浅析河床式水电站中橡胶坝的设计应用技术

'规戈U设计SMALLHYDROp0瓯匿R20ll．TotalJ河床式水电站中橡胶坝的设计应用技术张永进(浙江省水利水电勘测设计院浙江杭州310002)戴顺光(楠溪江供水工程建设指挥部浙江温州325100)【摘要】河床式水电站中的橡胶坝具有挡水水头高、泄洪流量大、泄洪时大量泥砂过坝等特点，详细介绍了以橡胶坝为主要挡水、泄洪建筑物的河床式水电站的枢纽总体布置要求、泄洪闸设置、消能防冲、坝袋抗磨损、坝袋防漂保护等关键技术问题。图3幅，表1个。【关键词】河床式水电站橡胶坝泄洪闸坝袋抗磨损橡胶坝技术自上世纪印年代引入我国以来，程中，橡胶坝也经常作为挡水建筑物，如国内已建由于结构简单、造价低、水位调节方便、对外部景的浙江省塔底水电站，橡胶坝坝高5．25m，坝长5观影响小等优点，广泛被应用在水利、发电、航跨x85m；广西百色东笋水电站，橡胶坝坝高6m，运、城市景观等方面。据不完全统计，全国已建橡坝长1跨)(102m等(见表1)。应用在河床式水电胶坝达l000座以上。工程中的橡胶坝具有挡水水头高、泄洪流量大、泄由于投资的经济性，在中小型的河床式水电工洪时大量泥砂过坝等特点。表1国内几座典型水利水电枢纽橡胶坝情况流态会导致坝袋拍打磨损，甚至撕毁毁坏；而且，1布置要求橡胶坝袋的抗毁坏能力较钢筋混凝土结构弱得多。橡胶坝应用在河床式水电站中作为挡水及泄洪因此，对于以橡胶坝作为挡水泄洪建筑的河床式枢建筑物，其布置与一般的水利、水景观工程有所不同。纽工程的坝址选择应比一般的钢筋混凝土闸坝工程1．1枢纽坝址条件较闸坝工程更为严格严格。根据《橡胶坝技术规范》(SL227—98)中坝坝址河段的流态对泄洪建筑物的安全影响较址选择要求，“坝址宜选在河段相对顺直、水流流大，橡胶坝作为柔体挡水建筑物，洪水期塌坝过态平顺及岸坡稳定的河段；不宜选在冲刷和淤积变洪，坝袋在洪水中处于自由漂流状态，过坝复杂的化大、断面变化频繁的河段”。1．2遵循“高滩设坝、深槽建闸”的布置原则上游集水面积较大、又无法完全截流控制的河收稿日期：2011—04—08作者简介：张永进(1972一)，男，高级工程师，专业设计床式水电枢纽中，橡胶坝一般均需要与泄洪冲砂闸总工，主要从事水利水电工程设计工作。联合布置，以满足坝袋检修、泄水排砂、小洪水调Emal／．zhangyjin72@tom．corn节下泄流量等要求。在枢纽轴线方向建筑物布置一·42· 小水电2011年第3期(总第159期)规划设计般遵循“高滩设坝、深槽建闸”的布置原则。河床渠的冲砂闸使用(见图1)。式水电站中泄洪闸与电站相邻布置，作为电站进水图1橡胶坝在某河床式水电枢纽中的典型布置1．3遵循“适宜采用”原则前提下，设计应尽量采用较低的坝高，对于规模较橡胶坝具有施工简便、造价经济的优点，但并大工程应采用当今技术水平成熟的坝袋产品。不是所有的河床式水电工程均适宜采用该坝型。2橡胶坝与泄洪闸的关联设计1)在水土流失严重，推移质泥砂含有大量卵石、块石的河道中，不应采用橡胶坝作为挡水泄洪2．1泄洪闸规模的选取原则建筑物。泄洪时，洪水夹带大量的卵石、块石，对在以橡胶坝为主要挡水泄洪建筑物的河床式水坝袋的损坏作用是巨大的，应尽量避免此类情况发电枢纽中，设置泄洪闸的目的一是在河流发生小流生。在一些低丘区河流，河道推移质以砂卵石为量洪水条件下，通过电站发电与泄洪闸下泄流量共主，颗粒浑圆，这种颗粒在洪水期对橡胶坝袋的损同满足枢纽调洪的要求，而不需要频繁调节橡胶坝坏相对较小，工程设计采用橡胶坝也是可行的。