設計規范》SL265—2001表E.0.1-1得波列累積頻率P=10%。

由 查表E.0.1-2 求得 c. 查表E.0.1-3得 d.臨界水深 因為 ,并且 浪壓力按如下公式計算:
式中:----閘墩底面處的剩余浪壓力強度 ----作用于壩面迎水面上的浪壓力 ----波浪中心線超出計算水位的高度 帶入計算:
(6)土壓力的計算 作用在橡膠壩上的土壓力應根據填土性質、擋土高度、填土地下水位、填土頂面坡腳及超荷載等計算確定。參照國家現行的DL5077-1997<<水工建筑物荷載設計規范>>確定土壓力的形式。土壓力的計算可參照SL265-2001<<水閘設計規范>>附錄D或DL5077-1997進行。

邊墩擋土部分為直立面,其后填土產生的土壓力為靜止土壓力。

靜止土壓力系數 作用在擋土結構上的靜止土壓力:
(7)揚壓力的計算 計算壩基礎地面揚壓力(即浮托力與滲透壓力之和)的水位計算條件,應和計算靜水壓力的水位組合條件相對應。

壩基內未設水泥帷幕灌漿和排水孔,最不利工況擋水時下游無水不設浮托力。

揚壓力為: 6.2.2壩基底應力的計算 橡膠壩在施工和運用期間,其工作條件是經常變化的,這時壩底板的作用力也隨之改變。因此,在進行壩底板穩定計算時,首先應分析在施工和運用過程中可能出現的工作狀態,并選出其中起控制作用的情況,作為穩定計算的條件。

本區地震烈度為6度,根據我國《水工建筑物抗震設計規范》SDJ10—78設計烈度在6度以下時除對重要工程采取抗震結構和工程措施外可不做抗震設計。故不考慮地震影響,按完建和正常運用兩種工況計算。

(1)完建期: 這時壩上下游無水,壩底邊無揚壓力,只有壩及底板自身的重量,壩底板對地基的壓力較大。取為1米作為計算單元 a荷載及彎矩的計算 荷載 壩袋重:
氣體壓力:
底板重:
彎矩 壩袋重量對底板形心產生的彎矩:
壩袋內氣體對底板形心產生的彎矩:
底板重對底板形心產生的彎矩為0 b壩基應力計算 基底面積 壩基底面對垂直水流向形心軸的截面矩 c地基反力的平均系數 滿足設計要求 (2)正常運用期 橡膠壩建成后,一般上游水位與壩頂齊平,下游無水。最不利條件是上下游水位差最大的情況。取1米長壩段作為計算單元 a荷載及彎矩的計算 荷載 壩袋及氣體重:
底板重:
靜水壓力:
土壓力:
揚壓力:
浪壓力:
作用在壩底板上的垂直力之和 彎矩 作用在底板上的力對垂直于水流方向底板中心軸產生的力矩:
產生的彎矩:
垂直水壓力產生的彎矩:
揚壓力產生的彎矩:
F產生的彎矩:
浪壓力產生的彎矩:
----計算水位 ,取2.9m 水平水壓力產生的彎矩:
則:地基上的作用力對基底中心產生的彎矩之和 b基底應力的計算 基底面積 壩基底面對于垂直水流向形心軸的截面矩 c地基反力的平均系數 6.2.3地基底板穩定計算 基礎底板的抗滑穩定計算 由于底板下設有齒墻,所以底板的滑動不是沿底板的下表面和地基土壤表面而是沿上下游齒墻最低點的連線的土體中滑動。

