充水式橡胶子堤的设计研究

1、充水式橡胶子堤的设计研究2003年第4期(第21卷总225期)东北水利水电3【文章编号】1002一o624(2oo3)o4000303充水式橡胶子堤的设计研究董丽荣,李明,金东春,野丽君(1.水利部松辽水利委员会,吉林长春130021;2.长春工程学院,吉林长春130012)【摘要】充水式橡胶子堤是由若干个橡胶水囊单体和防渗护坦等组成.文中对充水橡胶子堤的结构组成,关键技术,技术指标;结构设计;gi”属设备与应用材料设计进行了介绍.【关键词】充水式;橡胶子堤;设计【中图分类号】TV222目前松花江防洪体系远未形成,堤防防洪能力不高,特别是抵御超标准洪水时,有时需要加修子堤进行挡水或防波浪冲刷.

2、特别是1998年特大洪水,嫩江,松花江靠子堤挡水或防浪的堤防长度达到数百公里,使用了大量的人力,物力,由于制作子堤的物料只能一次性使用,造成了浪费和环境污染.为解决子堤加固技术和降低抢险的劳动强度,结合历年江河抗洪抢险的实践,对松花江应急挡水,子堤进行了一系列的试验研究,其中充水式橡胶子堤就是此次研究的一项重要内容.充水式橡胶子堤是由若干个橡胶水囊单体和防渗护坦等组成.橡胶水囊充水后形成挡水坝主体,包裹覆盖在水囊和原堤顶上的护坦起挡水,防渗作用,两者组合实现子堤功能.1组合式充水橡胶子堤简介,(1)结构组成组合式充水橡胶子堤结构有充水橡胶囊,复合土工布护坦,充水管3部分组成.充水橡胶囊:有3个

3、橡胶囊袋组成,在3个橡胶囊外用复合土工布围裹,将3个橡胶囊连成一体,每个橡胶囊各自密闭,以增加运行中的安全程度.复合土工布护坦:在水囊前加设护坦.宽1.3rfl,护坦布与水囊外包布成Y字形连接,水囊包布用绳连接将水囊包裹在Y字形土工布中.埋设护坦,在护坦迎水侧,开设沟槽(深30cm,宽5cm)将护坦埋实,起到防渗抗滑双重作用.充水管:充水管由6条管组成,3个水囊的3条充水管与3个排气管组成.多个充水橡胶子堤单元连接及坝前扩坦组成重力坝,起挡水作用.护坦与充水胶囊贴地部分起【文献标识码】A防绕渗作用.(2)关键技术充水子堤结构稳定:一是结构抗滑稳定,以3个橡胶囊袋充水和护坦组成重力坝,抗滑稳定系

4、数在有风浪时达到2.6,无风浪时达到4.0;二是抗倾斜稳定远大于安全要求.充水子堤防渗措施:为了满足子堤与母堤顶的绕渗安全要求,在水囊前加设护坦,渗径安全系数大于1.5,子堤底宽3.0rfl.充水子堤单元连接与密封,见图1.双边凸凹胶片套穿绳图1充水子堤单元连接与密封图(3)技术指标技术指标见表1.表1技术指标表挡承深度设计河面竟抗滑稳定安全系数I单元重量构筑速度保管年限0.8m42.6-4.0<l如4时l,k/m15年2组合式充水橡胶子堤结构设计2.1设计要求防御母堤顶上0.8rfl高洪水,抵御5m/s风浪.【收稿日期】20021021【作者简介】董丽荣(1958一),女.吉林敦化人,

5、高级工程师.从事防汛管理工作.4东北水利水电2003年第4期(第21卷总225期)2.2充水子堤组成与水囊设计充水式橡胶子堤组成(充水式橡胶子堤以下简称充水子堤).采用充水橡胶囊组成子堤,由3个橡胶囊及土工膜护坦与充水管.(1)底水囊基本尺寸计算水囊上顶曲率半径:R=8/(?(册一日)式中R一水囊上顶曲率半径,m;7一水比重;8_-水囊设计水压时内应力;H0一内水压高;日._夕I-水压高.曲面夹角参数:sin(的=sin(2?a一1)/a=6舛式中查椭圆积分表:F(K)=2.5;E(K)=1.18;内外水压比取1.5.水囊下游段帖地长计算:S1=(2?a一1)/(2?a)?F(K)?H=0.9

6、5m.水囊下游段贴地长计算:髑=(+(a一.1)/(2?a)?F(一?E(K)l?H=0.1786m.上游段弧长:SO=R?0=0.896m;夹角计算:0=sin(N/R)=90o(弧度1.57).水囊上游段贴地长计算:/V=1/(2(d一1)H1=0.57m水囊总周长:=/V+SO+XO+S1=2.59m,按圆周计算水囊周长2.51m.(2)上水囊基本尺寸计算水囊上顶曲率半径:R=8/(7?(棚一脚)=1.8.参数:sin(的=sin(2?Q一1)/a=66o42.查椭圆积分表:F(=2.5;E(=1.18.水囊上下游段弧长计算:51=(2?HO一/-/)/(4?(a一1)?/3+(2HO一