如塌坝泄流，以减少坝袋磨损，增加橡胶坝运行的安浙江省境内的衢江流域、曹娥江流域修建有多座橡全度；二是在橡胶坝放水检修时，泄洪闸作为河道胶坝，经过多年运行，证明坝袋抵抗泥砂磨损能力的导流通道，方便检修；三是满足电站进水口排：良好。砂、冲砂要求。2)洪水期有大型漂流物体的河道上不应采用根据枢纽调洪的要求，泄洪闸的设置规模应力橡胶坝。原木等大型漂浮物体对坝袋的损伤往往成求满足在非汛期上游发生的洪水能安全下泄，而不倍于泥砂磨损，甚至会撕破坝袋，造成整个坝袋报需橡胶坝塌坝泄流。根据浙江省多座橡胶坝的运行废；而且，这种破坏往往很难预测。经验，在水库正常蓄水位条件下，按泄洪闸最大下3)橡胶坝坝高选定应适应当今的技术水平。泄能力不小于5年一遇非汛期洪峰流量算，以此确近几十年来，我国的橡胶坝制造技术发展迅速，目定泄洪闸的最小净宽B1。前坝高5～6m的工程也不在少数，人们在设计工确定泄洪闸规模需考虑的另一个因素是，坝袋程时总有加大坝高的需求。但从工程的安全性、坝检修时放空水库，上游来水全部由泄洪闸下泄，无袋成品质量的成熟度考虑，在保证枢纽泄洪要求的需修筑检修临时围堰，相应上游水库水位应低于橡·43· 规划设计SMALLHYDROPOWER2011No3，TotalNo159胶坝底板高程。控制上游水库水位在低于橡胶坝底3．2土基上橡胶坝消能防冲板高程20cm工况下，泄洪闸的最大下泄流量宜不1)坝下消能防冲建筑物。橡胶坝单宽流量较小于非汛期河道平均流量，以此确定泄洪闸的最小小，上下游水头差也较小，文献_2J认为，坝高超过净宽B2。2m的橡胶坝宜设置消力池，坝高低于1．5m的可仅泄洪闸的最小净宽取B1、B2两者的大值。设置防冲槽。对于泄洪闸与橡胶坝联合布置的枢纽工程，由于泄洪闸先开启泄洪，其下泄流量已经在泄洪闸的冲砂功能对闸底槛高程有一定要求。坝下形成了一定深度的水垫；在橡胶坝塌坝泄洪的选择合适的闸底槛高程后，泄洪闸与电站进水渠相工况下，按坝下消能计算及水工模型试验基本可以邻布置，一般能满足电站的冲砂要求。得出坝不需要设置消力池的结论。但根据工程实2．2泄洪闸与橡胶坝的底高程关系际经验，橡胶坝坝下设置一定长度的消力池是十分在河床式水电枢纽中，泄洪闸一般位于河床的必要的；一是为了满足橡胶坝在塌落过程中坝下消深槽位置，闸底槛高程一般可按原河槽高程选取，能的需要，计算时可以采用塌1／4、1／2、3／4坝高若河道泥砂较多，闸底槛可比原河槽高程略高1j。等泄水工况进行消力池设计；二是为了改善橡胶坝为满足泄洪能力及冲砂的要求，闸底槛高程应尽量坝下泥砂运动路径的需要。泄洪时若在橡胶坝底板降低。上滞留过多的砂砾石，将严重加大坝袋与底板接触橡胶坝一般位于河床的高滩位置，其底板高程面的磨损。在底板下游侧设置消力池并形成1-3～应高于闸底板一定高程，以便于坝袋检修。设计时I：4向下游的斜坡，可以加速过坝泥砂进入消力应结合枢纽泄流能力，满足橡胶坝袋检修、泄洪闸池，减少坝袋与底板问砂砾的滞留，利于坝袋安全。与橡胶坝高程衔接等要求后进行技术经济综合比对于砂砾石河床，为确保下游防冲安全，在消较，确定橡胶坝底板高程。根据多个工程的设计及力池后还需设置足够长度的护坦、海漫及抛石防冲运行经验，橡胶坝底板高程一般高于泄洪闸底板高槽。在条件许可时，橡胶坝下游防冲设计应充分考程1．5～2．5m。高差太大，会造成闸坝上、下游河虑下游河道采砂等人类活动对防冲安全的影响。床高程连接困难，同时在衔接部位会造成严重冲2)坝上防冲设施。坝上、闸上防冲处理的相刷；高差太小，往往会造成坝袋检修困难。关技术要求在水闸规范、橡胶坝设计规范中均涉及较少。