透水鋼圍堰在輸水渠道工程中的應(yīng)用

石泰

科技創(chuàng)新

透水鋼圍堰在輸水渠道工程中的應(yīng)用

石泰

以更換南水北調(diào)中線總干渠襯砌板為例，介紹透水鋼圍堰在輸水渠道中的應(yīng)用，使水下施工達(dá)到相對(duì)靜水作業(yè)條件，透水鋼圍堰由可拼裝的鋼骨架和內(nèi)置的鋼筋網(wǎng)片構(gòu)成，具有安裝便捷、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，為輸水渠道水下作業(yè)提供便利。

輸水渠道；透水鋼圍堰；襯砌板

南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行過(guò)程中襯砌板存在隆起，現(xiàn)以總干渠樁號(hào)72+644～72+668段襯砌板修復(fù)為例，介紹透水鋼圍堰在總干渠襯砌板修復(fù)中的應(yīng)用。透水鋼圍堰以槽鋼為骨架，填充內(nèi)置土工布的鋼筋網(wǎng)片，使施工在相對(duì)靜水中作業(yè)，同時(shí)可以有效阻止作業(yè)區(qū)域污水進(jìn)入總干渠，可為輸水渠道維修加固提供借鑒與參考。

1.工程概況

南水北調(diào)中線總干渠永年縣段設(shè)計(jì)流量230m3/s，加大流量250m3/s，渠道橫斷面為梯形斷面，過(guò)水?dāng)嗝孢吰?∶1.0，設(shè)計(jì)底寬23m，一級(jí)馬道寬5m（實(shí)際路面寬度4m）。渠坡、渠底采用現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠坡襯砌厚度為15cm，渠底12cm，襯砌混凝土等級(jí)為C30F150。永年縣段樁號(hào)72+644～72+738段4塊襯砌板向渠道內(nèi)側(cè)隆起變形，工程對(duì)發(fā)生隆起變形的襯砌板采用水下現(xiàn)澆混凝土方式進(jìn)行修復(fù)，處理范圍為樁號(hào)72+644～72+668，襯砌板長(zhǎng)度6m（順?biāo)鞣较颍?，寬?0.5m，累計(jì)處理長(zhǎng)度24m。永年縣總干渠加大過(guò)流水深為6.4m，由于施工期間不得斷水，且需保證渠道襯砌板安全，襯砌板修復(fù)難以實(shí)現(xiàn)干場(chǎng)作業(yè)，工程施工采用了透水鋼圍堰，并在應(yīng)用過(guò)程中達(dá)到了預(yù)期效果。

2.施工圍堰布置

總干渠設(shè)計(jì)流速為1m/s，該流速下水潛水作業(yè)受到水流強(qiáng)烈干擾，無(wú)法進(jìn)行水下常規(guī)作業(yè)，同時(shí)襯砌板修復(fù)施工會(huì)對(duì)總干渠水質(zhì)造成影響，因此襯砌板修復(fù)需要搭設(shè)圍堰降低施工區(qū)域內(nèi)水流速度，使之接近靜水條件，同時(shí)需滿足施工區(qū)域的渾濁水污水不污染總干渠的要求。

圍堰擬采用透水鋼圍堰，圍堰布置見(jiàn)圖1。

3.圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

透水鋼圍堰骨架采用槽鋼結(jié)構(gòu)，中間填充預(yù)制格柵，預(yù)制格柵尺寸3m×2m，格柵四周為10#槽鋼骨架，中部為兩層鋼筋網(wǎng)片夾2層400g/m2土工布。透水鋼圍堰與混凝土接觸面選用20#槽鋼，上部豎向骨架選用16#槽鋼，豎向槽鋼之間填充預(yù)制格柵，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)外水可直接進(jìn)入基坑，基坑內(nèi)水經(jīng)過(guò)2層土工布過(guò)濾、吸附后可進(jìn)入總干渠，確?？偢汕|(zhì)不受施工影響。為了防止基坑內(nèi)水進(jìn)入總干渠，透水圍堰超高取0.3m，設(shè)計(jì)鋼圍堰高度為6.7m，由于預(yù)制格柵高度2m，因此透水鋼圍堰高度為8m。

圖1 透水鋼圍堰平面布置圖（mm）

表1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程表

表2 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程表

表3 施工導(dǎo)流工程量

圖2 透水鋼圍堰立面、剖面圖（mm）

單節(jié)透水鋼圍堰長(zhǎng)度為3m，與混凝土接觸面槽鋼為“工”字型，如圖2、圖3，每節(jié)鋼圍堰之間采用螺栓連接。單節(jié)鋼圍堰的兩側(cè)豎向槽鋼頂部采用連接桿連接固定，防止因水流沖擊在水中晃動(dòng)。

按照總干渠襯砌板修復(fù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，圍堰安裝完畢后內(nèi)外水水頭差約20cm，參考《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）對(duì)透水鋼圍堰進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

