程汉昆，赵 鹏

(1.大连市水利建筑设计院，辽宁大连116021;2.大连市水利规划设计院，辽宁大连116021)

0 引言

“以水挡水”是橡胶坝有别于其他挡水建筑物的最主要特征之一。自第一座橡胶坝在国外诞生至今约半个世纪。这期间，每一座橡胶坝的建成并投入运用，均在不断地重复验证着它的广泛适用性及节省三材、造价低、结构简单、施工期短，以及跨度大、不阻水、自重轻和抗震性能好等诸多优点。

橡胶坝在溢流时水流流态复杂，工况多变，而且极易发生坝袋振动，直接影响到坝袋的安全运行。只有弄清橡胶坝的泄流运行规律，才能据此进行橡胶坝的消能防冲设计，从而使橡胶坝的运行安全可靠。

1 消能防冲设计原理

1.1 橡胶坝的工况

根据橡胶坝泄流时的水流流态，可简单将橡胶坝的设计工况划分为以下3种:

1)橡胶坝全部坍落，袋面上行洪，水流比较平稳，流速与河床流速相近。

2)橡胶坝全部充起，坝顶部类似实用堰。

3)橡胶坝未充到设计高度，或坍落过程中，坝型类似于宽顶堰，坝顶溢流时，水流具有两个自由表面的落差:一个在上游面的顶端，一个在下游面的顶尾。如为淹没式宽顶堰，则只有上游一个自由表面跌差。

1.2 橡胶坝的基本流态

橡胶坝溢流时水流衔接状态为:

1)在泄洪时，橡胶坝是均匀缓慢的坍落;

2)溢流开始时，水位差最大;

3)随着坝袋坍落，单宽流量逐渐增加，下游水深相应增加，水位差减小;

4)当坝袋坍平后，水位差接近于零。

1.3 消力池的设计计算

根据橡胶坝的特点，坍坝泄洪时其上下游水位、过坝流量是变化的，因此在设计消力池时，应对坍坝过程中可能出现的各种水力条件及水位组合情况进行计算，选取最不利组合情况下的计算值，作为选定消力池的深度、长度和底板厚度的依据，使其能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且应与下游河道有良好的衔接[1]。重要的或水流流态较为复杂的工程，可通过模型试验对消力池的池长、池深以及上下游水位关系等进行验证。

橡胶坝通常采用底流式消能设施进行消能。设计计算时，一般设定在设计流量或给定流量的条件下，计算在坍坝过程中不同坝袋高度及所对应的下游河床水深下的消力池的池深、池长等。选取上述最不利的计算值，以最终确定消力池的深度、长度和底板厚度等。

1.4 计算公式

橡胶坝消力池计算公式参照水闸消力池设计方法。

1.4.1 消力池深度

消力池深度一般可按水跃动量平衡方程式求解，按式(1)～(4)计算:

式中:d为消力池深度，m;σ0为水跃淹没系数，可取1.05～1.10;h″c为跃后水深，m;hc为收缩水深，m;α为水流动能校正系数，可取1.0～1.05;q为过坝单宽流量，m3/(s·m);b1消力池首端宽度，m;b2为消力池末端宽度，m;T0为由消力池底板顶面算起的总势能，m;△Z为出池落差，m;h's为出池河床水深，m;φ为流速系数，一般取0.95。

1.4.2 消力池长度

消力池的长度一般可按下列经验公式计算确定:

式中:Lsj为消力池长度，m;Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m;β为水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8;Lj为水跃长度，m。

1.4.3 消力池底板厚度

消力池底板厚度一般可根据抗冲和抗浮的要求分别按经验公式和理论公式计算确定，并取最大值:

抗冲计算公式为:

抗浮计算公式为:

式中:t消力池底板始端厚度，m;△H'为坝泄水时的上下游水位差，m;k1为消力池底板计算系数，可采用0.15～0.20;k2消力池底板安全系数，可采用1.1～1.3;U为作用在消力池底板底面的扬压力，kPa;W为作用在消力池底板顶面的水重，kPa;Pm为作用在消力池底板上的脉动压力，kPa;γb为消力池底板的饱和重度，kN/m3。

2 工程实例

2.1 工程概述

辽宁省海城某橡胶坝为充水式。橡胶坝坝长220 m，分为四跨，每跨长53.8 m，中墩1.6 m。橡胶坝底板高程为16.5 m，橡胶坝正常蓄水位为20.0 m，坝高3.5 m。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》确定枢纽工程为Ⅴ等工程，橡胶坝、控制室分别为5级建筑物。

2.2 消能防冲计算

2.2.1 工况分析

当坝顶溢流时，由于泄流能力十分有限，单宽流量较小，对下游防冲基本没有影响。当橡胶坝坍坝时，水流保持原河状行进，水头差极小，对下游防冲也基本没有影响。

其最不利的工况在橡胶坝坍坝过程中，此时下游水位较小，假定上游水面基本维持不变，挡水水位最高，水头差最大[2]。

在坍坝过程中，上游水位维持不变时上下游水位差最大，消能防冲计算消力池池深工况以跃后水深与下游水深(h″c－hs)最大为控制工况。消能计算控制工况见表1。

表1 橡胶坝消力池计算工况表

下游水位按主河槽(平均宽度220.0 m，糙率0.025，河道比降0.001)计算，当水位从滩地漫流时橡胶坝已全部坍塌。

2.2.2 水跃计算

水跃参数按照公式(2)、(3)计算，各工况对应水跃参数见表2。

表2 橡胶坝消力池水跃计算表

从表2可以看出，随着橡胶坝坍坝，下游水位上升，跃后水深与下游水深之差呈现出先大后小的趋势，控制工况在单跨橡胶坝坍坝过程中，当橡胶坝塌至1.50 m高时，跃后水深与下游水深之差最大，为设计的控制工况[3]。

2.2.3 消力池计算消力池池深按照式(1)、(4)计算;消力池池长按式(5)、(6)计算。其中消力池池长采用远趋式水跃最大流量所对应的长度。消力池计算成果见表3。

表3 消力池计算成果

根据上表及实际工程经验，消力池池深设计取值为0.80 m，考虑与橡胶坝底板平顺连接，消力池池长取值20.0 m。

2.2.4 消力池结构

消力池厚度按照式(7)、(8)计算。经过计算，消力池底板厚度为0.46 m，消力池底板设计厚度取0.60 m。

3 结论

充水式橡胶坝在充坍坝和挡水运行过程中，坝体较稳定，泄流较平稳，坝袋可承受较大的溢流水深。根据橡胶坝运行时的外形变化、水流衔接状态和调查资料，我国已建的橡胶坝大都采用底流式水跃消能。与同等规模的水闸相比，橡胶坝跨度大，没有闸墩阻水，橡胶坝的单宽流量比相同条件下的水闸要小，相应的跃后水深也比水闸的小，因此，对橡胶坝的消能防冲设计可以适当的降低。但为彻底消杀过池水流的动能，避免其对河床产生有害的冲刷，分工况对橡胶坝消能防冲进行设计是十分有必要的。

[1]林建洪.北溪水闸枢纽下游消能防冲设施除险加固研究[J].东北水利水电，2011，29(01):63 －66.

[2]唐瑞萍.北川湿地橡胶坝设计[J].甘肃水利水电技术，2009，45(05):12 －13.

[3]杨笑宇，韩吉鹏.蛟河市池水橡胶坝工程复核计算分析[J].吉林水利，2011(04):1－5.