根据已建工程行洪期的水流流态观测分析，3上下游消能防冲技术橡胶坝底板上游2—3倍水深宽度范围内的流态较3．1基岩上橡胶坝消能防冲为复杂，呈现出流速加大，水面比降变陡的流态，修建在基岩上的橡胶坝的防冲设施比较容易解橡胶坝隔墩两侧局部还有回流及漩涡。为保证橡胶决，橡胶坝水头较小，一般将橡胶坝底板设置到基坝上游的防冲安全，一般需设置上游防冲设施。岩，坝上、下游一般不需要设置特别的消能设施。修建在土基的橡胶坝上游的防冲设施主要有防为便于泥砂快速脱离底板，下游需设置1个不陡于冲墙、护坦结合防冲槽2种型式。防冲墙可以结合1：2的斜坡(见图2)。基础防渗墙设置，覆盖层不深的工程也可以采用在底板上游开挖趾墙到基岩的方式，达到防渗及抗冲线的目的。上游护坦结合防冲槽也是常用的防冲结构型式。考虑到橡胶坝袋是柔性结构，橡胶坝上游防冲槽应避免采用块石或混凝土块回填，防止洪水期不平顺的流态淘刷带动块石冲向下游，造成坝袋损伤。根据已建工程经验，橡胶坝上游防冲槽应优先选用合金钢网箱或格宾网箱装大粒径卵石保护(见图2基岩上橡胶坝典型横剖面图3)·44· 小水电2011年第3期(总第159期)规划设计超压溢流管合金钢网石4兜O．防0冲(槽正哆常蓄水圭位坦)一C25混凝土消力池C20混凝土海!!漫墨地互堕堕t7|。·一，q●，、|1，．．．’．一～so混凝土’．．、。水铜：：：皿．1圆嘶／，秘舢扫I，rC15凝土防渗透撸，审．皆厚30cm。。：o＼·砂砾石基础。9)，Iy)，yy图3土基上橡胶坝典型横剖面3)橡胶底板下游塌落线部位采取耐磨材料。4磨损应对措施橡胶坝下游塌落区部位底板表面混凝土在坝袋拍打河床式水电枢纽中的橡胶坝作为主要的泄洪建下容易打毛、出露骨料，进而造成坝袋磨损。要减筑物，坝袋的磨损不可避免，尤其是山区河道中推少坝袋的磨损，必须保证坝袋塌落区底板平整光移质砂砾石含量较大，对坝袋的损害尤为严重；如滑，该部位在设计时可采用C4O以上掺聚丙烯工程何减免坝袋磨损是橡胶坝枢纽设计的重点和难点。细纤维混凝土，并水磨光滑。在条件许可时，塌落橡胶坝袋磨损主要有泥砂通过磨损、塌落线部位坝区底板也可以采用不锈钢衬处理。袋与底板间的接触磨损2种。浙江省龙潭水电站橡胶坝下游塌落线范围内底推移质砂砾石对橡胶坝的通过磨损一是砂砾石板表面采用C30FIO0混凝土，并经水磨处理。运行通过坝袋表面，对坝袋外层橡胶乃至锦纶骨架的磨后，根据混凝土的表面磨损粗糙度，利用非汛期对损；二是泄洪时砂砾石卷人坝袋底部与底板之问，塌落线范围内混凝土表面进行了磨光处理，并覆盖随着坝袋泄洪时产生的脉动，会加速坝袋底部的局环氧树脂以减少接触糙率。经过15a的运行，龙潭部磨损，有时会贯穿坝袋。塌落线部位坝袋与底板水电站橡胶坝的坝袋抗磨保护良好3。间的接触磨损是由于泄洪时坝袋脉动拍打底板造成4)改进坝袋抗磨特性。可以通过外胶配方的混凝土及坝袋的磨损。要解决以上坝袋磨损问题，改进，提高坝袋外胶的耐磨性。根据文献，目前设计及运行时可采取以下措施。我国开发的橡胶坝三元乙丙复合外胶具有良好的抗1)合理确定橡胶坝底板高程。在保证枢纽安老化及耐磨特性，是今后橡胶坝应用的趋势材料。全行洪的前提下，应尽量提高橡胶坝底板高程，底规范规定坝袋外胶的最小厚度为2．5一，在多泥板顶高程应比河床稳定高程抬高1m左右，使底板砂河道中可以加大坝袋外胶的厚度，以增加橡胶坝相对于上下游河床处于比较高的位置，泄洪时水流袋的抗磨时间。也有工程在坝袋下游塌落区外表面在底板前缘存在一个向上的水流分量，有利于泥砂加贴一层“一布两胶”的抗磨层，以减少泥砂对坝脱离底板，顺着洪水快速地流向底板下游，减少在袋本身的磨损3。