大尺寸地下排水渠道非開挖修復(fù)工藝過水能力分析研究

許洪斌 樊亮亮 吳勝舉 鄭超文

針對某老舊排水渠存在的缺陷問題，通過理論計(jì)算及試驗(yàn)研究不同修復(fù)工法修復(fù)后過水能力，在滿足結(jié)構(gòu)性能要求下，進(jìn)行四種工法施工工藝過水能力對比，螺旋纏繞施工過水流量最大，過水能力最強(qiáng)；模筑法和預(yù)制拼裝法管、噴射法新材料管，過水流量比較接近，僅次于螺旋纏繞法，四種修復(fù)工法都提高了原渠道的過水能力，提高幅度在20%～60%之間。本文基于長沙市某老舊排水渠存在的管渠缺陷問題，對現(xiàn)有可行的四種針對大尺寸排水渠道非開挖修復(fù)工法修復(fù)后管渠過水能力進(jìn)行分析，以期為城市地下大尺寸排水渠道的非開挖修復(fù)積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

近年來，隨著城市快速發(fā)展，地下管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸顯，排水管網(wǎng)系統(tǒng)早已不堪重負(fù)。城市建成區(qū)內(nèi)的眾多給排水管道，隨著服務(wù)年限的增長，將不可避免地帶來大量的改造、更換、修繕需求，參照德國水協(xié) DWA 的調(diào)查數(shù)據(jù)，排水管道系統(tǒng)中，相比管材更新，管道修理更為常見，且非開挖修復(fù)的比例逐年增加。本文基于長沙市某老舊排水渠存在的管渠缺陷問題，對現(xiàn)有可行的四種針對大尺寸排水渠道非開挖修復(fù)工法修復(fù)后管渠過水能力進(jìn)行分析，以期為城市地下大尺寸排水渠道的非開挖修復(fù)積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

一、工程概況

以長沙市某大尺寸老舊排水渠已實(shí)施實(shí)驗(yàn)修復(fù)段為研究背景，該實(shí)驗(yàn)段整體位于長沙市五一大道北側(cè)曉園公園內(nèi)，為該排水主渠段CK3+140 ～CK3+270，總長約130m。實(shí)驗(yàn)段現(xiàn)狀渠道材質(zhì)為漿砌片石側(cè)墻+預(yù)制砼圓拱，斷面尺寸為5000mm×1400mm+G1600mm，高差約1.80m，根據(jù)前期渠道檢測結(jié)果，對渠道進(jìn)行安全性等級鑒定，擬分為四種工法：“模筑法”45m、“噴射工藝”15m、“預(yù)制拼裝”45m 以及“螺旋纏繞”15m，擬供排水渠全段加固修復(fù)時參考。

對于排水管道（涵）的修復(fù)加固工作不但要滿足結(jié)構(gòu)性能要求還需確保其排水能力的需求。筆者通過理論計(jì)算及試驗(yàn)手段，測試各甄選工法施工后，新管道（涵）的過水流速及流量，同時對不同非開挖工法施工工藝對排水管道進(jìn)行修復(fù)后的過水能力進(jìn)行對比分析，為管涵修復(fù)工程施工方案提供參考。

圖1 試驗(yàn)段修復(fù)工藝分布示意圖

二、施工工法

（1）“預(yù)制拼裝”法是利用UHPC（超高性能砼）預(yù)制結(jié)構(gòu)件進(jìn)行機(jī)械拼裝形成管渠內(nèi)襯的工法，現(xiàn)場工期短，不破壞原有結(jié)構(gòu)。

（2）噴射法施工主要包括施工準(zhǔn)備、掛第1 層鋼筋網(wǎng)、攪拌和輸送、噴射第1 層UHPC、掛第2 層鋼筋網(wǎng)、噴射第2 層UHPC 和受噴面飾面等工藝流程。

（3）螺旋纏繞技術(shù)的主要原理是：將可拆解的纏繞機(jī)在井下完成組裝,隨后將預(yù)制好的PVC-U 帶狀型材（帶鋼帶）通過下料井不斷輸送到井下的纏繞機(jī)上；纏繞機(jī)將帶狀型材纏繞行進(jìn)，通過型材邊緣接縫的互鎖最終在原管道內(nèi)形成一條連續(xù)的、高強(qiáng)度的且具有良好水密性的鋼塑加強(qiáng)型新管。

（4）模筑法就是支好輕型工具式模架模板后，向模板中泵送混凝土，養(yǎng)護(hù)成形、拆模的渠道修復(fù)施工方法。

三、研究方法及試驗(yàn)理論依據(jù)

根據(jù)本次試驗(yàn)研究任務(wù)和特點(diǎn)，擬進(jìn)行概化模型試驗(yàn)。根據(jù)不同工法施工工藝的箱涵模型，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)測量論證，對不同工法施工工藝箱涵過流能力進(jìn)行對比分析。

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T210-2014，管道內(nèi)流量計(jì)算公式為：