抗滑穩定安全系數計算采用:
式中:
----比例系數 查《橡膠壩工程技術指南》表4-7 —土壤摩擦角,,則 ----作用于底板上的垂直荷載 B----垂直水流方向上的計算寬度,取1.0 m L----兩齒墻之間的長度,近似可取底板寬為7.0m ----地基土的粘著力,查《橡膠壩工程技術指南》取,本設計取0.2C,則 ----所有水平作用力之和 ----本建筑為四級建筑物,查SL265—2001<<水閘設計規范>>,基本組合取1.20, (1)正常運用期抗滑穩定計算 垂直力之和:
水平力之和:
抗滑穩定安全系數:
(2)底板抗傾覆穩定安全計算 繞底板下游齒墻最低點的抗傾覆力矩:
繞底板下游齒墻最低點的傾覆力矩:
則:安全系數 滿足要求 6.3邊墩設計 邊墩是橡膠壩在左、右岸進行錨固和充脹壩袋成密封狀的重要部分。邊墩的設計高度應首先滿足壩袋錨固布置的需要,同時高于壩頂溢流時最大溢流水位。邊墩有斜坡式和直墻式,其計算與底板基本相同。各種情況下的平均基底壓力應不大于地基允許承載力:基底壓力的最大值與最小值之比以及抗滑安全系數都不應小于規定的允許值。

壩袋與兩岸連接布置,應使過壩水流平順。上、下游翼墻與邊墩兩端應平順連接,其順水流方向的長度應根據水流和地質條件確定。邊墩和翼墻是廣泛使用于水利工程中的水工擋土墻。

6.3.1邊墩的設計 在天然河道渠道中建橡膠壩,為適應上下有原有邊緣狀況,節省工程量,使水流順暢,基本上保持原有過水斷面,通常采用斜坡式的邊墩連接形式,迎水面坡度與兩岸坡度相同,這樣既可以消除橡膠壩錨固時出現的褶皺,又便于施工和安裝。但本工程設計為單跨,橡膠壩長度不應大于100m。壩址出主河槽為U型斷面,壩址處上下游經前期治理,河道斷面近似為梯形,底寬為92m,邊坡為1:2.5,可知水面寬106.5m,為適應工程需要邊墩采用直墻型式,采用重力式岸墻。頂部寬度取為0.5m,墻高為4m,底部寬度為4.5m,背水面坡度為1:0.8,邊墩長度和底板同長,取為7.0m。

(1)邊墩應力計算:(取B=1m作為計算單元) a.水壓力:
b.邊墩自重:
c.土體自重:
d.靜止土壓力 靜止土壓力系數 作用在擋土結構上的靜止土壓力:
作用在土基上的全部豎向荷載:
(2)對基地中心產生的彎矩:
水壓力產生的彎矩:
邊墩自重產生的彎矩:
土體自重產生的彎矩:
土壓力產生的彎矩:
地基上的力對地基中心產生的彎矩之和:
(3)地基上的應力 基地面積: 截面慣性矩: (4)地基反力不均勻系數 (5)抗滑穩定計算:
水平力之和: 6.3.3翼墻的設計 (1)上游翼墻 上游翼墻采用圓弧式反翼墻,圓弧半徑取2-5m,設計圓弧半徑為4m,高度略高于上游最高水位,取為4m。

(2)下游翼墻 下游翼墻采用八字形翼墻,擴散角取,延伸與消力池長度取齊,高度應高出最高洪水位。

6.3.4護坡 為了保護岸坡不受水流沖刷,在橡膠壩一定長度內,需要進行護坡。護坡采用漿砌石結構,適宜建在堅硬的粘性土基上。護坡的高度應在可能達到的高水位以上。上游護坡布置到鋪蓋末端,下游護坡長度應超過海漫2m,以抵抗水面波動。

6.4防滲排水設計 橡膠壩的壩基防滲排水應根據基礎地質條件和壩址上、下游水位差等因素,并結合消能和兩岸布置綜合考慮,以構成完整的防滲排水系統。壩基的防滲長度即鋪蓋或板樁等防滲設施及底板與地基接觸線的長度,是壩基滲流的第一條流線長度。要經濟、合理的設計地下輪廓以及與之相應的防滲排水設施。

橡膠壩底板下土基滲透計算方法主要有:滲徑系數法、流網法、改進阻力發和電模擬試驗法或數值計算方法。本橡膠壩采用SL256—2001《水閘設計規范》中規定的閘基防滲長度計算公式進行滲透計算。

6.4.1滲徑長度的計算: 式中:
----壩基滲徑長度m,即壩基輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和。

----上下游水位差,2.9m C ----允許滲徑系數值,2.0(在規范中查得有濾層的粘土地基允許滲徑系數為3~2,取2.0) 代入計算 地基防滲長度為7m > L = 5.8m,設計安全。

