橡胶坝坝袋的升降,船闸的开启都要由机电设备控制完成。橡胶坝作为城市景观工程汛期仍需蓄水运行,随着汛情变化要不断控制升降,机电设备要在反复工作中经受考验,一旦出现故障就将危及大坝安全。如佛子岭大坝1969 年汛期闸门开启2/3时电源中断,闸门不能开启造成洪水漫坝。
橡胶坝在运行中会发生拍打或振动等现象,有可能引起坝袋的磨损或撕裂。橡胶坝袋的振动主要是外力(如水流脉动和风荷载)作用下的强迫振动。橡胶坝袋为柔性薄壳结构,袋内充水或充气体,在各种不同的外力作用下形状变化及自由度很大,对水流脉动反应灵敏,易出现振动,尤其是在坝顶溢流时,弹性体坝袋在水流脉动压力作用下,更易产生振动现象。若外力强迫振动频率与坝体在水下的自振频率接近时,坝体的振动加重,甚至发生共振现象。共振时坝袋损坏很大,当共振时坝袋产生的内应力大于坝袋材料的允许应力时,坝袋将遭到破坏。橡胶坝在运行中,若长期存在坝袋振动现象,则会导致磨损、脱层和撕裂,严重的甚至破坏整个坝体,影响工程的安全及效益的发挥
洪水来临时,大流量、高流速的洪水将对建在河道的橡胶坝造成强烈的冲击和淘刷。由于橡胶坝是建在河道中松软的沙基上,强烈的洪水冲刷,使坝前和坝后形成较大的冲刷坑,导致大坝悬空从而形成险情。2000 年白河汛期发生超过橡胶坝安全设计流量大洪水,第三级橡胶坝右岸两段大坝坝基被冲刷掏空发生大坝塌陷。2010 年汛期持续大洪水,第四级橡胶坝下游被冲出多个冲刷坑,结果造成海漫悬空塌落形成险情。
橡胶坝管理人员要从各方面保障工程安全,应熟悉本工程各部结构、设计意图、施工情况及工程中存在的问题,了解橡胶坝的运行特点要求,并掌握控制运用、检查观测和养护修理等各项业务,能在具备一般的修补材料及修补工具的条件下,进行日常的坝袋局部修补。平时做好大坝土建工程的检查和养护修理,一旦发现工程出现缺陷和隐患,应及时修复,做到小坏小修,随坏随修,防止缺陷扩大和带病运行。对机电设备各系统部件,如电动机、水泵、空压机(风机)、法兰、闸阀等出现故障或损坏时,必须及时排除故障,进行修复或更换,平时做好养护工作。白河橡胶坝第一级和第四级坝由于位于郊区供电线路偏远、偏长,应经常检修保证供电安全。
为适应橡胶坝发展的需要,在水利部的主持下,有关橡胶企业参与配合,先后颁布了《橡胶坝技术指南》和行业标准《橡胶坝技术规范mdash;"+。对橡胶坝的工程规划、工程设计、施工安装与运行管理等作出了相应的规定;对坝袋用胶料与胶布性能提出了具体要求,在某些方面超出了日本标准水平,胶料的耐氧性能达!(’,,-.,使橡胶坝的建设与管理有章可循,对橡胶坝质量的稳定提高与发展,起到重要的推动作用。
#"骨架材料强度系列化织物骨架是橡胶坝载荷的承受体,对保持坝的形状、尺寸稳定性,安全与耐久性起着决定性的作用。目前,我国橡胶坝用骨架材料是锦纶&浸胶帆布,布的强度型号由//(&(0到amp;(0与0#0(分别表示织物的经纬强度为&与,强度公称级差为#(2/1.,由低到高,加上不同的经纬强度组合有0(余个型号规格形成系列。为提高坝高与安全因素创造了条件。安全系数的低取值可在&以上,一般达+,是早建于北京右安门坝安全系数’的#倍。骨架材料强度型号多,也为不同建坝条件与目的的实用性、经济性提供了广阔的选择余地,为提高坝的使用寿命奠定了物质技术基础。