7、/-/)/(2?a)?F=1.877m.水囊上下游段贴地长计算:XO=(a?HO+(a一1)/(2?a)?F(K)一HO?E(K)+(2?(HO一/-/)/(2?(a一1)=0.871m.水囊总周长:=/V+SO+XO+S1=2.749m按圆周计算2.51m.(3)受力计算水囊内力:=1/27(a一1/2)H1式中卜坝袋径向计算强度,t/m;水的容重,t/m3;a一内压比HO/-/;H0卜-.内压水头,m;m一设计坝高,m;水囊内水压力HO=1.2m;水囊外水压力日=0.8m;单水囊重G=0.50t;下水囊内外水压比Q=1.5;上水囊内外水压比Q=1.5.低部水囊无水压时内应力:=(HO?H)

8、/2=0.353t/m,2=3.53kg/emo上部水囊无水压时内力:a=3.24kg/emo下部水囊有水压时内应力:=1.62kg/emo土工布片坦内力:坦前最大拉力按承担1/2水压力计算:=Y?/4=0.159t/m.水囊与-t”.32布片坦连接处拉力,按水囊拉力取用.(4)水囊稳定计算根据计算.只有水囊无法达到抗滑稳定,更无法满足防渗要求,所以在水囊前,加设土工布护坦.护坦长计算:工=一乩=1.5m式中S安全渗径3.2m;S已充水子堤贴底长度.水囊侧压力静水位侧压力:PH=7?112/2=0.318t/m.浪高:hl=0.0208?JB)=0.31.风速=6,水面宽B=4,.浪压力安全系

9、数1.3.最大浪压力:R一=1597?K?H1=0.640t/mo水浪侧压力:RF=1.59y?K?胁/2?H1=0.099水囊垂直力水囊重力:P=7/,?G=1.635t/m式中r广_水囊个数;Gl_单水囊每米重.护坦匕水压力:PT=?Y?H=O.8t/n水囊匕水重PTO=0.19no水囊扬压力:IF=7?LS-H/2=0.94t/m.护坦地下埋人抗拉力:根据试验抗拉力当埋土深30cm时.80kg/lOcmo每米抗拉力:R=0.0810=0.8no稳定平衡计算:需要稳定力:F=(PH+R?K=O.5t/m式中瑚合荷载稳定安全系数取1.2.水囊阻滑力:2003年第4期(第21卷总225期)东北

10、水利水电5G=(P+PT+PTO一,+R=1.306t/m式中,水囊与坝顶摩擦系数取0.3;稳定安全系数K:1.306/0.5=2.612达到稳定要求;无风时稳定安全系数K达到4.088l.(5)渗透计算子堤防渗长度计算:按安全渗径长度计算L=C?H=3.2m式中c-_渗径系数取4;日L母堤上设计水深0.8m.渗透系数c值,见表2.裹2渗透系数C值裹渗流逸出允许坡降值:J=/K式中卜允许坡降0.25;.,卜破坏坡降;玉,_安全系数1.5.要求渗径:L=日/J=3.2m.水平平均渗流坡降允许值见表3.裹3水平平均渗流坡降允许值裹(6)水囊防洪时外型计算水囊外形可按软薄壳承重结构计算,即水囊各点只

11、承受拉力而不承受弯矩和切力,而水囊在内水压力作用下,各点内应力是相等的,此时水囊各点曲率半径等于拉应力与该点处所受内外压差的比:r=o/P式中一水囊受水压力差,m;P=H1一H;月1一单水囊高,m;月-_水囊各点至地面高,m.护坦连接段外型计算:按软博壳承重与两圆相切公式计算.按相切圆关系d=2(R1?R2)=0.65.(7)不同方案比较分别对3个,2个和1个(800mm)水囊加护坦的水囊工作状况,抗滑安全系数与渗经长度等指标进行了比较分析,认为3水囊方案最优.其型号为CXZD80;有风浪时抗滑安全系数为2.6,无风浪时抗滑安全系数为4.0;子堤宽3m;高1.3m;防洪高0.8m;护坦长1.3

12、m.3附属设备与应用材料设计(1)充水系统与子堤单元间连接水泵选择.抗洪抢险中充水子堤装配时间设定每5人每8h装配100m子堤.水泵需要流量18.84m3/8,选择水泵50BPZ一20,装机2206.49W,扬程20.5m吸程自吸时间1208.进水管与进水阀.选用与水泵出口等经50mm的进水管和消防用出水栓,排气孔直径应为进水口直径的1/4.每10m长充水子堤为一段,各子堤间用护坦布穿绳连接,护坦布承受拉力.充水系统与子堤单元间连接是采用无密封大拉锁与双边矩形对接套组成双层管道,内用充气囊密封.双边凸凹矩形对接套只承担拉力,而密封由密封充气囊完成.为对比密封效果和造价,密封方法另采用发泡塑料方案进