橡胶坝是20世纪5O年代末，随着高分子合成材料工业的发展而出现的一种新型水工建筑物．它采用高强度锦纶织物和特种橡胶复合制造，通过向坝袋内充排气体或水可随意调节坝体高度，便于蓄水或排洪．橡胶坝是一种造价低廉、施工期短、耐久性强、抗震性能良好的挡水建筑物，可广泛应用于灌溉、防洪、发电、城市美化等领域．它可在枯水期充坝蓄水，满足防洪、供水及美化环境的要求，也可在汛期坍坝泄洪，而且不阻水，不影响河道行洪，既可满足供水和美化环境的需要，同时又不会降低防洪标准，社会效益和经济效益显著，随着我国城市生态环境保护的进一步深入，橡胶坝必将得到更广泛的应用．
         在橡胶坝水工模型试验中发现，当充排水口布置在坝袋中部或靠近上游锚线时，在坝袋内存水较少的情况下坝顶溢流时，或在坝袋排水一段时间后排水口即被坝袋盖住．袋内余水无法排出，在水流压力的作用下，坝袋在底板末端形成烟斗形状的“小坝”，中国水利水电科学研究院试验测得其高度为0．72 mE ，并发现有部分泥沙被卷入坝袋底部，与之摩擦而使坝袋受损．实际观测该现象不仅影响行洪，而且容易引起坝袋振动、拍打或发生破坏，特别是在我国南方多雨地区经常出现这一现象．工程实践中，常采用在坝袋内侧折叠处敷设导水胶管，以连接排水口与“小坝”．《橡胶坝工程技术规范条文说明》l2 对导水胶管的安装方法做出了说明．有学者认为该方法不但难度较大，可操作性差，实际效果并不理想，部分余水无法排出 ]．该方法对坝袋耐久性与受力条件变化的影响也有待于进一步研究．此外，用于防止排水口被封堵的水帽帽盖高出底板平面lO～15 cm，影响坍坝行洪，同时坝袋容易受损 J．由于双线穿孔锚固的自身缺陷，锚固线处坝袋、锚固构件、底垫片3者连接部位的气密性不好．随着橡胶材料的老化和金属构件的锈蚀，坝袋的气密性会逐渐降低．部分橡胶坝坝袋底部的底垫片及止水海绵与底板混凝土结构面之间的密合程度也不够理想，上游的水容易沿底板平面直线渗透到下游锚固构件．下游锚固构件长期处在潮湿的有氧环境中，锈蚀速度变快，其性能也会受到一定的影响．湖北省恩施州清江东门橡胶坝高6 m是目前我国已建成最高的橡胶坝．研究者在其运行过程中发现，在紧急坍坝泄水过程中，当坝塌落至75 时，坝袋上游水重压力的作用将坝袋胶布压在坝底板水帽上，同时坝袋承受由于水泵抽取坝袋内部水流产生一定负压吸附作用，使坝袋内一定量的水无法排出．坝越高，纵向坝袋挑坎越长，从而易形成烟斗状“小坝”．上游水流通过时，烟斗状“小坝”呈蛙跃式往返拍打底板，严重影响坝袋使用寿命 ]．当上游来水量过大，橡胶坝坝袋又出现烟斗状水袋时，因上下游水位差基本相等，自排系统不能正常发挥自排功能，通常可通过自流旁通管将烟斗内余水向机房集水井缓缓自流排放，然后再通过集水井深井泵排向坝外，因集水井低于河床坝基，停泵自流时坝袋吸附力消除，坝袋相对放松，从而使烟斗内余水渗排出坝袋外，消除烟斗现象．坝袋振动可通过调节过流量和坝高减弱或消除振动，减少磨损，延长使用期 ．
         由于橡胶坝通过旁通管排水的时间较少，因此需要采取措施解决旁通管的老化和腐蚀问题，旁通管与坝袋的连接方式对坝袋运行与变形也有一定的影响，此外，旁通管由于需要自流，其高程较低，因此也有可能被堵塞，而且有学者认为充排系统失灵是造成坝袋破损的主要原因之一[6]．另外一方面，旁通管的排水速度在一定程度上也受限制，使坝袋的充排时间影响橡胶坝工程的正常运行．此外，通过调节过流量和坝高减弱或消除振动对工程综合效益的充分发挥也有一定的影响．
         解决上述问题的目的是保证坝袋排水的速度及其恒定性，而目前实际采取的应对措施并不能完全达到这一目的，因而对坝袋的运行仍有一定的影响．但是如果在底板之外布置其他自流排水管道，则对该管道的耐久性及其抗损坏能力的要求较高；而布置在底板内部又会增加管道布置的难度，对底板的结构和性能也有一定的影响，因而需要新的改进方案来更好地解决上述问题．新方案不宜新增排水设备，但又必须保证排水速度的稳定性，保证能有效减轻排水口被坝袋封堵的程度．同时又要尽可能不影响底板的结构性能和受力状态．此外，坝袋下沿渗水引起下游锚固构件锈蚀的问题，影响锚固力和坝袋的稳定性，也需要

