扶坡廊道式鋼結(jié)構(gòu)裝配圍堰在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

向德林，余 瑯

(1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司渠首分公司，河南 南陽(yáng) 473000；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

南水北調(diào)是解決地域水資源分配不均的一項(xiàng)重大輸調(diào)水工程，工程建設(shè)給民生帶來諸多便利，南水北調(diào)工程是一項(xiàng)利國(guó)利民的重大工程。自從2014年通水至今，南水北調(diào)中線工程渠首分局所轄渠道部分襯砌板發(fā)生不同程度的破損，需進(jìn)行維修。水下襯砌板修復(fù)通常采用水下不擴(kuò)散混凝土和預(yù)制塊水下修復(fù)，修復(fù)難度大、潛水員用量多、維修費(fèi)用高。本文以南陽(yáng)段為試驗(yàn)段，對(duì)扶坡廊道式鋼結(jié)構(gòu)裝配圍堰的應(yīng)用展開研究，以期為水下襯砌板修復(fù)提供更安全快捷、經(jīng)濟(jì)高效的選擇。南水北調(diào)渠首分局南陽(yáng)段渠道襯砌板損壞情況見表1。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)方法是在渠道不斷流情況下，采用一種扶坡廊道式裝配圍堰，利用此圍堰圍護(hù)，在無水狀態(tài)下，對(duì)試驗(yàn)段渠道襯砌板損壞部位根據(jù)損壞情況進(jìn)行復(fù)位或拆除重新澆筑。采用的扶坡廊道式鋼結(jié)構(gòu)裝配圍堰由進(jìn)口段、中間段、底部堵頭段組成，各節(jié)分別組裝加工，均采用鋼結(jié)構(gòu)，每節(jié)收尾安裝可伸縮運(yùn)行小輪，圍堰底部設(shè)置特制U型空腔橡膠止水。扶坡廊道式裝配圍堰采用鋼結(jié)構(gòu)擋水，底部的橡膠止水緊貼在需要修復(fù)部位的上下游及底部坡面上，以防發(fā)生滲漏。扶坡廊道式裝配圍堰沿渠道邊坡設(shè)置，人和小型機(jī)械設(shè)備從露出水面的進(jìn)口段進(jìn)入，沿渠道邊坡下到渠道襯砌板損壞部位進(jìn)行修復(fù)施工，實(shí)現(xiàn)了干地施工的條件。

2 主要施工作業(yè)流程

扶坡廊道式裝配圍堰施工步驟如圖1所示。

2.1 確定圍堰下水位置，埋設(shè)地錨

首先，派潛水員在南陽(yáng)管理處擬選試驗(yàn)位置下水摸排，了解水下情況，通過水下攝影或拍照反饋破損情況及確切位置，選擇合適位置埋設(shè)地錨。經(jīng)過計(jì)算，地錨桿用直徑50mm圓鋼棒，埋深1～1.5m。埋設(shè)地錨前用取芯水鉆鉆直徑71mm定位孔，通過加長(zhǎng)桿可鉆1m深，然后再通過人工將直徑50mm圓鋼棒砸入約40cm，用石子和水泥漿填塞密實(shí)孔內(nèi)縫隙。露出地面部分和鋼絲繩連接，鋼絲繩與地錨連接。

2.2 圍堰組裝

采用叉車或8t吊車配合小型拖拉機(jī)將圍堰體運(yùn)至下水位置。為保護(hù)水面以上混凝土坡面，下水前在下水范圍內(nèi)渠道坡面鋪設(shè)帆布。圍堰下水時(shí)先用8t吊車將堵頭段吊裝至渠道坡面上，人工配合吊車將堵頭段兩側(cè)的行走輪落在提前鋪在坡面的槽鋼內(nèi)，用焊接在堵頭段前端的吊裝環(huán)與鋼絲繩連接，用卷?yè)P(yáng)機(jī)底端的滑輪鉤子鉤住堵頭端引出鋼絲繩中間位置，待連接好后，摘取吊車的吊鉤，緩緩放卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩，一直將堵頭段放至堵頭段法蘭一端，直到堵頭段離渠道坡頂有足夠的距離(約2m)可以安裝下一節(jié)為止，隨后用吊車吊第一塊中間節(jié)至渠道坡面上，通過布置在每節(jié)底部的液壓缸可調(diào)節(jié)圍堰每節(jié)的高度，人工配合吊車找準(zhǔn)前后兩節(jié)的法蘭孔位置，節(jié)之間采用法蘭連接并設(shè)置止水墊片，用扳手將堵頭段法蘭和中間節(jié)法蘭螺栓緊固。

表1 南水北調(diào)渠首分局南陽(yáng)段渠道襯砌板損壞情況統(tǒng)計(jì)表

圖1 扶坡廊道式裝配圍堰施工步驟

按照前述順序依次完成安裝。全部完成后，通過布置在行走輪上的液壓系統(tǒng)將所有輪的高度調(diào)節(jié)一致，然后用滑輪組繞10股鋼絲繩配合卷?yè)P(yáng)機(jī)作為牽引，通過圍堰體自重和人工推動(dòng)，使圍堰體沿槽鋼緩慢下水直至待修復(fù)的部位，僅圍堰開口段露出水面。

