趙江河

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511300)

0 引言

我國(guó)水資源分布極不均衡，為解決這一問(wèn)題，規(guī)劃修建了許多輸水工程來(lái)調(diào)節(jié)水資源，如南水北調(diào)工程以及正在規(guī)劃中的紅旗河工程，輸水工程可為沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境發(fā)展帶來(lái)積極作用。

在輸水工程中，為穿越河流、凹地、低谷或者其他障礙物時(shí)，經(jīng)常采取的措施是修建倒虹[1-2]。隨著水利工程技術(shù)的不斷成長(zhǎng)，長(zhǎng)距離、大流量的倒虹管工程逐漸增多，為確保結(jié)構(gòu)的安全性，倒虹管很多時(shí)候采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的方式，但在復(fù)雜的工作環(huán)境下，倒虹管極易發(fā)生開(kāi)裂或者滲漏[3]，同時(shí)在施工過(guò)程中也容易產(chǎn)生一些施工病害，這些施工病害將影響倒虹管的使用壽命和輸水功能，因此，有必要針對(duì)這些施工病害展開(kāi)專(zhuān)項(xiàng)研究。

本文以貴州省北干渠輸水工程倒虹管施工工程為例[4-5]，對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)的波紋堵塞問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程概況

北干渠為黔西附廓水庫(kù)～金沙縣城關(guān)鎮(zhèn)賴關(guān)的輸水工程，全長(zhǎng)51.592 km。其中：北干渠9標(biāo)全長(zhǎng)16.094 km(樁號(hào)35+433～51+527)，包含3條隧洞、5座倒虹管及9段渠道。5座倒虹吸工程分別為周家堰倒虹管、龔家寨倒虹管、大灣倒虹管、龍?zhí)恋购绻芤约盀躞浜拥购绻?，長(zhǎng)度分別為1230 m、706 m、416 m、960 m和677 m，進(jìn)口底板高程分別為1195.308 m、1192.308 m、1189.247 m、1187.965 m和1183.745 m，倒虹管設(shè)計(jì)流量均為14 m3/s，雙管布置，管道直徑D=2 m[3-5]。倒虹管標(biāo)準(zhǔn)斷面示意見(jiàn)圖1。

圖1 倒虹管標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

工程區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒嘏瘽駶?rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量為977.4 mm，多年平均氣溫13.9℃，多年平均相對(duì)濕度為82%，多年平均風(fēng)速為1.6 m/s，多年平均日照時(shí)數(shù)為1284.7 h。渠線總體走向近南北向，沿線河流深切，溝谷眾多，巖溶發(fā)育，地表高程一般在1150 m～1410 m，溝谷切割深50 m～300 m，為峰叢洼地巖溶地貌。輸水線路沿線地形坡度20°～40°，岸坡多為斜向或橫向坡，局部為順向及逆向坡。

2 施工病害分析

由于我國(guó)大部分虹吸管建設(shè)年代較為久遠(yuǎn)，在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等方面均存在不足，導(dǎo)致倒虹管運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些病害問(wèn)題，如管道斜坡段坡體滑坡失穩(wěn)、管身段裂縫、止水破壞等。倒虹管在施工過(guò)程中經(jīng)常遇到問(wèn)題包括：一是由于鋼絞線張拉不到位，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力伸長(zhǎng)量實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值存在較大差距；二是由于部分倒虹管安裝過(guò)程中存在孔道堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼絞線無(wú)法張拉。

在本標(biāo)段倒虹管施工過(guò)程中，主要出現(xiàn)的施工病害為波紋管堵塞導(dǎo)致預(yù)先放置的預(yù)應(yīng)力索無(wú)法拉動(dòng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，認(rèn)為出現(xiàn)波紋管堵塞的原因可能是以下幾種情況導(dǎo)致：(1)波紋管接頭處堵孔，這種情況最為普遍，這種情況主要是由于波紋管與接頭管套接長(zhǎng)度不足或者波紋管的固定筋間距太大造成的；(2)波紋管中部堵孔，這種情況出現(xiàn)的頻率較少，主要是由于波紋管密封性能差、混凝土振搗棒將波紋管搗破、搗偏或者焊渣滴落燒破波紋管所導(dǎo)致；(3)穿束過(guò)程中堵孔，這種情況較為少見(jiàn)，出現(xiàn)這種情況的主要原因是波紋管切割后帶毛刺，切面傾斜不順接，亦或是波紋管接口對(duì)接不牢固、管口變形不規(guī)則、鋼筋束頭打磨不光滑所導(dǎo)致。

3 堵塞加固技術(shù)

3.1 加固方案

倒虹吸波紋管出現(xiàn)堵塞施工病害，有可能會(huì)給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)隱患，因此，必須采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。常用的加固補(bǔ)強(qiáng)措施包括增大截面加固法、外包鋼加固法、增設(shè)節(jié)點(diǎn)加固法、粘貼碳纖維布加固法、在相鄰孔道增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋加固法等，在選擇加固補(bǔ)償方法時(shí)，需要綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，要保證既不影響正常的輸水性能，又能確保加固方案方便施工。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，認(rèn)為粘貼碳纖維布加固法和相鄰孔道增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋加固法兩種方法比較適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)倒虹管堵塞問(wèn)題進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)[6-7]。