采取必要的措施．

 

底板优化设计方案探讨

在橡胶坝工程实践中发现，很多橡胶坝都不同程度地有类似现象出现．目前我国正处于橡胶坝工程建设的快速发展期，建设高于5 m 的橡胶坝是我国橡胶坝工程领域的发展趋势．随着橡胶坝坝高的增加，坝袋过水时排水口周边的压力也会相应增大，该类现象也会更加明显或严重．上述现象对于橡胶坝工程的运行安全较为不利，通过改变运行方式所采取措施的实际效果并不理想，对工程综合效益的发挥也存在一定的不利影响．因而需要对橡胶坝工程设计方案做适当的改进，从根本上最大限度避免上述现象的发生，才能保证橡胶坝工程的运行安全并达到正常使用年限．为了更好地保护坝袋，同时使坝袋顺利排水，可以采用折线形底板，即将两条锚线之间，水帽周围的底板高程降低，将下游锚固线以下的底板设计成折线、水力曲线或弧线形．用沥青封填上游锚固槽，同时使排水管道位置靠近下锚线，便于坝袋内余水的排出l3]，也便于安装水帽．为了方便管理人员登上底板对坝袋进行养护维修、不影响坝袋的过水效果，下游底板水平面应有足够大的面积，底板的局部倾角也不能过大．图1和图2分别为高5 m、内压比1．6、上下游齿墙深1．6 1TI、底板厚0．8 m 的橡胶坝设计示意图和本文提出的弧线形改进方案剖面图．
橡胶坝袋图l 高5 m 的橡胶坝设计示意图
由于本文仅提出改进设想，不涉及具体尺寸的取值，故具体尺寸均略．图2中下游曲面的水平倾角为30。．图1、图2、图4中充排管道细部、上游引水及下游消能部分均略，如图2所示，采用这种设计主要有以下几方面优势．图2 高5m 的橡胶坝改进方案横向剖面不意图
(1)缩短坝袋坍平时间．依据现行SL227—98《橡胶坝工程技术规范》，坝袋单宽容积V一]／2R 0一坠 + H X
。，而底板中部形式的改变并不影厶响上述各数据的取值．一般情况下，锚固线之间低陷处的水不需要排出坝外，不会影响坝袋排水坍落时间．在坝袋接近坍平时，由于底板的折线形设计，部分余水会留存在坝袋内，一般情况下也不需要排出．底板的局部凹陷可增大排水口周围的局部坡降，而且该设计降低了排水口的高程，可改善坝袋排水口被封堵的情况，排水速度可以保持在一定水平．由于排水总量减少，排水速度变快，因而可缩短坍坝时间．
(2)有利于过水，保护坝袋，优化坝袋受力条件．在坍坝过水的过程中，下游底板的折线型设计可以减小阻水面积，利于过水．同理，如出现“小坝”，也可降低“小坝”的高度．同时水帽高程低于底板，基本在底板平面以下，坝袋坍平更完全，很大程度上可避免水中贝类、泥沙和漂浮物等在过坝水流的作用下对坝袋过水表面的磨损，从而达到保护坝袋的目的．在调研的过程中发现，底板的局部小面积凹陷并不会导致坝袋局部下陷．在坝袋自身受力条件和过坝水流的作用下，坝袋仍可保持平整．如凹陷面积过大则需采取其他必要措施防止坝袋局部下陷．坝袋坍平后，水平方向所受水流来水方向的推力将大幅减小，坝袋水平受
力条件有所改善，减小锚固构件在泄水时所承受的压力，保证工程的安全运行．
(3)用沥青封填锚固凹槽，可提高坝袋的气密性，延缓锚固构件的锈蚀，防止坝袋受损．沥青封填锚固槽后，坝袋锚固线处的气密性可大幅提高．封填上游锚固槽一定程度上可减轻水分对上游金属构件锈蚀的影响．该方案底板中部的弧线性曲面，可延长渗透路径．同时一部分渗透水也可沿着坝袋底垫片与底板凹陷处混凝土表面之间的空隙从排水口外侧的缝隙排出，渗透到下游锚固构件水量减少，沥青封填下游锚固槽则可减轻有氧环境对锚固构件锈蚀的影响．从而延缓下游锚固构件的锈蚀速度，可保持构件的锚固力，特别是可以保持上下游锚固构件锚固力的一致性．此外，该措施也可防止泥沙及异物在坝袋泄水时由于负压作用落人下游锚固槽内而造成坝袋磨损，从而有效保护坝袋．沥青封填锚固槽的更换及维护也较混凝土封填的方式更为方便．
图3 某橡胶坝充排水口照片
(4)折线形设计可增大坝袋下游侧的空间，因而可以缓解坝袋过水时沙石等过坝后因负压作用吸入坝袋底部，从而尽可能避免坝袋在坍坝时与沙石摩擦而受损，也有利于减轻坝顶溢流时坝袋因负压作用发生的振动．折线形设计也可减小坝顶溢流时水流底