2.3 圍堰閉水

圍堰整體下水到位后，將圍堰用兩側(cè)纜繩進(jìn)行固定，纜繩固定在地面的地錨上，固定到位后，收縮圍堰體所有輪，使圍堰體整體下降，與渠道坡面逐漸貼緊，使止水鋼板下的特制U型空腔橡膠止水逐漸貼緊坡面，橡膠止水最大變形量可達(dá)25cm，待橡膠止水與坡面完全閉合后，啟動(dòng)布置在進(jìn)口端兩側(cè)的真空吸盤，該吸盤經(jīng)測(cè)試每個(gè)吸盤垂直面瞬時(shí)最大吸力可達(dá)3000kg，考慮到4×4m一塊襯砌板的重量，布置了兩塊吸盤，通過布置在吸盤上的可伸縮氣壓缸調(diào)節(jié)吸盤的離地高度，人工再次調(diào)整吸盤面的位置，啟動(dòng)抽真空空壓機(jī)，使得吸盤面完全貼合渠道坡面，圍堰體移動(dòng)之前吸盤一直保持工作狀態(tài)，防止水流沖刷。

通過壓力表觀察吸盤穩(wěn)定后，下一步再進(jìn)行抽水工作，抽取圍堰體內(nèi)部水計(jì)劃用兩臺(tái)40m3/h潛水泵，揚(yáng)程12m，一主一備，在潛水泵控制系統(tǒng)上加裝浮球裝置，通過浮球的高低，反應(yīng)水位的高低，對(duì)潛水泵啟閉進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，減少人工操作。

2.4 雜物清理

壓重碎石一般情況下破壞襯砌板有壓重碎石，應(yīng)首先清理，清理時(shí)可采用吊車配合吊斗或卷?yè)P(yáng)機(jī)配合四壁鏤空小車，吊斗和小車底部為不透水鋼板，四壁為鋼筋焊接，小車四輪采用塑膠輪，不得損壞完好襯砌板。

沉積淤泥可采用潛水員手持小型污泥泵抽吸的方案，創(chuàng)造干地施工后也可采用人工刮掃，做到不污染水質(zhì)。

2.5 破損混凝土的處理

人工沿著搭設(shè)的爬梯自開口段進(jìn)入圍堰內(nèi)，觀察渠道襯砌板結(jié)構(gòu)具體的損壞情況，根據(jù)損壞的嚴(yán)重程度采取不同的修復(fù)方案。

對(duì)渠道襯砌板損壞程度較輕，隆起高度不大，可實(shí)施復(fù)位的，首先利用小型鉆孔設(shè)備在襯砌板鉆孔將土工膜鉆透消除襯砌板下部水壓，而后采用人工輔助橡皮錘敲擊對(duì)襯砌板實(shí)施復(fù)位并用閉孔膠對(duì)局部破裂進(jìn)行處理。

對(duì)渠道襯砌板損壞程度嚴(yán)重，錯(cuò)臺(tái)、移位、隆起高度較大無法實(shí)施復(fù)位的，采用風(fēng)鎬或液壓鎬首先對(duì)損壞的結(jié)構(gòu)板進(jìn)行破碎、拆除。拆除破碎成小塊的襯砌板及清理物利用吊車或卷?yè)P(yáng)機(jī)配合小車運(yùn)出水面。

對(duì)清理干凈的基面，盡量減少對(duì)粗砂墊層的擾動(dòng)，保持粗砂墊層的完整性?；婢植客黄鹞恢脩?yīng)挖除，出現(xiàn)浸泡或擾動(dòng)產(chǎn)生的淤泥應(yīng)清除，凹陷部位鋪設(shè)碎石，保持基面大致平整。而后采用原標(biāo)號(hào)或高標(biāo)號(hào)混凝土重新澆筑。

待損壞的襯砌板修復(fù)完成或重新澆筑的混凝土達(dá)到一定齡期后，首先使行走輪著地，通過液壓系統(tǒng)，支撐整個(gè)圍堰體離地，外水進(jìn)入圍堰，內(nèi)外水壓基本平衡。最后采用安設(shè)在地錨上的卷?yè)P(yáng)機(jī)將圍堰整體牽引出水面，并依次進(jìn)行拆除，然后吊運(yùn)至下一個(gè)需要修復(fù)的部位進(jìn)行組裝。

