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摘要：橡胶坝作为一种新型的水利设施,其结构简单、造价低、工期短、抗震性能强、自重轻以及汛期不阻水等优点, 已被广泛应用于灌溉、发电、防洪、城市绿水工程等方面。本文主要分析了橡胶坝设计的计算条件、计算方法、型式选择, 为橡胶坝同类工程设计提供参考或借鉴。
关键词：橡胶坝；设计；供排水
1引言
橡胶坝由于其结构简单、造价低、工期短、自重轻以及汛期不阻水等优点, 在河道上广泛使用。目前, 橡胶坝在我国发展较快, 在广东省也得到了广泛的应用。水环境整治工程的实施不但可提高城市的防洪能力, 还可大大改善城区的水环境现状, 提高城市的品位, 充分利用水资源, 实现水资源可持续发展, 对改善该市整个投资环境等都起到十分重要的作用, 其防洪效益、环境效益、社会效益和经济效益均十分明显。
2 橡胶坝的设计
2.1 坝的高度及长度的确定
在本次设计中橡胶坝为对原有堰坝的钢筋混凝土活动闸门进行改建, 为不影响原有河道过水断面, 橡胶坝的底高程比原硬堰高程低0.1 m (橡胶坝塌坝后与原硬堰齐平) , 顶高程根据上游城区河道水位及水环境要求来确定, 橡胶坝长度与原堰坝相同。浪堰橡胶坝为重建工程, 为防止淤积及施工方便, 橡胶坝的底高程比现有河床高0.4 m , 顶高程根据上游河道水位需要来确定, 橡胶坝长度为河道规划堤肩距。从防洪及水环境整治等方面综合考虑, 最后确定坝的高度及长度为：胶坝高3.0 m ,长48 m;
2.2 坝袋的设计
1) 坝型确定
橡胶坝在实际运用中基本以充水式和充气式为主, 采用水气混合的较少, 在我国设计的橡胶坝主要以充水式为主。在本次设计中因这该条橡胶坝水位调节较为频繁, 橡胶坝顶要过水(一般不超过0.3 m) , 从稳定性及坝袋变形及水位调节等方面考虑, 选择充水式橡胶坝。
2) 坝袋内外压比值的确定
按照《橡胶坝技术规范》, 充水式橡胶坝内外压比值宜适用1.25～1.60。内外压比值与坝高成反比, 一般橡胶坝越高, 内外压比值取小值, 橡胶坝越低, 内外压比值取大值。本次设计主要根据坝高度、橡胶坝设计规范中的有关参数及已在运行橡胶的设计经验来确定内外压比值。最后确定3.0 m高的橡胶坝内外压比值为1.4 。根据实际运行状况看, 本次设计内外压比值还是比较合理的。
3) 锚固结构的确定
橡胶坝的锚固结构型式多样, 按锚固构件材料可分为螺栓压板式锚固、块挤压式锚固和胶充水式锚固3 种。在这3 种锚固中型式以螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固最为常用。楔块挤压式锚固是靠夯击后楔切挤压前楔块, 以达到锚固坝袋的目的, 锚固计算较为复杂, 故在本次设计中考虑螺栓压板式锚固中的穿孔锚固。穿孔锚固是在锚固部位将坝袋穿孔套进预埋的地埋螺栓, 用压板锚紧。穿
孔锚固的优点是施工安装和拆卸检修方便, 缺点是穿孔部位易渗漏和撕裂, 普通螺栓易生锈。为解决以上问题, 在本次设计中螺栓、螺帽及压板均采用不锈钢, 以防生锈; 在穿孔两侧用胶片作补强, 以防渗漏和撕裂(见图1)。
图1 穿孔锚固示意
2.3 充排水系统
该条橡胶坝处在佛山市城区河道上, 防洪位置较为重要, 如何减少运行过程中对防洪的影响至关重要。在橡胶坝工程中对防洪影响最大的因素是橡胶坝的洪水来临时的塌坝时间, 塌坝时间的长短直接关系到是否抬高上游水位。在本次设计中我们采用了塌坝时坝袋内水机排和自排相结合的排水方法。非洪水期以自排为主, 时间控制在2 h之内,有时也结合机排; 洪水期先自排、机排相结合, 自排不能进行时, 就完全机排, 并确保在1 h之内完全塌坝。在设计中对排水泵的选择和排水管大小的确定较为重要, 主要根据坝袋的容水量来确定。根据总水量在完全机排1 h 之内排完的情况下, 来选择排水泵和充排水管大小。郑家堰橡胶坝、讨饭堰橡胶坝、小江堰橡胶坝排水泵是选择离心泵ISW200 —200A (配11.0 kW电动机) , 充排水管采用φ400 螺旋焊接管; 浪堰橡胶坝排水泵是选择离心泵ISW200 —200 ( I) A (配1 8.5 kW电动机) , 充排水管采用φ600 螺旋焊接管, 从理论上都能在1 h之内完全排完, 在实际运行中也达到了该效果。