式中：

KC—槽鋼沿基混凝土面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，取0.5；

∑G—作用于基底全部豎向荷載之和，(kN)；

∑H—作用于底板基底全部水平向荷載之和，(kN)；

其中水平向荷載動(dòng)水壓力計(jì)算參考《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50069-2002）公式：

式中：

Fdw,k—流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，（kN）；

nd—淹沒(méi)影響系數(shù)，對(duì)于非淹沒(méi)式取值為1.0；

Kf—水流力系數(shù)；

vw—水流速度，（m/s）；

g—重力加速度，（m/s2）；

A—阻水面積，（m2），應(yīng)計(jì)算至沖刷線處。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程表見(jiàn)表1。

水下鋼材與混凝土襯砌板之間摩擦系數(shù)一般在0.3～0.7之間，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)規(guī)定，為了保證工程安全，本項(xiàng)目按照低限取值，計(jì)算=1.11gt;[1.05]，抗滑穩(wěn)定滿足參考規(guī)范要求。

抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算。參考《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2007）進(jìn)行透水鋼圍堰的抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算：

式中：

K0—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑MV—對(duì)基底前趾的抗傾覆力矩，（kN·m）；

∑MH—對(duì)基底前趾的傾覆力矩，（kN·m）；

計(jì)算結(jié)果=3.49>[1.40]，滿足抗傾覆穩(wěn)定要求?？箖A覆穩(wěn)定計(jì)算過(guò)程表見(jiàn)表2。

4.圍堰施工措施

透水鋼圍堰各部位在工廠預(yù)制完成后分塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝，每節(jié)透水鋼圍堰在現(xiàn)場(chǎng)拼裝后采用吊車整體吊裝至預(yù)定位置，每節(jié)透水鋼圍堰重量約2.0t，吊車在一級(jí)馬道吊裝鋼圍堰，經(jīng)查詢汽車吊參數(shù)表，選用25T汽車起重機(jī)吊裝，25T汽車起重機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)×寬×髙）為12750mm×2500mm×3225mm。

每節(jié)鋼圍堰吊裝就位后由潛水員進(jìn)行水下螺栓連接。襯砌板修復(fù)完畢后由潛水員拆除螺栓，汽車起重機(jī)吊出。鋼圍堰安拆期間由潛水員進(jìn)行配合進(jìn)行水下混凝土模板安拆、排水管安拆等，估算每處襯砌板修復(fù)需水下作業(yè)20班組（按照每班組3～5人，每天工作8h計(jì)算）。

圖3 渠道邊坡透水鋼圍堰立面圖（mm）

襯砌板修復(fù)完畢后，圍堰拆除前，施工區(qū)域內(nèi)渾濁污水通過(guò)離心泵抽排出總干渠，直至基坑內(nèi)全部為清水為止，抽排污水過(guò)程中，應(yīng)注意基坑內(nèi)外水頭差不得大于20cm，水泵排水抽排至左側(cè)截流溝。

水泵選用PW50-65型污水泵（Q=25m3/h、H=32m、P=7.5kW），初步估算每處襯砌板修復(fù)需抽排水16臺(tái)時(shí)。

根據(jù)施工導(dǎo)流布置圖，圍堰長(zhǎng)度為59m，工程量見(jiàn)表3。

圍堰安裝完成后，采用臂長(zhǎng)13～16m液壓巖石破碎機(jī)破碎襯砌板，襯砌板破碎渣料主要采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)挖除，局部由潛水員人工清除，破碎過(guò)程盡可能控制襯砌板破碎成大塊，便于整體挖除。

襯砌板修復(fù)采用水下自密實(shí)混凝土，混凝土澆筑前在所澆筑襯砌板兩側(cè)搭設(shè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌選用20#工字鋼，由標(biāo)準(zhǔn)鋼模板組裝成大模板，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)整體從導(dǎo)軌滑入水下，潛水員水下檢查模板就位情況，檢驗(yàn)合格后立即進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土澆筑采用導(dǎo)管法。為了便于模板拆除，模板表層均勻涂抹脫模劑，待混凝土初凝即可抖動(dòng)模板，便于后期順利拉升模板。

5.結(jié)論與建議

南水北調(diào)中線工程已運(yùn)行多年，襯砌板隆起現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，采用透水鋼圍堰可實(shí)現(xiàn)輸水渠道中相對(duì)靜水作業(yè)，并能實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)污水不泄入至總干渠，確保總干渠水質(zhì)安全。透水鋼圍堰自身滿足穩(wěn)定要求，且單延米鋼材用量較少，格柵更換土工布后可重復(fù)利用，可有效節(jié)省工程投資。透水鋼圍堰可實(shí)現(xiàn)分片拼裝，具有運(yùn)輸、安裝簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，具有推廣和實(shí)用價(jià)值，也為有靜水作業(yè)需求工程提供了借鑒與參考。

2022-04-13

石泰，男，漢族，河北省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師。