付文楚，黃新磊，盧康，彭旭，萬(wàn)偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司， 武漢 430223）

1 引言

跨區(qū)域的大型調(diào)水工程是解決區(qū)域性水資源分配不均的優(yōu)良方案，為現(xiàn)代社會(huì)工農(nóng)業(yè)的正常發(fā)展提供了用水保障。為減少水資源在輸送過(guò)程中的損失，調(diào)水工程的渠道多采用“夯實(shí)土層+土工織物+襯砌結(jié)構(gòu)”的襯砌結(jié)構(gòu)，如南水北調(diào)工程，引江濟(jì)漢工程等。隨著工程的投入運(yùn)行，襯砌渠道結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)受到自然環(huán)境和工作荷載的侵蝕，如凍融破壞、土壤鹽分離子侵蝕、干濕循環(huán)破壞及水體沖刷等作用，從而導(dǎo)致襯砌渠道出現(xiàn)裂縫、凍脹、沖磨與空蝕等侵蝕破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅水利工程的安全運(yùn)行，制約工程效益的正常發(fā)揮[1]。為此，需要對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的破損及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

根據(jù)襯砌渠道損壞的規(guī)模大小，采取不同的修復(fù)方案。小范圍的襯砌板破損裂縫，采用潛水員水下注漿修復(fù)；針對(duì)大范圍的襯砌板破損，則需要?jiǎng)?chuàng)造干燥的修復(fù)環(huán)境，以拆除舊板，澆筑新的襯砌板。本文聚焦于為大范圍襯砌渠道修復(fù)，提供安全、可靠的干地修復(fù)環(huán)境這一難題展開(kāi)研究。

2 襯砌渠道修復(fù)的原則和方案

2.1 襯砌渠道的修復(fù)原則

水利工程中要想創(chuàng)造干燥的施工環(huán)境，離不開(kāi)形式多樣的導(dǎo)流技術(shù)和圍堰技術(shù)。根據(jù)施工環(huán)境的不同，合理地選擇導(dǎo)流和圍堰方案是水利工程順利進(jìn)行的前提。導(dǎo)流方案有全段圍堰導(dǎo)流和分段圍堰導(dǎo)流2種，相配套的常規(guī)圍堰方案有土方圍堰、土袋圍堰、鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰以及鋼吊箱圍堰等（見(jiàn)圖1、圖2）。這些常規(guī)圍堰在水利工程中均得到了成功的實(shí)踐，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。如全段土方圍堰導(dǎo)流方案用于船閘拆除和新建[2]，采用拉森Ⅲ型鋼板樁構(gòu)筑分段圍堰導(dǎo)流方案用于運(yùn)河渠底改造[3]，雙壁鋼圍堰構(gòu)筑分段導(dǎo)流方案用于深水河道的橋梁樁基礎(chǔ)施工等[4]。

圖1 全段導(dǎo)流圍堰

圖2 分段導(dǎo)流圍堰

大型調(diào)水工程往往擔(dān)負(fù)著沿線區(qū)域居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供水任務(wù)，一旦因渠道襯砌結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)作業(yè)造成供水中斷或者水體污染，將給社會(huì)平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)較大壓力。在大范圍襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)中采用全段圍堰導(dǎo)流方案，意味著需要開(kāi)挖導(dǎo)流明渠，或者敷設(shè)管道利用水頭壓力差實(shí)現(xiàn)自流，或者水泵抽排，存在經(jīng)濟(jì)性差、影響渠道輸水能力、難以長(zhǎng)期作業(yè)的問(wèn)題。采用土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段圍堰導(dǎo)流方案，則存在淤積渠道、污染水質(zhì)、破壞襯砌結(jié)構(gòu)的問(wèn)題[5]。

因此，適應(yīng)大型調(diào)水工程襯砌渠道修復(fù)作業(yè)的圍堰方案應(yīng)遵循以下原則：

1）圍堰在設(shè)計(jì)水深下能正常工作，同時(shí)應(yīng)盡量降低對(duì)渠道輸水能力和水質(zhì)的影響。

2）圍堰施工過(guò)程中不能對(duì)修復(fù)范圍以外的渠道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞。