坝袋及底板上滞留的机会。5)合理调度运行，避免坝袋漂摆及拍打。根2)橡胶坝底板下游应设置斜坡，减免砂砾石据已建工程经验，橡胶坝泄洪时随着坝袋下塌砂砾滞留底板。橡胶坝底板下游的连接斜坡一般结合坝石易卷入坝袋底部，造成坝袋磨损。分析其机理是下消力池设置，底板下游的斜坡坡比一般取1：2～由于坝袋塌平后随着水流产生上下脉动拍打，造成1：4，利于泥砂尽快排向下游，减免砂砾石滞留在坝袋与卷入坝袋底部的砂石连续不问断的拍打磨损底板匕。之故。为减少泄洪时坝袋的脉动拍打，可从改善坝·45· 规划设计SMAII．HYDROPOWER2011No3．TotalNo159袋过流流态人手。影响甚大，要求泄洪时枢纽区水流流态平顺，无明一是运行控制中应做到各跨坝袋均匀下塌，保显的回流及漩涡形成。证各跨坝袋前水流平顺，防止侧向水流及漩涡的产2)橡胶坝宜与泄洪闸联合布置，以满足坝袋生，可减少坝袋的脉动及拍打；二是汛期塌坝泄洪检修、小洪水泄洪及电站冲砂的要求。时，应尽量排干坝袋内水体，减少坝袋下游侧因滞3)为保证橡胶坝袋的泄洪安全，橡胶坝上游水形成“烟斗”状水袋，造成局部的拍打磨损；三不应设置块石等大块径抛填的防冲槽，下游消力设是橡胶坝部分塌坝运行时，应避免在坝袋振动区运施应考虑过坝砂砾的排泄要求，避免泄洪时坝袋底行，发现振动应及时调整坝袋高度。部夹砂，造成坝袋磨损。4)可以通过抬高底板高程、坝袋塌落区底板5防漂应对措施采用耐磨材料以及合理调度运行等措施，减少坝袋汛期河道漂浮物的来袭往往不可预知，也很难磨损。避免；但可以从工程的运行管理方面考虑减免漂浮5)橡胶坝防漂破坏的主要措施有：洪水初期物对坝袋的影响。利用泄洪闸先期排漂、泄洪时增加坝袋以上泄洪水1)严格执行先开闸、后塌坝的原则。利用泄深、洪水期坝前库面清理。洪闸单宽过流能力大的特点，引导上游漂浮物流向泄洪闸，可以有效避免泄洪初期坝前的漂浮物从橡参考文献：胶坝段排泄的风险。[1]华东水利学院．水工设计手册[M]．北京：水利电力出2)泄洪时各橡胶坝应保证坝上足够水深，可版社，1982：6—8．[2]高本虎．橡胶坝工程技术指南[M]．北京：中国水利水大大减少漂浮物对坝袋损伤的几率。电出版社，2006：225．3)加强汛前坝上库面清理，尽量减少危险漂[3]徐富平，丁邦满，吕建国，等．龙潭水电站工程橡胶坝浮物过坝。汛前应全面巡视枢纽近坝区的库面漂浮抗磨损设计与运行管理[J]．水利水电技术．2009，40物并及时清除，上游船只应做好可靠的锚泊，近坝(12)：122—123．[4]候吾华，候作启．橡胶坝设计与管理[M]．北京：中国区禁止船舶通行。水利水电出版社，2006：140-143．■6结语1)橡胶坝为柔性结构，泄洪流态对坝袋安全责任编辑吴昊．．址——址．S．址．址．址．址．．址．址．．S址．上．．L．址．．S舢．S温州市水利电力勘测设计院招聘面向全国公开招聘专业技术人员若干名，具体上优秀毕业生，有从业经验优先录用。要求如下：四、土工试验岗位1名：建材试验或岩土工程一专业本科优秀毕业生，有从业经验优先录用。、水工设计岗位2～3名：水工专业本科以上学历，助工及以上职称，三年以上水利工程设计联系方式：从业经验。地址：温州市机场大道5477号国大广场一号门4楼二、副总工程师岗位1名：水工或相近专业本邮编：325011科以上学历，高工及以上职称，有长期水工设计工电话：0577—86518663—815作经验。电邮：WZSDY@wzs1．gov．cn三、工程测绘岗位2名：工程测绘专业专科以联系人：白先生·46·'