6.4.2滲透壓力的計算 因為是堅硬粘土地基不設水泥灌漿帷幕,底板上游端未設排水孔,按梯形分布計算。底板下面上游端的滲透壓力作用水頭為,下游端水頭為。

作用與壩基底面上的滲透壓力:
式中:
----壩底板面上的滲透壓力 H----上游擋水高度 L----壩底板面的水平長度,7米 ----下游無水為零 代入公式計算如下: 6.4.3抗滲穩定計算 簡化地下輪廓線。鋪蓋、底板用其平均厚度代替,其下齒墻用板樁代替并移至兩端,如圖。計算時先不算鋪蓋長度。

(1)透水層計算深度T ,則 、------地下輪廓線分別在水平及垂直面上的投影長度,m 比較與地基透水層的實際深度,取二者中的小者即為地基透水層計算深度T. 地基透水層實際深度根據資料為4~6m,T取6m,取T1=6m ,T2=5.5m,T3=6m (2)分區并計算各區阻力系數 對簡化后的地下輪廓線分區,分為7個區段,1區為進口段,2、5區為水平段,3、4、6區為垂直板樁段,7區為出口段。按其邊界條件的異同,有可分成三種典型流段:進出口段,內部水平段和內部垂直段。其阻力系數用相應公式求出。

進出口段:
= =0.543 進口段和出口段相同 內部垂直段:
=0.176 內部垂直段4區和六區相同 內部水平段:
2.38 水平滲透坡降 H----壩前水頭 T----地基透水層深度,根據資料深度為4~6m ----阻力系數, 計算得 出口段水頭損失的滲流坡降由下式計算:
J出 式中 ---修正后水頭損失 ---底板與板樁在粘性土內的埋深。取=1m。

出口段損失即為7區的水頭損失 式中 ----7區的阻力系數;

修正后出口水頭損失的減小量為:
式中 ----出口水頭損失,求得=0.23,==0.91m, ----阻力修正系數,當時,取 式中 ----底板與板樁在粘性土內的埋深即出口滲徑長度,=1m;

----板樁上游側地基透水層深度(自底板底部算起)=5.2m;

----板樁下游側地基透水深度(自反濾層底部算起)=6.0m。

帶入式(6-18)得, 代入得:
J出= [ J出] = 滿足安全要求,故可以不設鋪蓋。

6.4.6分縫及止水 為防止地基因溫度變化產生變形和產生不均勻沉降,對閘底板進行分縫,順水流方向設2條永久縫,縫距30m,縫寬2cm,采用橡膠止水帶止水。

6.4.7防滲排水設施 橡膠壩雖屬小型工程但也存在基礎防滲問題。底板的地下輪廓布置均應按照防滲與排水相結合的原則。在橡膠壩上游布置防滲設施,設置防滲鋪蓋,用來延長滲徑,減少底板滲透壓力,降低壩基平均滲透坡降。在下游設置排水設施,布置排水孔和反濾層,使滲透水流盡快的安全排走。

經計算滲透坡降滿足滲透穩定要求,不設鋪蓋。

排水設施:排水形式采用平鋪式排水,用直徑不同的卵石、礫石、碎石等平鋪在海縵首端上,厚度取為0.4m。排水設施和地基土壤接觸處易發生滲透破壞因設置反濾層。

6.4.4反濾層設計 按照規范,取反濾層每層厚度取為0.2-0.3米,有三層組成,粒徑沿滲流方向逐漸加大,細粒層厚度為20cm,中砂厚度為10cm,粗砂厚度為10cm。

6.5消能防沖設計 平原地區橡膠壩,由于水頭低且河床抗沖能力差,難以采用挑流消能,加上下游水位邊幅往往較大,也無法采用面流消能。據調查資料統計,我國已建大、中型水閘工程基本上均采用底流式水躍消能。橡膠壩水頭低而流量大,下游尾水深,下泄水流接近臨界水流,但不能產生完全水躍,而形成一系列急流在表面成為波狀水躍。在泄量相同條件下,橡膠壩單寬流量比常規水閘小,躍后水深也比常規水閘小,底流消能可適應較大范圍內的變動過壩流量和下游水位,同時在平面上也易擴散。故本橡膠壩底流式采用水躍式消能。