2、胶料配方更趋合理:橡胶坝用胶料有胶布用外、中、内胶及衬垫片用胶’种,性能要求各有特点。配方设计中生胶品种的选择是主要的。早期我国橡胶坝是用氯丁胶制成,故有“氯丁胶坝”之称,氯丁胶强度高,耐天候老化性能优越,但胶的密度大、坝体重,耐水性欠佳,加工难度较大,且价格昂贵。随着我国合成橡胶工业及助剂工业的发展,品种增多,单用氯丁胶的局面已被改变/8、)98均得到了应用,以不同的并用方式,满足不同用胶的性能要求,使物性、工艺性能与成本,取得较合理的平衡,并全面提高了使用性能。
胶布质量与制造技术提高早期的坝袋胶布是单层积物两面覆胶平板硫化。由于强度的限制,坝高只能在!:$米以下。随着建坝高度的提升,除提高织物强度外,相继开发了双层与0层结构胶布,使胶布的强度由早期的&(2/1.发展到现在的近提高了!&倍。胶布厚度也由$:(..增加到!!:(..,单位质量由&提高到!0<由于布层的增加,胶布需要复合成型,由此出现了成型机,目前还正在开发压延机热成型,将压延与成型结合,减少作工序,提高生产效率,各层粘合好,胶布质量高。胶布的硫化已有厂家采用鼓式硫化机,
此工艺的优点是:(1)因是连续硫化,张力可保持恒定,可避免平板硫化因串段而产生的二次硫化“锅头”和热收缩,胶布物性均衡稳定,收缩损失降低。(2)胶布外表光洁美观,不会产生顺纹、干疤等外观缺陷,也提高了胶布的抗老化性能。(3)成型可与硫化机联动,节省人力、物力,对生产双层以上胶布更为有利。
橡胶坝充坝运行时, 坝袋与岸墙产生摩擦力, 端部坝袋受以下作用力坝袋本身重力水的浮力坝袋与中边墩岸墙产生的摩擦力堵头坝袋受袋内纬向水压力的作用。摩擦力受坝袋内压高度、坝袋与中边墩导墙的接触面积的影响, 随着坝袋内外压比、充坝高度的增大, 接触面积逐渐增大, 摩擦力逐渐增大当坝袋逐渐升高时, 坝袋内的水压力对坝袋产生斜向拉力, 力的大小和方向随坝袋的升高、内压比的增大而增大和改变。
由于橡胶坝是一种柔性薄壳体, 随着坝袋使用时间的延长, 坝袋的弹性变形越来越小, 坝头在塌坝过程中, 受水流的影响, 端头坝袋会产生不规则的折叠与褶皱, 无形中也增加了坝袋与岸墙之间的摩擦系数, 增大了坝袋与岸墙之间产生的摩擦力。在升坝过程中, 由于水压力作用于坝袋上的向上拉力小于坝袋与岸墙产生的摩擦力和坝袋自重, 致使坝端产生的局部褶皱不能打开, 端部坝袋不能全部展开, 形成坝袋端部塌肩现象。坝头塌肩现象在直墙枕式坝袋中是一种普遍现象, 坝袋设计高度越高, 坝头塌肩现象越大、越明显。从已建成的橡胶坝运行情况看, 以下的橡胶坝塌肩较小, 以上的橡胶坝塌肩现象普遍存在, 尤以以上的高坝更加明显。