3 计算机自动监控系统
为了科学调度, 及时掌握水文、水情及橡胶堰坝调控等情况, 采用具有遥控、遥测、遥信功能和各类信息处理功能的计算机自动监控系统显得尤为必要。
橡胶坝工程监控系统采用全微机综合自动化监控方式(以下简称计算机监控系统) , 按少人值班方式设计。整个系统采用分层分布式结构, 按监控系统的结构和功能分为2 个层次: 第一层称为上位机(计算机部分) , 主要由工业控制计算机组成;第二层称为现地控制单元LCU , 主要是由可编程控制器(PLC) 组成(见图2、图3) 。
图2 中控系统原理
•
图3 监控系统结构
3.1 系统结构及功能
计算机监控系统采用分层分布式结构系统, 控制中心硬件设备采用Intel 技术。操作系统采用Windows 2000 操作系统。主要监控泵的启停控制、动闸阀控制、深孔闸的定位、上升、下降。
3.2 上位机结构及功能
整个计算机监控系统控制中心设备由1 台操作员工作站(作为泵站的控制中枢) 、1 台显示器和1台打印机、不间断电源、控制台等设备组成。上位机完成整个系统实时状态及参数的采集与处理, 包括各个电动阀门的位置状态及动作状态; 水泵的动作状态; 上、下游实时水位; 水箱(或竖井) 水位; 橡胶堰坝内压及高度; 深孔闸开度等。远方控制是对各电动阀门, 进水泵、排水泵、深孔闸门进行控制。
3.3 现地控制单元结构与功能
现地控制单元(控制屏柜) 主要由可编程控制器( PLC) 、智能交流电参数测量仪表、触摸屏(PT) 、智能视频切换控制器、漏电保护开关、自动空气开关、交流接触器、热继电器、中间继电器等元器件组成。在现地控制单元上, 可通过触摸屏的控制按钮, 对进水泵、排水泵、电动阀门进行相关的操作。接收现场设备(包括超声波液位变送器、压力变送器、液位变送器、闸门开度仪) 传来的4～20 mA的电流信号, 经过PLC 处理转换成数字信号并在触摸屏上显示。接收上位机传来的控制命令, 并向上位机传送数据。
3.4 视频监控系统
视频监控系统设置2 只球形摄像机, 监控室外(橡胶坝) 1 只, 室內中控室1 只。视频图像在视频监视器上显示, 通过视频控制键盘可对室内, 室外的摄像机进行切换, 以及摄像头上、下、左、右、远、近的控制。
3.5 控制工艺
橡胶堰坝高度的变化与橡胶堰坝内水的容量、充水箱水位、上下游水位、橡胶堰坝袋的内压有关。通过超声波水位测量仪及压力变送器, 将这些信号转化为4～20 mA的模拟量, PLC 将模拟量通过运算转化成数字信号送到上位机, 并通过上位机的高速运算计算出橡胶堰坝的高度, 同时这些参数也能在上位机和触摸屏上显示。橡胶堰坝高度控制分为自动控制和手动控制。橡胶堰坝高度设定值根据防汛办调度指令进行设定, 高度在0～3 m内任意给定和调节。控制室内的计算机和触摸屏通过数据库系统可实时监视设备的运行数据和现场工作状态, 并可根据实际情况手动操作现场设备。这个堰坝均已投入运行, 在防汛调度、水资源
管理、水环境等方面正日益显现其显著的经济效益和社会效益。据统计分析, 2006 年度通过计算机自动调控该条橡胶堰坝, 多利用了3 400多万m3 水量, 仅直接发电效益就达50 多万元。在社会效益方面, 为确保城区居民的生活、生产用水, 在上游水源供给严重不足的情况下, 做到了既保障有力,又科学节水, 为诸暨市的经济发展和社会安定作出了重大贡献。
4 结语
橡胶堰坝作为一种新型的水利设施, 以其灵活的调节方式、调度运行优势同旧式堰坝陈旧的设施、运行的不配套形成鲜明的对比, 同时, 计算机自动监控系统的应用, 使橡胶堰坝的优势得到了进一步的拓展。诸暨市通过4 条堰坝的科学调控, 不仅在城区范围真正形成了防洪闭合圈, 而且在多拦洪水尾水, 增加城市河道的蓄水量, 充分利用水资源及改善生态环境等方面发挥了重要作用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：橡胶坝；设计；供排水