6.5.1泄洪能力的計算 橡膠壩的泄洪能力,可按堰流基本公式計算: 式中 Q----過壩流量, B---溢流斷面的平均寬度,m,取90m ----計入行進流速的堰頂水頭,m,取2.9m m ---流量系數,視為寬頂堰 ,取0.35 ----淹沒系數,寬頂堰淹沒條件 ,則,查《水力學 上》表8.2得=1.00 ----堰流側收縮系數,與邊界條件無關,取1 求得 6.5.2消能設計計算 橡膠壩泄流一般有以下三種流態:① 橡膠壩全部坍落,袋面行洪,水流比較平穩,流速與原河床流速相近。②橡膠壩全部充起,壩頂部類似實用堰。當壩頂開始溢流時,下游水深很淺甚至無水,水流連接條件不利,隨著溢流量的增加,下游水深逐漸提高,形成水躍。水躍有一定程度的淹沒,對消能有力;
但當壩下游護坦與底板高程齊平時 ,下游壩腳處易產生局部負壓區,使壩袋振動。③橡膠壩未充到設計高度,或在坍落過程中,壩型類似于寬頂堰,壩頂溢流時,水流具有兩個自由表面的跌差:一個在上游面的頂端,一個在下游面的頂尾。全部塌落與原河床水流條件近似,故只進行全部沖起和塌落過程的水利計算。

(1)橡膠壩的基本流態:
壩袋運用時外形的變化:橡膠壩壩袋在充脹的過程中內壓逐漸增大,壩頂寬度逐漸減小,此時壩袋外形接近實用堰;
坍壩過程中內壓逐漸減小,其壩頂寬度逐漸增大,此時壩袋外形逐漸接近寬頂堰;
當壩袋內壓比等于零時 ,壩袋完全泄空,袋囊平坍于河床上,恢復原有河床過水斷面。

溢流時水流銜接狀態:在泄洪時,橡膠壩是均勻緩慢的坍落。溢流開始時,水位差最大,隨著壩袋坍落,單寬流量逐漸增加,下游水深相應增加,水位差減小,當壩袋坍平后,水位差接近于零。

當壩高充至設計高度,壩頂溢流時,流速加大,沖刷力強。特別是過壩水流緊靠壩袋的下游錨固處,容易造成壩袋振動和將砂石等雜物卷進壩袋底部而磨損壩袋。因此,在下游應設護坦保護壩體。護坦的設置范圍,要考慮溢流水深、流量上下游水位差下游水深流速等因素。為此,首先要判斷水流的銜接流態,這可用下游水深與收縮斷面水深的共軛水深來進行比較判斷。