式中：Q—管道的流量（m3/min）；

DE—原有管道平均內(nèi)徑（m）；

S—管道坡度；

n—管道的粗糙系數(shù)。

四、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)和制作

根據(jù)不同工法施工工藝制作的箱涵實(shí)物模型進(jìn)行測試分析。箱涵模型尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水槽供水能力進(jìn)行確定，在盡可能減小模型尺寸的基礎(chǔ)上，初擬箱涵斷面為矩形斷面。矩形斷面尺寸0.37m（寬B）×0.47m（高H）；長度取15m ～20m，可以分節(jié)預(yù)制拼裝成整體。

由于輸水箱涵輸水流量不同時，其水流流動型態(tài)不同，水流水頭損失影響因素不同，因此選取不同設(shè)計(jì)流量（初擬大、中、小三個流量等級），對箱涵過流能力進(jìn)行試驗(yàn)和分析。模型整體由進(jìn)水池、穩(wěn)水柵、矩形箱涵、量水堰、退水池等組成。模型試驗(yàn)平面布置示意圖見圖2，實(shí)際模型整體布置圖見圖3。

圖2 模型試驗(yàn)平面布置示意圖

圖3 模型試驗(yàn)整體布置

五、各工法施工工藝過水能力

根據(jù)各工法采用的材料，粗糙系數(shù)如表1。模筑法和預(yù)制拼裝法模板形成管，與普通混凝土管的形成相同，故這兩種情況，粗糙系數(shù)取普通混凝土管的粗糙系數(shù)。原渠道材質(zhì)為漿砌片石側(cè)墻+預(yù)制砼圓拱，與過水有關(guān)的側(cè)墻為砌體，故原渠道粗糙系數(shù)取磚砌管的粗糙系數(shù)。

表1 各工法管材粗糙系數(shù)

由于一般情況下，排水渠道（涵）滿負(fù)荷運(yùn)行的情況非常少，且在修復(fù)后，雖各工法施工造成的內(nèi)襯管厚度不一樣，管道內(nèi)徑有一定差別，但基本差別很小，特別是對于像紅旗渠寬5m 的管涵，相差幾厘米的內(nèi)徑基本可以忽略。

這里，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鏒E=0.37m，假設(shè)坡度S為0.04，根據(jù)下式計(jì)算各工法過水能力。

（1） 磚砌管粗糙系數(shù)n=0.016， 過水流量Q=0.275m3/min；

（2）普通混凝土管粗糙系數(shù)n=0.013，過水流量Q=0.339m3/min；

（3）螺旋纏繞內(nèi)襯管粗糙系數(shù)n=0.010，過水流量Q=0.44m3/min；

（4）噴射法施工工藝材料管粗糙系數(shù)n=0.0133，過水流量Q=0.331m3/min。

六、試驗(yàn)結(jié)果論證及分析

1.模型試驗(yàn)具體布置

模型整體由進(jìn)水池、穩(wěn)水柵、矩形箱涵、量水堰、退水池等組成。其中，矩形箱涵總長15m，箱涵高47cm，寬37cm，縱向底坡設(shè)計(jì)為平坡。箱涵模型由水泵自動循環(huán)供水，水流進(jìn)入進(jìn)水池后，首先通過穩(wěn)水柵，然后進(jìn)入矩形箱涵，之后通過循環(huán)渠道和三角形量水堰，最后流入退水池，進(jìn)入模型出水口。

2.模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

模型采用的材料為，一個箱涵模型是噴射法材料，另外一個箱涵模型是普通材料。模型一節(jié)為3.05 米，每種材料做了5 節(jié)，即全長3.05×5=15.25 米，模型凈寬37cm，凈高47cm。為保證箱涵內(nèi)水流平穩(wěn)，進(jìn)水口和出水口的水位測點(diǎn)，均向內(nèi)側(cè)偏移1.8 米，則兩水頭測試點(diǎn)之間的距離為：15.25－1.8×2=11.65 米，見示意圖4。

圖4 模型測點(diǎn)示意圖

3.模型試驗(yàn)工況

本次分別對普通混凝土和噴射法工藝新材料的兩種混凝土箱涵進(jìn)行分組放水試驗(yàn)，分別測量了三種工況，對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同工況下的三角堰水頭差及測壓管水頭差測量數(shù)據(jù)

4.試驗(yàn)結(jié)論

本次試驗(yàn)的流量由退水池出口的三角形薄壁堰進(jìn)行測量，本次采用的三角形堰口頂角約為45 度，其流量實(shí)際計(jì)算公式（也稱為Kindsvater-Shen 公式）為：

根據(jù)上述公式，本次試驗(yàn)三種工況下的流量分別見表3。

表3 不同工況下的流量

從上表可以得出模筑法、預(yù)制拼裝法與噴射法（工藝新材料）過水流量差別不大，也論證了上述理論的計(jì)算結(jié)果。

七、結(jié)論

綜上，幾種工法在滿足結(jié)構(gòu)性能要求下，幾種工法施工工藝過水能力對比結(jié)果如下。

（1）螺旋纏繞施工過水流量最大，過水能力最強(qiáng)。

（2）模筑法和預(yù)制拼裝法管、噴射法新材料管，過水流量比較接近，僅次于螺旋纏繞法。

（3）原渠道相對于四種加固修復(fù)技術(shù)后的渠道過水流量最小，過水能力最弱。

（4）四種修復(fù)工法都提高了原渠道的過水能力，提高幅度在20%～60%之間。