1引言
橡胶坝由于其结构简单、造价低、工期短、自重轻以及汛期不阻水等优点, 在河道上广泛使用。目前, 橡胶坝在我国发展较快, 在广东省也得到了广泛的应用。水环境整治工程的实施不但可提高城市的防洪能力, 还可大大改善城区的水环境现状, 提高城市的品位, 充分利用水资源, 实现水资源可持续发展, 对改善该市整个投资环境等都起到十分重要的作用, 其防洪效益、环境效益、社会效益和经济效益均十分明显。
2 橡胶坝的设计
2.1 坝的高度及长度的确定
在本次设计中橡胶坝为对原有堰坝的钢筋混凝土活动闸门进行改建, 为不影响原有河道过水断面, 橡胶坝的底高程比原硬堰高程低0.1 m (橡胶坝塌坝后与原硬堰齐平) , 顶高程根据上游城区河道水位及水环境要求来确定, 橡胶坝长度与原堰坝相同。浪堰橡胶坝为重建工程, 为防止淤积及施工方便, 橡胶坝的底高程比现有河床高0.4 m , 顶高程根据上游河道水位需要来确定, 橡胶坝长度为河道规划堤肩距。从防洪及水环境整治等方面综合考虑, 最后确定坝的高度及长度为：胶坝高3.0 m ,长48 m;
2.2 坝袋的设计
1) 坝型确定
橡胶坝在实际运用中基本以充水式和充气式为主, 采用水气混合的较少, 在我国设计的橡胶坝主要以充水式为主。在本次设计中因这该条橡胶坝水位调节较为频繁, 橡胶坝顶要过水(一般不超过0.3 m) , 从稳定性及坝袋变形及水位调节等方面考虑, 选择充水式橡胶坝。
2) 坝袋内外压比值的确定
按照《橡胶坝技术规范》, 充水式橡胶坝内外压比值宜适用1.25～1.60。内外压比值与坝高成反比, 一般橡胶坝越高, 内外压比值取小值, 橡胶坝越低, 内外压比值取大值。本次设计主要根据坝高度、橡胶坝设计规范中的有关参数及已在运行橡胶的设计经验来确定内外压比值。最后确定3.0 m高的橡胶坝内外压比值为1.4 。根据实际运行状况看, 本次设计内外压比值还是比较合理的。
3) 锚固结构的确定
橡胶坝的锚固结构型式多样, 按锚固构件材料可分为螺栓压板式锚固、块挤压式锚固和胶充水式锚固3 种。在这3 种锚固中型式以螺栓压板式锚固、楔块挤压式锚固最为常用。楔块挤压式锚固是靠夯击后楔切挤压前楔块, 以达到锚固坝袋的目的, 锚固计算较为复杂, 故在本次设计中考虑螺栓压板式锚固中的穿孔锚固。穿孔锚固是在锚固部位将坝袋穿孔套进预埋的地埋螺栓, 用压板锚紧。穿
孔锚固的优点是施工安装和拆卸检修方便, 缺点是穿孔部位易渗漏和撕裂, 普通螺栓易生锈。为解决以上问题, 在本次设计中螺栓、螺帽及压板均采用不锈钢, 以防生锈; 在穿孔两侧用胶片作补强, 以防渗漏和撕裂(见图1)。
图1 穿孔锚固示意
2.3 充排水系统
该条橡胶坝处在佛山市城区河道上, 防洪位置较为重要, 如何减少运行过程中对防洪的影响至关重要。在橡胶坝工程中对防洪影响最大的因素是橡胶坝的洪水来临时的塌坝时间, 塌坝时间的长短直接关系到是否抬高上游水位。在本次设计中我们采用了塌坝时坝袋内水机排和自排相结合的排水方法。非洪水期以自排为主, 时间控制在2 h之内,有时也结合机排; 洪水期先自排、机排相结合, 自排不能进行时, 就完全机排, 并确保在1 h之内完全塌坝。在设计中对排水泵的选择和排水管大小的确定较为重要, 主要根据坝袋的容水量来确定。根据总水量在完全机排1 h 之内排完的情况下, 来选择排水泵和充排水管大小。郑家堰橡胶坝、讨饭堰橡胶坝、小江堰橡胶坝排水泵是选择离心泵ISW200 —200A (配11.0 kW电动机) , 充排水管采用φ400 螺旋焊接管; 浪堰橡胶坝排水泵是选择离心泵ISW200 —200 ( I) A (配1 8.5 kW电动机) , 充排水管采用φ600 螺旋焊接管, 从理论上都能在1 h之内完全排完, 在实际运行中也达到了该效果。
3 计算机自动监控系统