板的夹角，有利于减轻水流对底板混凝土结构面的冲刷破坏，保持底板光滑，从而减轻坝袋因水流脉动与底板表面反复摩擦造成的损害．

(5)通过降低水帽周围局部底板的高度，水帽的布置基本不影响坝袋的坍平，因此可根据充排需要合理设计水帽的型式和尺寸，保证工程对坝袋充排时间的要求．图4 高5 rn的橡胶坝改进方案底板平面俯视不意图此外，该方案还有一些问题需要进一步研究：①折线型底板对底板整体受力的影响、对锚固构件与底板间的连接应力的影响还有必要通过实验研究，要进一步研究该方案对于底板自身整体性和稳定性的影响；②注意坝袋完全坍平后的局部褶皱状态对坝袋的影响：据调查，坝袋的曲挠破坏主要发生在上下游锚固槽位置以及坝袋坍落线处 ；③消力池等消能设施的设计计算可能要做出相应的调整；④要避免坝袋因底板末端过低而被泥沙掩埋或因生物蛭蚀而受损；⑤研究下游水流流态和消能设施作用的变化；⑥研究底板施工时立模与布置钢筋的方式；⑦ 研究钢板的安装、防护和维修的可行方式．

        从技术上看该方案是可行的．在实际调研过程中了解到，在工程实践中，由于充排水口周围的局部底板在管道安装完毕后，再填筑最后一部分混凝土．因而填筑时不需要模板，一次成型，工程开挖量基本不变，施工也较为简便．因此可以预见改进方案不会增加模板用量，施工难度不会增加太多，坝袋坍平后也较为平整，不影响过水，同时也可减轻泥沙等因素而造成的坝袋破坏．该方案主要适用于单向挡水的堵头式充水橡胶坝，至于下游锚固线以下曲线形式及其具体的倾斜角度和尺寸则要通过计算和试验确定．

 

2 结 语

橡胶坝底板设计改进方案可避免由于排水口被封堵而导致坝袋振动、拍打、排水不畅等不利于橡胶坝安全运行的现象，而且能够有效减小阻水面积，利于坍坝过水．该方案不会明显增大施工难度．受有关条件所限，本文尚没有对改进方案进行经济性分析，有待于在后续的研究中做进一步探讨．本文提出的底板设计改进方案可以提高橡胶坝坝袋的安全可靠程度、减轻坝袋的褶皱和磨损，有利于保证其达到预期的运行年限．因此，本文提出橡胶坝的底板改进方案具有一定的可行性和推广价值．