3）圍堰應(yīng)能提供足夠空間、安全、穩(wěn)定的干地修復(fù)施工環(huán)境。襯砌渠道為減小混凝土的溫度應(yīng)力，通常在橫向和縱向每隔12 m設(shè)置1道通縫，每隔4 m設(shè)置1道半縫[6]。故圍堰所能提供的干地環(huán)境要與襯砌板數(shù)量相對(duì)應(yīng)，即干地環(huán)境長(zhǎng)度至少能滿足維護(hù)1塊襯砌板，并可根據(jù)需要通過(guò)增加圍堰長(zhǎng)度滿足多塊襯砌板的同時(shí)修復(fù)作業(yè)。同時(shí)，圍堰結(jié)構(gòu)需要在水流的沖刷和內(nèi)外水頭差的作用下，保持自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整體穩(wěn)定性以及防止渠道中水體滲流進(jìn)修復(fù)作業(yè)區(qū)，避免給施工作業(yè)帶來(lái)危險(xiǎn)。

4）圍堰應(yīng)能循環(huán)使用，并具有較高的經(jīng)濟(jì)性。圍堰的安裝拆除作業(yè)應(yīng)盡可能機(jī)械化、程序化，減少或避免水下作業(yè)，以減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足長(zhǎng)期高頻次的修復(fù)作業(yè)。

2.2 襯砌渠道的修復(fù)方案

面對(duì)苛刻的修復(fù)環(huán)境，常規(guī)圍堰導(dǎo)流方案并不適用于大型調(diào)水工程渠道大范圍的襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)。采用分段鋼結(jié)構(gòu)圍堰導(dǎo)流方案，成了襯砌渠道修復(fù)作業(yè)的最佳方案。結(jié)合梯形斷面襯砌式渠道邊坡的特點(diǎn)，按照襯砌渠道修復(fù)原則，分段鋼結(jié)構(gòu)圍堰導(dǎo)流方案可以分為貼坡式圍堰和半圍式圍堰2種型式。

南水北調(diào)中線滎陽(yáng)管理處曾采用由鋼結(jié)構(gòu)底座、鋼立柱及面板組成的半圍式鋼圍堰（見(jiàn)圖3），在水深約1 m的情況下，取得了試驗(yàn)成功。但在后續(xù)擴(kuò)大規(guī)模至3.5 m水深范圍內(nèi)，水平向長(zhǎng)度10～12 m的試驗(yàn)中，下水鋼圍堰下水難度大，以及未形成有效止水而導(dǎo)致試驗(yàn)中止。河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司曾提出一種跨度達(dá)48.6 m的貼坡篷式鋼圍堰（見(jiàn)圖4），該圍堰分為7跨，中間布置有6組1.2 m×2 m（寬×高）的鋼桁架支撐。由于鋼桁架占?jí)阂r砌板，不能一次性完成修復(fù)作業(yè)，需要通過(guò)調(diào)整鋼桁架支撐位置，交替完成襯砌板的修復(fù)[7]。

圖3 半圍式鋼圍堰

圖4 貼坡篷式鋼圍堰

3 組合式鋼浮箱圍堰方案及其穩(wěn)定性計(jì)算

基于目前應(yīng)用于襯砌渠道修復(fù)施工的鋼圍堰存在的不足之處，一種將鋼浮箱作為基材，用于結(jié)構(gòu)組合式分段鋼圍堰導(dǎo)流方案被用于襯砌渠道修復(fù)。

3.1 組合式鋼浮箱圍堰方案

圖5 組合式鋼浮箱圍堰方案典型布置圖

組合式鋼浮箱圍堰方案（見(jiàn)圖5）由標(biāo)準(zhǔn)浮箱、坡角浮箱、標(biāo)準(zhǔn)圍堰板、坡角圍堰板、支撐桁架以及相關(guān)配套器材等組成。標(biāo)準(zhǔn)浮箱由面板和縱橫骨架焊接形成的封閉鋼結(jié)構(gòu)，單個(gè)尺寸為8.86 m×3 m×2.1 m，重量128.5 kN（12.85 t）。標(biāo)準(zhǔn)圍堰板是由面板和縱橫骨架焊接形成的板架結(jié)構(gòu)，單個(gè)尺寸為4.62 m×3.1 m×0.3 m，重量21.1 kN（2.11 t）。為適應(yīng)不同梯形斷面渠道的邊坡，在標(biāo)準(zhǔn)浮箱和標(biāo)準(zhǔn)圍堰板的基礎(chǔ)上，改造出適應(yīng)相應(yīng)邊坡比的坡角浮箱和坡角圍堰板。浮箱之間，以及浮箱與圍堰板通過(guò)單雙耳接頭連接成剛性整體。通過(guò)增加標(biāo)準(zhǔn)浮箱和標(biāo)準(zhǔn)圍堰板的數(shù)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的襯砌板修復(fù)作業(yè)區(qū)。