粘貼碳纖維布加固法的原理是利用纖維布在受損部位承擔(dān)拉應(yīng)力，從而提升結(jié)構(gòu)的承載能力和抗裂能力，其施工步驟可簡(jiǎn)述為：(1)清理構(gòu)件表面；(2)構(gòu)件表面找平；(3)涂抹底膠；(4)粘貼碳纖維布。相鄰孔道增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋加固法的加固原理是在相鄰孔道中增加一束預(yù)應(yīng)力筋來(lái)對(duì)管道堵塞受損部位進(jìn)行加固，其本質(zhì)上是通過(guò)改變預(yù)應(yīng)力筋受力面積來(lái)增大承載力和抗裂能力。

3.2 有限元模型

波紋管堵塞后的首要工作是要確定和判斷堵塞點(diǎn)的具體位置，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：波紋管堵塞的主要位置集中在倒虹管底板處，而頂板和豎墻位置處的堵塞現(xiàn)象較少，因此在建立有限元模型時(shí)將倒虹管底板正中心位置設(shè)置為堵塞點(diǎn)。有限元模型均采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，波紋管管身、混凝土、土層等均采用SOLID45三維非線性實(shí)體單元，鋼筋選用LINK8桿單元，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用線單元，普通鋼筋采用整體法模擬，預(yù)應(yīng)力筋選用分離式法進(jìn)行模擬。模型采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)選在結(jié)構(gòu)下角點(diǎn)，x方向表示倒虹管橫向，y方向表示倒虹管豎向，z方向表示倒虹管縱向，底部(豎向)施加固定約束，左右兩個(gè)倒虹管側(cè)面施加橫向位移UX，前后兩節(jié)倒虹管施加縱向位移約束UZ。建立的倒虹管有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 倒虹管有限元模型

3.3 參數(shù)及工況設(shè)置

混凝土：密度大小為2680 kg/m3，彈性模量為38.2 GPa。土體：粉質(zhì)壤土，濕容重為19.5 kN/m3，飽和容重21 kN/m3，內(nèi)摩擦角28°，泊松比0.3，彈性模量為12 MPa。預(yù)應(yīng)力鋼絞線：初應(yīng)變?yōu)?.005，底板和頂板鋼絞線截面面積為0.00098 m2，邊墻鋼絞線截面面積為0.0007 m2，中槍鋼絞線截面面積為0.00056 m2。碳纖維布的厚度為0.167 mm，彈性模量取值為2.3×105MPa，泊松比為0.17，密度大小為1.8 g/cm3，線性膨脹系數(shù)為7×10-7/℃，抗拉強(qiáng)度為1600 MPa。

共設(shè)置6種工況。①工況1：渠道水位為0，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；②工況2：渠道水位為設(shè)計(jì)水位，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為0.68 m；③工況3：渠道水位為設(shè)計(jì)水位，河道水位也為設(shè)計(jì)水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；④工況4：渠道水位為加大水位，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；⑤工況5：渠道水位為設(shè)計(jì)水位，河道水位為校核水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；⑥工況6：渠道水位為加大水位，河道水位為校核水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m。

3.4 加固效果對(duì)比

模擬分析得到的兩種加固方法在不同工況下對(duì)倒虹管的增強(qiáng)效果見(jiàn)圖3。從圖3可以看到：對(duì)于倒虹管底板，粘貼纖維布和增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋均能起到較好的增強(qiáng)效果，其中，粘貼纖維布后，對(duì)壓應(yīng)力的增強(qiáng)效果最為明顯，平均增強(qiáng)率達(dá)到133.5%，對(duì)拉應(yīng)力的增強(qiáng)效果也達(dá)到了28.2%，增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋過(guò)后，對(duì)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的平均增強(qiáng)效果分別為20.7%和10%。對(duì)于倒虹管頂板，粘貼纖維布對(duì)壓應(yīng)力的平均增強(qiáng)效果達(dá)到了484.2%，對(duì)拉應(yīng)力的平均增強(qiáng)率為12.2%，而增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋對(duì)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的改善效果均比較微弱，平均增強(qiáng)率僅為0.2%和0.4%，表明增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋對(duì)頂板改善效果不佳。對(duì)于倒虹管側(cè)墻，粘貼纖維布時(shí)對(duì)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的平均增強(qiáng)率達(dá)到139.3%和4.3%，增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋時(shí)對(duì)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的平均增強(qiáng)率僅為3.3%和5.3%。

通過(guò)對(duì)倒虹管底板、頂板和側(cè)墻三個(gè)位置處在采取粘貼纖維布和增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋兩種方案進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的效果對(duì)比可知：粘貼纖維布對(duì)于解決倒虹管堵塞問(wèn)題效果更佳，因而在實(shí)際工程中應(yīng)優(yōu)先考慮采取粘貼纖維布方式對(duì)倒虹管堵塞位置進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

(a)倒虹管底板

(b)倒虹管頂板

(c)倒虹管側(cè)墻

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)黔西北干渠9標(biāo)倒虹管工程施工過(guò)程中出現(xiàn)的波紋管堵塞問(wèn)題，提出了粘貼纖維布和增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋兩種加固方式，通過(guò)對(duì)倒虹管底板、頂板和側(cè)墻三個(gè)位置處在采取粘貼纖維布和增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋兩種方案進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)后的模擬效果對(duì)比，結(jié)果顯示粘貼纖維布對(duì)于解決倒虹管堵塞問(wèn)題效果更佳，應(yīng)該在實(shí)際工程中予以優(yōu)先考慮。