摘要：本文深入分析了橡胶坝设计过程中锚固系统、充排水系统、坝端布置，借助于对照分析技术，提出了一种新型的双锚筋的锚固方案。并提出了等压强与流量的充排水系统，以及斜锚式+直墙式的坝端布置解决方案，从而使得橡胶坝的充排水过程中摩擦降低，便于坝体的升降，也避免了直墙式的橡胶坝出现塌肩等危险情况。
关键字：橡胶坝设计；充排水系统；锚固措施；坝端布置；直墙式与斜锚式
0 引言
1966年，在北京右安门，第一座橡胶坝修建完成，到现在为止，橡胶坝技术也有将近半世纪，对发展我国工业、农业具有积极的促进作用。然而，长期以外，用于锚固橡胶坝的锚固的长度较长、直径粗大，同时单根锚筋的抗弯性能不足，从而引起巨大的工程材料浪费。在充排水系统中，充水流量以及压强不稳定，从而引起水位的动态不一致的变化，进而使橡胶坝的坝袋晃动，出现非常严重的摩擦损耗，使得坝袋的寿命大大缩减。对于直墙式的橡胶坝，主要用在坝高低于4.0m的情况，而斜锚式的橡胶坝的不足之处在于：阻水范围较广，外观较直锚式的橡胶坝差。针对橡胶坝设计过程中的诸多问题需深入探究。
1 锚固系统
对橡胶坝充水以后，而橡胶坝的坝袋的骨架材料则受到拉伸应力，借助于锚固螺栓，使得在橡胶坝上的水的重力作用在底板上，用于坝袋稳定。然而理论式的锚固方法并不能获得良好的工程可靠性，造价也较高，结构也不是十分合理。因而，锚固橡胶坝的坝袋在设计过程中十分关键。目前，橡胶坝的坝袋锚固方法有很多种，以锚固材料来进行区分可大致分为四种：a.螺栓压板的锚固方法；b.楔块挤压的锚固方法；c.胶囊充水的锚固方法；d.螺旋体伸缩的锚固方法。我国应用得最多的是前两种橡胶坝的坝袋锚固方法。
1.1 传统螺栓压板的锚固技术
根据《橡胶坝技术规范》,SL227-98，建议螺栓压板的橡胶坝锚固方法见图1。
图1：传统的螺栓压板锚固方法
如图1所示，垫板和压板之间借助于螺栓进行连接，利用螺母的预紧力，从而螺杆获得较大的预紧拉力，进而实现锚板、压板、坝袋的紧密衔接，并借助于锚板和橡胶坝的坝袋间的摩擦力来承担橡胶坝的坝袋径向拉力。而螺栓的尾部与橡胶坝底板的混凝土直接接触，借助于锚固螺栓与橡胶坝底板的混凝土之间的摩擦力来对螺栓实施反作用，值得注意的是，锚固螺栓的长度需要满足一定的约束条件。
1.2 改进的螺栓压板的锚固技术
改进的螺栓压板的锚固技术，将传统陈旧的锚固系统的力传递方式划分为两个阶段：a.橡胶坝的坝袋和锚板之间的衔接；b.钢筋混凝土底板和锚板之间的衔接，其详细的实现方式见图2。
图2：改进的螺栓压板的锚固方法
橡胶坝的坝袋和锚板之间的衔接一般是借助于两者之间的摩擦力来实现的，其实现方法为：拧紧螺母，从而施加较大且可控的预紧拉压力于螺杆，预紧拉压力借助于橡胶坝压板以及锚板来夹紧坝袋，并借助于锚板和坝袋之间的摩擦力来承担坝袋内力。而橡胶坝坝袋的内力较大，螺栓需受到很大的预紧拉伸力，如果使用普通的螺栓，其强度较低，要求螺栓具有较大的直径，成本较高，于是可使用强度高的螺栓。通过很多的工程应用以及实验分析表明，在负载往复均匀作用的情况下，高强度的螺栓的预紧力并不会降低，于是螺杆也不会因为过度疲劳而发生断裂现象。由于高强度螺栓的耐疲劳、可靠性高等优势，高强度螺栓在钢结构的连接过程中得到极其广泛的推广，特别是动载钢结构中。以坝袋锚固的受力情况为依据，橡胶坝的锚固螺栓宜使用强度较高的螺栓，其连接方法可以参考钢结构连接方法，见规范《GB50017-2003》。
2 改进的充水系统
橡胶坝坝袋的振动受多方因素影响，其中最为主要的因素是进水与出水回路中的水流量以及压强不均匀。在现代充排水系统的设计过程中，对于橡胶坝坝袋的起降过程的均匀性并未引起足够的重视，简单的认定水在橡胶坝坝袋里面会自动地进行平衡。实际情况中，在充水时，如果进水口的充水流速以及压强出现不平衡时，会使橡胶坝不均匀的起降，使得坝袋剧烈震动，磨损十分厉害。若振动现象长期出现，会使橡胶坝的坝袋剧烈磨损，逐渐出现脱层，情况严重时会出现坝袋撕裂现象，从而使橡胶坝坝体损坏。若进水回路的水流量以及水头均匀，对橡胶坝进行平稳地充水，坝袋内的水会平稳增加，基本不会出现坝袋振动现象。