为了科学调度, 及时掌握水文、水情及橡胶堰坝调控等情况, 采用具有遥控、遥测、遥信功能和各类信息处理功能的计算机自动监控系统显得尤为必要。
橡胶坝工程监控系统采用全微机综合自动化监控方式(以下简称计算机监控系统) , 按少人值班方式设计。整个系统采用分层分布式结构, 按监控系统的结构和功能分为2 个层次: 第一层称为上位机(计算机部分) , 主要由工业控制计算机组成;第二层称为现地控制单元LCU , 主要是由可编程控制器(PLC) 组成(见图2、图3) 。
图2 中控系统原理
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图3 监控系统结构
3.1 系统结构及功能
计算机监控系统采用分层分布式结构系统, 控制中心硬件设备采用Intel 技术。操作系统采用Windows 2000 操作系统。主要监控泵的启停控制、动闸阀控制、深孔闸的定位、上升、下降。
3.2 上位机结构及功能
整个计算机监控系统控制中心设备由1 台操作员工作站(作为泵站的控制中枢) 、1 台显示器和1台打印机、不间断电源、控制台等设备组成。上位机完成整个系统实时状态及参数的采集与处理, 包括各个电动阀门的位置状态及动作状态; 水泵的动作状态; 上、下游实时水位; 水箱(或竖井) 水位; 橡胶堰坝内压及高度; 深孔闸开度等。远方控制是对各电动阀门, 进水泵、排水泵、深孔闸门进行控制。
3.3 现地控制单元结构与功能
现地控制单元(控制屏柜) 主要由可编程控制器( PLC) 、智能交流电参数测量仪表、触摸屏(PT) 、智能视频切换控制器、漏电保护开关、自动空气开关、交流接触器、热继电器、中间继电器等元器件组成。在现地控制单元上, 可通过触摸屏的控制按钮, 对进水泵、排水泵、电动阀门进行相关的操作。接收现场设备(包括超声波液位变送器、压力变送器、液位变送器、闸门开度仪) 传来的4～20 mA的电流信号, 经过PLC 处理转换成数字信号并在触摸屏上显示。接收上位机传来的控制命令, 并向上位机传送数据。
3.4 视频监控系统
视频监控系统设置2 只球形摄像机, 监控室外(橡胶坝) 1 只, 室內中控室1 只。视频图像在视频监视器上显示, 通过视频控制键盘可对室内, 室外的摄像机进行切换, 以及摄像头上、下、左、右、远、近的控制。
3.5 控制工艺
橡胶堰坝高度的变化与橡胶堰坝内水的容量、充水箱水位、上下游水位、橡胶堰坝袋的内压有关。通过超声波水位测量仪及压力变送器, 将这些信号转化为4～20 mA的模拟量, PLC 将模拟量通过运算转化成数字信号送到上位机, 并通过上位机的高速运算计算出橡胶堰坝的高度, 同时这些参数也能在上位机和触摸屏上显示。橡胶堰坝高度控制分为自动控制和手动控制。橡胶堰坝高度设定值根据防汛办调度指令进行设定, 高度在0～3 m内任意给定和调节。控制室内的计算机和触摸屏通过数据库系统可实时监视设备的运行数据和现场工作状态, 并可根据实际情况手动操作现场设备。这个堰坝均已投入运行, 在防汛调度、水资源
管理、水环境等方面正日益显现其显著的经济效益和社会效益。据统计分析, 2006 年度通过计算机自动调控该条橡胶堰坝, 多利用了3 400多万m3 水量, 仅直接发电效益就达50 多万元。在社会效益方面, 为确保城区居民的生活、生产用水, 在上游水源供给严重不足的情况下, 做到了既保障有力,又科学节水, 为诸暨市的经济发展和社会安定作出了重大贡献。
4 结语
橡胶堰坝作为一种新型的水利设施, 以其灵活的调节方式、调度运行优势同旧式堰坝陈旧的设施、运行的不配套形成鲜明的对比, 同时, 计算机自动监控系统的应用, 使橡胶堰坝的优势得到了进一步的拓展。诸暨市通过4 条堰坝的科学调控, 不仅在城区范围真正形成了防洪闭合圈, 而且在多拦洪水尾水, 增加城市河道的蓄水量, 充分利用水资源及改善生态环境等方面发挥了重要作用。
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