按照橡膠壩壩頂溢流高度為0.3米,來計算過壩流量。

m取實用堰情況,為0.40 = =26.2 橡膠壩基本流態的判定:
P=2.9m > 1.33=0.40,故不記行進流速。

單寬流量 查附圖1可得:
則躍后水深:
查橡膠壩關系曲線,查得下游水深<0.5 由可知,為遠驅式水躍。

(2)消力池的設計 據橡膠壩的特點采用底流式消能。底流式消能應根據橡膠壩的泄流條件進行水力計算,確定消力池的深度長度及底板厚度。

當橡膠壩溢流高度超過0.3m時,開始坍壩泄水。泄水時,上游按正常水深H=2.9m計算,每坍落0.3m進行一次水力計算。

過壩流量按如下公式計算:
式中:
B ---溢流斷面的平均寬度,90.0m ----堰頂全水頭,不計入行進流速 ----淹沒系數,自由出流淹沒系數為1.0 m---流量系數,對于堰頂進口為圓角的按如下公式計算; 當 時, 式中:
----堰頂水頭 ----運行時的壩高 當時,采用常數m=0.36 ----側向收縮系數,按如下公式計算 式中:
----考慮墩頭及堰頂入口的形狀系數,邊墩頭部為矩形,則 b----溢流斷面寬度為90m B----河流的平均斷面寬度為107m 求得= 壩袋坍落不同高度下泄流計算表 壩高(m) 堰頂水頭(m) 流量系數 側向收縮系數 流量Q () 單寬流量q() 下游水深 (m) 2.6 0.3 0.360 0.986 23.22 0.258 0.23 2.3 0.6 0.360 0.982 65.43 0.727 0.54 2.0 0.9 0.362 0.978 120.42 1.338 0.90 1.7 1.2 0.365 0.975 186.39 2.071 1.12 1.4 1.5 0.368 0.972 261.81 2.909 1.38 1.1 1.8 0.371 0.969 345.87 3.843 1.65 0.8 2.1 0.375 0.965 438.75 4.875 1.82 0.5 2.4 0.378 0.961 538.11 5.979 2.20 0.0 2.9 0.385 0.950 719.67 7.996 2.55 由消力池的系數, ,, .查水力學下冊附圖1可得 消力池計算表 q 0.258 0.189 15.34 0.205 3.00 0.038 0.567 0.529 0.337 0.727 0.377 7.69 0.290 2.40 0.109 0.905 0.796 0.365 1.338 0.567 5.11 0.362 2.12 0.205 1.202 0.997 0.302 2.071 0.759 3.82 0.42 1.90 0.319 1.4421 1.123 0.322 2.909 0.952 3.046 0.52 1.70 0.495 1.1684 1.123 0.238 3.843 1.146 2.53 0.602 1.50 0.690 1.719 1.029 0.069 4.875 1.344 2.16 0.63 1.43 0.847 1.922 1.075 0.102 5.979 1.539 1.88 0.71 1.30 1.093 2.000 0.907 -0.200 7.996 1.869 1.55 0.79 1.16 1.477 2.168 0.691 池深計算 由計算表中可見最大時的單寬流量,所以消力池深度的設計流量為. 估算池深: 設池深 . 則, 查水力學下冊附錄1可得,則可計算出 則 接近與,所以消力池深度定為0.4m。

池長的設計 由表中數據可知,池長設計流量時,水躍長度最長。

水躍長度:
池長:
----消力池斜坡段水平投影 ----水躍校正系數,根據規范取值0.7~0.8,本設計取0.8 消力池池長取為8.0m。

底板厚度的設計:
對于抗沖:
式中 ----泄水時的上下游水位差,m;

----消力池底板計算系數,可采用0.15~0.20,取=0.20;

求得 :
對于抗浮:
式中 ----消力池底板安全系數,可采用1.10~1.30,取=1.30;

----作用在消力池底板的揚壓力,kpa;

----排水孔中心線與底板底面上游端的水平距離;

----滲透壓力強度系數,采用0.25;

----消力池底板的水平長度。

----作用在消力池底板頂面的水重,KPa;

----作用在消力池底板上的脈動壓力,其值可以取躍前收縮斷面流速水頭值的5%;

----消力池底板的飽和容重,。

求得:
故消力池底板厚度計算為0.42m,取t = 0.45m。

6.5.3消力池的結構 (1)為了防止在水舌下形成局部真空產生負壓,使過壩砂石能順利排到下游,消力池與底板間常用斜坡連接,消力池進口斜坡段坡度不應陡于1:3,一般采用1:4或更大些,應根據水流流態確定。設計采用坡度為1:4。

(2)消力池與基礎底板,翼墻及海漫間均用縫相互分開,以適應伸縮及不均勻沉陷。

(3)消力池底板分縫:順水流方向的縱縫與基礎底板的縱縫錯開,一般不設垂直水流方向的橫縫。縫距以不大于20~30m為宜,縫寬填以瀝青油毛氈以及瀝青木板等。如消力池的縫兼有防滲作用,則縫內須設置橡膠止水片,塑料止水片或止水銅片等。本設計消力池縫寬2cm,縫距20cm,縫內填瀝青油毛氈。

(4)為減少消力池底板上的揚壓力,在池底板的后半部分設置排水孔,孔徑一般為5~8cm,間距為1.0~1.5m,呈梅花形排列,并在該部位的整個底板下面鋪設反濾層。本設計孔徑取5cm,間距1.0cm。