三、坝头塌肩的危害 坝头塌肩会对橡胶坝工程造成下列危害:A、降低有效坝高, 使工程效益不能充分发挥。据观测,在较高的橡胶坝中, 坝头塌肩高度一般达到设计坝高的5%~10%, 即坝头塌肩高度达10~30cm, 致使水流从坝头塌肩处流走, 产生溢流损失, 降低橡胶坝蓄水高度。坝袋回水达不到设计要求, 橡胶坝的景观效应不能充分发挥。B、全断面溢流不均, 影响坝体的整体美观。对于河道径流较小的橡胶坝工程来说, 这种现象非常明显, 由于大部分水流从坝头塌肩处流走, 造成全断面溢流不均, 影响坝体的景观效果。C、坝袋端头产生褶皱, 给工程运行带来隐患。由于坝袋塌肩, 坝袋与岸墙之间产生褶皱, 在褶皱处坝袋胶布易形成应力集中, 久而久之会使胶布过早老化和脱胶, 给工程运行带来隐患。
四、橡胶坝塌肩解决方法 在枕式坝袋中, 坝头塌肩是一种普遍现象。笔者根据橡胶坝多年的运行管理经验, 总结出以下塌肩解决办法:A、改进中边墩施工工艺方式。将中边墩做磨光处理,在端墙应用钢丝网水磨石面或在端墙表面涂抹环氧树脂水泥膏, 减少坝袋堵头与中墩的摩擦力另外抬高端部底板, 将靠近两岸端的坝底板锚固线稍许抬高, 一般坡度为1:6~1:10, 对解决橡胶坝塌肩起到了一定的积极作用。这种方法对坝高低于1.5m的坝袋比较明显, 坝高超过2.0m的坝袋, 效果不明显。随着坝袋老化, 坝袋弹性逐渐减弱,端部坝袋形成的褶皱不宜打开, 且2.0m以下的坝袋很少,这种方法的效果有限。
B、采取人工踩踏坝头方式。将坝袋端部平铺展开, 在充坝过程中, 人工及时踩踏端部坝袋, 使坝袋尽量不形成褶皱, 减少坝头塌肩。这种方法的缺点是浪费人工, 需有时间、人力保证, 随着坝袋高度的升高, 坝袋与边墩摩擦力逐渐增大, 效果逐渐减小C、采取往两端坝头充气方式。根据橡胶坝多年运行经验, 在两坝端底板内设置充气孔, 首先向坝袋内充水,高度20~30cm, 将安全溢流管口用水封住。再通过泵房空压机往坝袋两端充气, 使两端坝袋能够自然充胀起来, 通过充气使坝头端部打开、展平, 减少坝端的褶皱, 然后再向坝袋内继续充水, 从而减少坝头塌肩现象。该种方法在武烈河第一、第三、第五、第六道橡胶坝工程中采用, 效果良好。
D、采取在中边墩安装自动化起吊设备方式, 解决坝头塌肩问题。该方法主要在中边墩分别设置一套自动化起吊装置, 通过起吊设备将端部坝袋在未充坝之前全部展开到设计高度, 将坝端褶皱全部打开, 然后再往橡胶坝袋内充水, 这样可以解决橡胶坝坝头塌肩现象。在橡胶坝的实际运行管理中, 充坝前我们曾采取用导链将端部坝袋吊起展开的方法解决端部坝袋塌肩现象, 效果非常理想。由于橡胶坝每年起落坝次数频繁, 采用这种方法非常可行。E、适当加大堵头和坝袋端头胶布尺寸, 也是减少堵头塌肩量的一项措施。
气盾坝工程近年来开始在我国各地兴建,其闸门系统综合了传统钢闸门和橡胶坝的优点,是在引进国外先进技术的基础上,形成的新的工程结构。气动盾形闸门系统工作的基本原理是通过对气袋的充气与排气,实现闸门升起和倒伏。闸门升起,可以进行蓄水,当蓄水水位超过闸门高度时,形成溢流景观;闸门全部倒伏在河底后,可以进行高效泄水,不影响通航。它既满足了传统钢闸门和橡胶坝的常规功能要求,又能与周边环境和谐共存,具有较强的生态与景观功能。