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水 利 学 报

２０２５年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０６ － ０８１８ － １３

水－ 气充罐式双层橡胶坝受力及变形特性研究

高 鑫 １，２，３ ，王天亮 ２，３ ，周政国 ２，３ ，杜 洋 ２，３ ，郭 伟 １
（１．天津大学 建筑工程学院，天津 ３００３５４；２．中建六局水利水电建设集团有限公司，天津 ３００３５０；
３．中国建筑第六工程局有限公司工程技术研究院，天津 ３００１７１）

摘要：橡胶坝多用于城市河渠截流蓄水，是绿色、低碳、经济的柔性水工堰坝结构。受限于材料技术及生产制造
工艺发展，现有橡胶坝挡水水位低，高橡胶坝建设面临整体投资高及技术滞后等问题。本文提出了上层坝袋充
气，下层坝袋充水的水－ 气充灌式双层橡胶坝。基于有限差分法建立了坝袋结构－ 流体力学模型，通过大比尺模型
试验证实了模型的准确性。分析了上游水位、充气压力、压力水头、锚固间距和坝袋周长比对坝袋受力变形特性
及张拉力的影响。结果表明：增加水位，坝高先增后降，坝宽、接地宽度及张拉力持续增加，上下层坝袋截面积
Ｌ、压力水头 Ｈ ＝ ０．４５ Ｌ、锚固间距
２
ｉ１
持续降低；得到的最优参数为坝袋周长比 Ｌ?Ｌ＝ ０．９ 、充气压力 ｐ ＝ ０．２０ γ ｗ １ ｉ２ １
１
Ｄ?Ｌ＝ ０．０６、上述参数下临界水位 Ｈ ＝ ０．３７５Ｌ；基于最优结构参数，得到了设计计算参数表，可用于水 － 气充灌
１ ｃｒ １
式双层橡胶坝的设计计算。
关键词：水工结构；橡胶坝；截面形状；张拉力；挡水性能
中图分类号：ＴＶ６４４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０２７４
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

橡胶坝有充水式与充气式之分，常用于河道、渠道截流，形成不同功能的堰坝，坝高可调节，坝
顶可溢流 ［１］ ，具有拆装方便、灵活性强、调节范围大等优点 ［２ － ３］ 。充水式橡胶坝由于水比重很高和不
可压缩性会显著改善坝袋受脉动荷载的振动磨损作用，抗振性较好。充气式橡胶坝可快速充坝挡水和
塌坝泄洪，对密封性要求更严，同一条件下挡水水位较高，但抗振性能及自身稳定性较差 ［４ － ５］ 。目前，
橡胶坝由低位小跨度向高位大跨度发展，坝袋材料逐渐向低拉伸和高强度发展，受限于材料技术及生
产制造工艺发展，橡胶坝普遍挡水高度在 ３．０ｍ 以下，挡水水位低 ［６］ 。随着中小型水利建设事业的发
展，高橡胶坝建设的需求与日俱增，亟需寻求可持续发展的橡胶坝工程优化技术。
橡胶坝在内、外荷载作用下膨胀及压缩变形较大，受力变形特征、运动模式、截面形状及张拉力
是国内外学者研究的重心。静态时考虑截面形状、临界水位及张拉力 ［７ － ９］ ；溢流时考虑水流流态、水
舌轨迹及流量系数 ［１０ － １２］ ；脉动荷 载时 考虑坝 袋振动频率、振 型 及 共振 效 应 ［１３ － １５］ 。Ｈａｒｒｉｓｏｎ ［１６］ 、Ｗｕ
等 ［１７］ 、Ｇｅｂｈａｒｄｔ等 ［１８］ 、陆吾华等 ［１９］ 采用薄膜理论计算坝袋内力，并结合坝袋几何性质给出截面形状
及容积计算公式。Ｇｈａｖａｎｌｏｏ等 ［２０］ 、Ａｌｈａｍａｔｉ等 ［２１］ 、Ｐｌａｕｔ等 ［２２］ 、张彦虎等 ［２３］ 基于流体与膜的静力作
用对截面形状及张拉力进行理论推导，并编制程序进行数值迭代求解。Ｈｓｉｅｈ等 ［２４］ 、Ｈｕｏｎｇ等 ［２５ － ２６］ 、
Ｋｉｍ等 ［２７ － ２８］ 、Ｇｕｏ等 ［２９ － ３０］ 采用有限差分法对不同形式土工膜管袋的受力变形特性进行研究。苑希民
等 ［１０］ 采用大比尺水弹性橡胶坝模型，研究了橡胶坝静力变形及溢流时的动态特性。陆吾华等 ［１４］ 基于

收稿日期：２０２４ － ０５ － １１；网络首发日期：２０２４ － １２ － ３０
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４１２２７．０９０７．００１
基金项目：天津市科技计划项目（２０ＪＣＪＱＪＣ００２２０）；国家自然科学基金项目（５１８７８４４６，５２１７１２７３，５２１０８３３５）
作者简介：高鑫（ １９８９ － ），博士后，主要从事水工结构及土工管袋研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｘｉｎｇａｏ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：郭伟（１９８２ － ），教授，主要从事岩土工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｘｔｙｆ１１１＠１６３．ｃｏｍ
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