橡胶坝坝下浪涌消除对策及工程改造措施

曲 磊

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

在水利水电工程建设中，随着城市用水、景观建设、环境整治及灌溉等需求，拦河建筑物得到广泛的运用。河道中的拦河建筑物具有拦截水流、雍高水位、调蓄水量等作用[1- 3]。橡胶坝作为众多拦河建筑物的一种，具有施工便捷、造价低廉、运行稳定、塌坝速度快不影响行洪等特点，在国内大部分地区应用较多[4]。

橡胶坝自20世纪90年代以来在我国发展迅速，目前各方面技术都比较成熟。随着早期建设的橡胶坝使用年限的增大，橡胶坝底板裂缝、坝袋老化、锚固结构强度降低等情况时有发生[5- 6]。并且随着社会经济发展的需要以及人们对亲水环境的渴求，很多橡胶坝运行工况发生变化，导致橡胶坝的运行条件随之改变[7]。本文以沈阳市砂山橡胶坝改造工程为技术背景，分析了坝下浪涌形成的原因，采取相应维修改造措施，消除橡胶坝安全隐患，保证橡胶坝稳定运行。

1 改造背景

1.1 砂山橡胶坝简介

砂山橡胶坝工程位于沈阳市境内浑河城市段的河段上，工农桥下游900m处。橡胶坝为4跨充水式橡胶坝，楔块锚固型式，设计标准为20a一遇，设计流量为3569m3/s。橡胶坝总长330.4m，坝顶高程为37.00m，坝底板高程为34.50m，坝顶溢流水深为0.3m。

1.2 改造原因

(1)橡胶坝坝后浪涌。砂山橡胶坝下游建有浑河闸，坝下水位由浑河闸正常高水位回水控制。浑河闸在2014年进行了除险加固，原设计正常高水位由于控制运用的要求，由原来的35.00m调整至36.00m。在浑河闸正常高水位运行期间，砂山橡胶坝下游水位保持在36.00m左右，橡胶坝上游溢流水位仍为37.00m。由于砂山橡胶坝下游水位的抬升，橡胶坝的运行工况发生了变化，橡胶坝坝袋下游侧出现顺坝向波浪，波浪在橡胶坝坝墩间往复运动，如图1所示。同时，橡胶坝坝袋顶部随波浪运动出现局部塌陷，塌陷规律与波浪走向同步，如图2所示。

图1 坝袋下游浪涌

图2 坝袋塌陷

(2)橡胶坝锚固楔块松动。砂山橡胶坝坝袋的锚固形式采用楔块锚固，坝后浪涌的出现，致使坝袋波动频繁。通过现场调查发现，部分楔块发生松动，坝袋锚固后预留的坝袋宽度个别部位减少，坝袋有抽离现象，并导致局部坝袋有效长度增加。

2 改造的必要性

砂山橡胶坝溢流期间，坝袋下游侧出现明显的顺坝向波浪，波浪的出现改变了坝袋下游的水流条件，引起坝袋的波动。同时，坝袋锚固长度减少导致坝袋有效长度增加，致使坝袋在充满状态下，垂直水流方向上坝袋截面发生变化。截面的不同，导致坝袋不同部位溢流流量发生改变，当相邻部位的溢流量不同步时，流量较大的一侧对流量较小的一侧产生一个横向推力。当这个推力足够大时，即有可能引起顺坝向波浪。

不论是坝袋有效长度的改变，还是坝袋下游侧波浪的出现，对橡胶坝的安全运行都是极为不利的。这不但造成了坝袋下游水流的波动，对坝袋结构的破坏也是非常明显的，若不能及时解决，橡胶坝有渗漏垮坝的风险，存在极大的安全隐患。

3 橡胶坝改造措施

为消除橡胶坝安全隐患，保证坝袋受力均匀、坝顶溢流平顺，坝下水流形态平稳，通过增加辅助引流导流墩、改变坝袋锚固型式的方式对砂山橡胶坝进行全面改造[8- 9]。

3.1 坝墩改造

为消除橡胶坝坝下游浪涌现象，通过适当延长橡胶坝坝墩长度并在橡胶坝消力池斜坡增设导流趾墩，使坝后水流能够平顺下泄，同时能够缩短坝下水面吹程，以降低下游形成浪涌的可能性[10]。橡胶坝改造平面布置如图3所示。