以修復(fù)6 m水深，渠道邊坡比1∶2.5，水流流速1 m/s為例，組合式鋼浮箱圍堰布置單列橫置縱向浮箱共21個(gè)，圍堰板11塊。圍堰分為位于斜坡上垂直水流方向的橫向圍堰和位于坡底順?biāo)鞣较虻目v向圍堰。

3.2 組合式鋼浮箱圍堰方案穩(wěn)定性校核

相比較與傳統(tǒng)圍堰方案的危險(xiǎn)點(diǎn)在接頭和邊坡連接處，鋼浮箱圍堰的模塊化程度高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，連接方式可靠[8，9]，它的危險(xiǎn)點(diǎn)在于整個(gè)系統(tǒng)抵抗水流沖刷、水頭壓力時(shí)的穩(wěn)定性。

如圖6所示，靜水壓力F靜水1為水流對(duì)圍堰的傾覆和滑移作用，靜水壓力F靜水2為水流對(duì)浮箱頂部的垂直壓力。G1為箱體自重，G2為壓載水重量，取浮箱體積的90%。F沖擊為水流對(duì)圍堰的沖擊力，主要作用于垂直于水流方向的圍堰設(shè)備。

圖6 圍堰受力模型

3.2.1 抗滑移穩(wěn)定校核

鋼浮箱圍堰抗滑移穩(wěn)定需要校核縱橫向圍堰與襯砌板的摩擦力能否抵消水流對(duì)圍堰的作用力，使圍堰不發(fā)生滑移。

水流對(duì)圍堰的沖擊力按式（1）計(jì)算：

式中，A為圍堰受水流沖擊的面積；V為渠道束窄后流速，取2.5 m/s（安全系數(shù) 1.25）；ρ為水的密度 103kg/m3；k為繞流系數(shù)，對(duì)本圍堰取0.7；α為水流沖擊方向與阻流面的夾角，取 90°。

縱橫向圍堰抗滑移校核結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，縱橫向圍堰工作時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移。

表1 不同止水方案的抗滑移能力校核 kN

3.2.2 抗傾覆校核

在進(jìn)行抗傾覆校核時(shí)，縱橫向圍堰具有圍繞內(nèi)側(cè)與襯砌板接觸位置旋轉(zhuǎn)傾覆的傾向，故分別計(jì)算傾覆力矩和防傾力矩。

橫向圍堰箱體G1和壓載水G2產(chǎn)生的防傾力矩為：

式中，G為橫向圍堰箱體自重和壓載水重力之和，取3 125.06 kN；θ為渠道邊坡角度，取21.8°；L為橫向圍堰箱體和壓載水重力作用力臂，取4.43 m。

橫向圍堰受到的縱向靜水壓力F靜水1產(chǎn)生的傾斜力矩為：

式中，ρ為水的密度取，1×103kg/m3；h為水深，m。

則橫向圍堰受到的垂直箱體的靜水壓力F靜水2產(chǎn)生的防傾力矩為：

則橫向圍堰受到的水流沖擊力F沖擊產(chǎn)生的傾斜力矩為：

故有：

從而橫向圍堰不會(huì)發(fā)生傾覆，滿足抗傾覆要求。

同理，可以校核縱向圍堰不會(huì)發(fā)生傾覆，滿足抗傾覆要求。如表2所示。

表2 縱向圍堰抗傾覆校核 kN·m

3.2.3 提高穩(wěn)定性的錨定方案

為了進(jìn)一步提高整套圍堰系統(tǒng)的穩(wěn)定性冗余度，防止整個(gè)圍堰系統(tǒng)在安裝或下沉過(guò)程中發(fā)生不可控位移，在上游、下游及對(duì)岸可布置錨定系統(tǒng)，主要包含200 kN和50 kN系泊絞車、帶纜樁、系留索總成等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文歸納總結(jié)了襯砌渠道的修復(fù)原則，認(rèn)為常規(guī)土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段導(dǎo)流圍堰方案和全段導(dǎo)流圍堰方案，并不適用于要求嚴(yán)苛的大型調(diào)水工程渠道大范圍的襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)。而將多個(gè)鋼浮箱組合成的鋼圍堰，通過(guò)增加模塊化的浮箱和圍堰板數(shù)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的襯砌板修復(fù)作業(yè)區(qū)，具有較大的施工靈活性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)其穩(wěn)定性滿足要求，能夠適應(yīng)襯砌渠道養(yǎng)護(hù)作業(yè)。