(5)消力池前后端底板應設齒墻,以增大底板的抗滑穩定性。齒墻的深度一般為0.8~1.5m,厚度為0.6~0.8m。如果消力池前后端的水位差較大,齒槽深度應適當加大。本設計持墻深1.0cm,厚度0.6cm。

6.5.5海漫設計 水流經過護坦(消力池)后,若流速尚能沖刷自然河床時,為了保護底板護坦及防止河床沖刷應設置海漫。海漫的作用是保護后面的河床免受高速水流的沖刷,消除消力池消能后所剩余的多余能量,進一步擴散水流和調整水流。出池后的水流,底部流速過大,脈動強度也較強烈,對下游無保護的河床仍具有較大的沖刷能力,所以消力池以下的河床除非是較好的基巖外,一般都要建造海漫作為護面。

海漫一般用拋石砌石鉛絲石籠或混凝土塊鋪筑。海漫厚度為0.4米。為了減小滲透壓力,漿砌石海漫內設排水孔,干砌石和鉛絲石籠下設反濾層。

(1)海漫的長度 對于一般土質的河床,影響海漫長度的主要因素是消力池尾部的單寬流量與上下游的水位差。初步估算海漫長度的公式可采用:
式中 ----海漫長度 ----消力池末端的單寬流量,擬經過消力池q不變,擬取2.909/s ----壩泄水時的上下游水位差,=2.9-0.495=2.405m ----海漫長度計算系數,查橡膠壩工程技術指南表4-3得,=8.0 代入計算:
海漫長度取為 (2)海漫的布置 a.在地形條件允許的情況下,海漫應順水流方向做成斜坡。其目的是使海漫末端增加水流深度,使水流在平面上擴散的同時也在鉛直方向擴散。根據經驗,適宜的傾斜坡度為1:6—1:10,設計采用坡度為1:10。

b.對海漫護面材料的要求。應具有一定的柔性、透水性和粗糙的表面,其構造和抗沖能力應與水流流速相適應。

c.海漫護面下面必須設置10-20cm的砂礫和碎石墊層各一層,以防止底流沖刷河床和滲流帶出土粒。本設計為15cm的砂礫和碎石墊層各一層。

d.海漫的護面型式。設計采用堆石海漫,表層一塊石的粒徑為30cm,當粒徑為30-40cm 時,容許流速約為2.5m/s左右。

6.5.6防沖槽 在海漫末端水流仍具有較小的沖刷能力,當下游河床沖深后,勢將危機及海漫的安全。如果要求河床完全消除沖刷,則海漫做得很長,既不經濟也無必要,解決的辦法是在海漫末端設置下游防沖槽,當下游河床形成最終沖刷狀態時,確保海漫不致破壞。

海漫末端常常降低,用堆石等柔性結構做成防沖槽,一方面水深增加了。可以減緩海漫末端的水流流速調整流速分布。另一方面防沖槽的堆石可以適應河床的變形,起保護河床防止沖刷坑向上游不斷擴大的作用。

防沖槽是在海漫末端開挖土槽中堆放石塊而成,槽頂與海漫末端齊平,槽底高程取決于堆石數量,并考慮施工開挖條件的限制,應盡可能集中堆放,堆放厚度一般不宜小于1.5-2.0m,堆石粒徑為30-50m。

海漫末端下游防沖槽的深度取決于海漫末段的的沖刷深度,而海漫末端的沖刷深度應根據河床土質海漫末端的單寬流量和下游水深的條件計算求得。海漫末端的河床沖刷深度可按照下式計算:
式中 ----海漫末端河床沖刷深度 ----海漫末端的單寬流量 ----河床土質允許不沖流速,0.85m/s,根據《水力學 上》表5.4-二 查得。

----海漫末端的河床水深 防沖槽深度取為 防沖槽頂部與海漫末端齊平,堆放厚度為2.0m,堆石粒徑30-50cm,底部寬度為5.0m。

附圖一 壩址下游河道水深與流量的關系曲線 附圖二:柴關橡膠壩壩址選擇示意圖

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