图3 橡胶坝坝墩改造平面布置图

3.1.1坝墩延长

为减小波浪的传播距离，在消力池底板上增加一定高度的导流墙。根据橡胶坝下游运行高水位36.00m加安全超高及橡胶坝运行管理经验，导流墙高度综合确定为36.50m；导流墙长度根据橡胶坝下游波浪的传播宽度及体型外观要求综合确定。

导流墙自坝墩下游侧至消力池水平段垂直底板布置，导流墙水平投影长度为5m，墙顶高程36.50m，墙厚0.4m，导流墙上、下游端部为半径0.2m圆弧段。导流墙下通过锚筋与原有消力池底板连接，导流墙纵剖面如图4所示。

图4 导流墙结构纵剖图

3.1.2增设趾墩

为改善橡胶坝溢流后的水流条件，通过在消力池底板斜坡段末端增加趾墩辅助消能工措施，使射流沿齿槽分成多股水流，以增加水股深度和上下股水流的扩散作用，缓解顺坝向波浪的生成。趾墩下部通过锚筋与原有混凝土底板锚接，趾墩高1.3m，宽0.3m，间距5.0m，平行布置于消力池斜坡段末端，趾墩纵剖面如图5所示。

图5 消力池趾墩纵剖图

3.2 锚固型式改造

本次改造将原坝体楔块锚固改造为螺栓压板锚固[11]。与新建橡胶坝预埋螺栓锚固件不同，改造需要在原锚固槽内重新植入螺栓构件，保证植入钢筋具有足够的强度以达到坝袋抗拔要求为本次改造重点。坝袋锚固改造根据锚固槽部位的不同，共分为顺坝向锚固与端部锚固2种。其中，坝头端部锚固由于槽内下方有充排水管路，不能植入较深的钢筋，因此采取了特殊处理。

3.2.1顺坝向锚固槽改造

橡胶坝原锚固槽设计宽度为30cm，深度为28cm，对原锚固槽进行改造，采用人工凿除部分混凝土，凿除深度为54cm。槽内下入锚固螺栓[12- 13]，螺栓总长度为600mm，螺栓直径选取27mm，螺栓锚固深度为15dm。混凝土拆除时保留原底板锚固槽钢筋与新植入的锚固螺栓焊接，在锚固槽内填充C30混凝土[14]，顺坝向锚固槽改造结构图如图6所示。

3.2.2坝端锚固槽改造

橡胶坝原锚固槽设计宽度为30cm，深度为28cm，对原锚固槽进行改造，采用人工凿除部分混凝土，凿除深度为35cm。此处若仍采用顺坝段植入长锚筋的形式，有可能会凿穿充排水管路，因此改为槽内植入锚固钢板与原有钢筋焊接，并将预埋螺栓与钢板焊接，螺栓总长度为290mm，螺栓直径为27mm。混凝土拆除时保留原底板锚固槽钢筋与新植入的锚固螺栓焊接，在锚固槽内填充C30混凝土。橡胶坝端部改造结构图如图7所示。

3.2.3锚固槽改造要求

扩大原有锚固槽施工，应采用电镐、风镐人工拆除混凝土，拆除过程中应保证底板内的钢筋不发生破坏，且扩槽后的深度不宜超过底板总厚度的三分之二。拆除后的混凝土碎渣首遍清除后，需往槽内注水，浸泡松动但未脱落的混凝土碎屑，浸泡24h后槽内水排空，用铁刷刷除开槽后混凝土表面松动的碎屑，直至表面再无碎屑脱落，并清理干净槽内残渣。新、老混凝土接触部位均需涂抹混凝土界面剂，以保证新老混凝土的浇结强度。

4 结语

因扩槽对原底板结构有一定破坏，在施工中应密切关注底板变化情况，避免因扩槽导致底板产生裂缝等安全隐患。与新建橡胶坝螺栓压板埋件一次浇筑相比，工程较好地解决了螺栓压板埋件后锚固难题，取得的相关经验，可为类似工程的改造提供借鉴。

图7 橡胶坝端部锚固槽大样图(单位：mm)

砂山橡胶坝自改造完成后，已经过汛期的检验，橡胶坝运行稳定，坝下水流平稳，无异常现象发生，工程改造效果良好，达到了相应的技术要求，获得了较好的经济效益及生态效益。