3 施工效果分析

南水北調(diào)中線工程首次成功研制扶坡廊道式水下干地作業(yè)圍堰，該圍堰采用扶坡廊道式，緊貼坡面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適應(yīng)水流能力強(qiáng)。除采用的拉鋼絲繩將堰體和岸上預(yù)埋的地錨連接固定外，為進(jìn)一步確保堰體牢固，在進(jìn)口段堰體兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)高強(qiáng)度真空吸盤，采用真空吸附的原理對(duì)堰體進(jìn)行固定。形成干地后施工效果好，修復(fù)可達(dá)原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了水下破損襯砌修復(fù)的工作效率和安全性。此外，在全線首次實(shí)現(xiàn)了水面下7m創(chuàng)造干地施工條件，并對(duì)水下襯砌板進(jìn)行了修復(fù)，施工精準(zhǔn)高效。具體有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

(1)圍堰采用弧形結(jié)構(gòu)，對(duì)水流具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力

圍堰各段均采用弧型設(shè)計(jì)，可最大限度的減少水流的沖擊并承受較大的水壓力；在渠道流速為1m/s時(shí)，順?biāo)鞣较驙恳H為5.6kN；極大地簡(jiǎn)化了圍堰的結(jié)構(gòu)型式，降低了加工難度，節(jié)約了制作成本及施工費(fèi)用。

(2)圍堰整體結(jié)構(gòu)輕便，有效保障已有襯砌結(jié)構(gòu)安全

通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了圍堰進(jìn)口段、中間段及底部堵頭段的主體和附屬結(jié)構(gòu)的重量，順坡向每2m重僅為1.5t；在不考慮浮力條件下，行走輪對(duì)襯砌板面的壓應(yīng)力小于4.0MPa，有效保障了周邊襯砌板結(jié)構(gòu)的安全。

(3)圍堰采用分體裝配式的結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸便捷，組裝高效，可用于應(yīng)急修復(fù)

圍堰各段均采用鋼結(jié)構(gòu)分節(jié)加工制造，其中中間段每節(jié)2m，進(jìn)口及堵頭段每節(jié)1m，單節(jié)底部設(shè)有可收縮小輪，各節(jié)采用法蘭連接，并設(shè)置止水墊片，組裝拆卸方便高效；單節(jié)體積小，運(yùn)輸及存儲(chǔ)便捷；可重復(fù)使用，經(jīng)濟(jì)性好。運(yùn)輸便捷，組裝高效的特點(diǎn)特別適用于應(yīng)急修復(fù)。

(4)圍堰采用特制止水材料和防滲結(jié)構(gòu)，有效保障水下干地施工條件

圍堰各節(jié)下部采用特制U型橡膠止水件，緊貼渠道坡面閉水、防止?jié)B漏；在圍堰自身重量及水壓的作用下，壓縮橡膠止水件緊貼襯砌面板并形成有效止水和防滲；修復(fù)過程中抽干圍堰內(nèi)積水，形成干地施工條件；修復(fù)完成后，對(duì)圍堰內(nèi)注滿水，圍堰內(nèi)外水壓基本平衡后，將圍堰移出水面。

(5)環(huán)境友好，對(duì)水質(zhì)無影響

由于修復(fù)施工在圍堰圍護(hù)范圍內(nèi)，不會(huì)因施工廢棄物造成對(duì)水質(zhì)的影響，極大程度的保證了水質(zhì)安全。

(6)修復(fù)成本低

設(shè)備制作完成后，與水下不擴(kuò)散混凝土和預(yù)制塊兩種修復(fù)方式相比，日常修復(fù)作業(yè)最大的成本在轉(zhuǎn)場(chǎng)及圍堰拆裝。根據(jù)渠首分局試驗(yàn)情況估算，每次轉(zhuǎn)場(chǎng)及圍堰拆裝費(fèi)用約1～2萬元，其他修復(fù)費(fèi)用與日?，F(xiàn)澆相當(dāng)，極大的節(jié)約了襯砌板維修費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線工程首次在南陽(yáng)管理處成功研制扶坡廊道式水下干地作業(yè)圍堰，平均每3—4天可修復(fù)一處水下缺陷，單次最大可修復(fù)4塊(64m2)，修復(fù)完成24小時(shí)后拆除圍堰，已修復(fù)襯砌板水下養(yǎng)護(hù)，修復(fù)工效高。在整個(gè)修復(fù)中僅在下水前的水下摸排中用到潛水員，其他時(shí)段無須潛水員配合，安全性好，管理經(jīng)濟(jì)效益顯著。

在圍堰研究加工制作和現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)試驗(yàn)完成后，后期水下襯砌面板修復(fù)與常規(guī)水下修復(fù)相比，扶坡廊道式鋼結(jié)構(gòu)裝配圍堰修復(fù)不僅施工速度快、修復(fù)效果好；而且圍堰可拆卸，運(yùn)輸及組裝方便，一套設(shè)備可多次重復(fù)使用，成本低廉，施工周期短，應(yīng)急能力強(qiáng)，且施工安全性高。有效解決了南水北調(diào)中線干線水面下破損襯砌面板修復(fù)的工程技術(shù)難題，對(duì)長(zhǎng)距離不停水檢修和水下修復(fù)具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。