为了实现橡胶坝坝袋的平稳充水，需要布置较多的进水口。一般情况下，进水口是2个，一个在坝袋的前端，另一个在坝袋的尾部。这样的结构在橡胶坝排水过程中，处于坝袋首尾两端的水会被首先排除，从而形成袋内负压，于是处于坝袋中间的水就会很难排出去，难以实现均匀充排水。虽然有导管水帽的存在，然而在实际工程应用过程中，其实现效果较差。如果在坝袋上布置更多的进水口，并保证进排水的流量基本相同，从而实现坝袋较为均匀地坝体坍缩，弥补了传统的坝袋首尾首先坍缩，中间排水不彻底的缺陷。同样的道理，在坝袋充水过程中，更多的进水口可以实现坝袋内的水位平稳、均匀地提升，进而实现了坝袋的稳定上升，防止坝袋里面进水、出口的不均匀，也解决了由于坝袋内部水流不稳定而引起的坝袋的剧烈振动的问题。
以流体力学的相关知识为依据，流体的水头损失和管路的直径、材料以及长度都息息相关，因而可利用调节管路的直径以及和充水泵之间的距离来调节充水流量以及压力水头。
3.改进的坝端布置形式
3.1 坝肩布置
橡胶坝坝袋的首尾两端的堵头位置发生坍塌以后，由于堵头坝袋的堆积，且质量巨大，升坝的难度较大，在坝体较高时更为明显。于是对于堵头形式的坝肩布置方法在坝体高度大于4m时不再实用。于是利用岸墙岸墙的布置方法，橡胶坝坝袋不出现褶皱的设计仅仅是一种理想状态的实现，在实际的工程应用过程中，存在较大的差距，在坡脚位置很容易出现褶皱，不但不美观，其橡胶坝的坝袋的寿命也会大幅缩减。
根据前面介绍的堵头与斜锚形式的橡胶坝坝肩布置方法的优缺点，本文提出了一种在坝体高度大于4m情况下的坝肩布置方法。以坝体高度为5m为例，枕式的橡胶坝只实用于坝体高度小于4m的情况，于是建议以枕式橡胶坝1:5.0~1：10.0将橡胶坝的底板首尾两侧提升1m，在斜坡位置则采用斜锚式的布置方法，缩减坝袋的容积，同时在底板提升以后，坝袋的两端内压提升，有助于坝体整体提升，又不会发生坍肩。经过江西省广昌县橡胶坝工程的实际应用，在橡胶坝的底板两侧以1:5.0的坡比提高底板高度0.5m,在斜坡位置采用斜锚方法，在上部直墙阶段则是枕式坝袋，经过长期运行，其稳定、可靠。
3.2 坝端锚固
因橡胶坝坝袋在首尾两侧的斜坡位置的内压比存在一定的差异，于是坝袋的长度不一致，同时在斜坡阶段橡胶坝的坝袋长呈线性形式布局。借助于双锚线的橡胶坝坝袋锚固方法，其周长和底垫片长度的有效值以规范《SL277-98》来计算。江西省广昌县橡胶坝工程的内压比取为1:1.4，内压水头3.5m, 底板抬高0.01m。各参数见表1所示：
表1：坝袋参数
a T S1 S X0 n R V
1.4 10 8.8 8.9 2.9 6.5 6.7 43
锚固线的布置示意：
图3：锚固线的布置示意图
4 结论
改进的螺栓压板的锚固方法，使得工程更为经济，橡胶坝的受力也得到优化、合理；同时该锚固连接机构更加适合于大批量地生产，工程施工容易。而基于斜锚式和堵头式的橡胶坝的坝肩布置措施，可以有效防止堵头式的橡胶坝的坝肩布置措施在坝体较高情况下所引起的不利因素，同时也弥补了斜锚式的橡胶坝的坝肩布置措施的过水性能差的不足，为橡胶坝的橡胶坝的坝肩布置给出了有效的解决方案。充排水系统在坝高的调节过程中具有至关重要的地位，流量与水头均衡的充水系统可以使橡胶坝坝袋平稳地提升与坍缩，避免了由于进出水流量波动的使橡胶坝坝袋过分地振动，进而摩擦、损坏。
本文对橡胶坝设计过程中的几项关键问题进行深入的探讨，改进后在江西省广昌县橡胶坝工程中进行实际应用，实际应用表明，其工程的质量以及防洪、泄洪能力得到显著提升。
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