紫銅止水帶在南水北調輸水隧洞結構中的應用研究

張東

【摘要】紫銅止水帶作為一種基本的止水材料被廣泛應用于國內外高級水工建、構筑物結構中。本文以作者親身經歷的南水北調項目為依托，從設計要求、材料選型以及產品制作等方面詳盡闡述和分析了紫銅止水帶在南水北調輸水隧洞結構中的應用過程。

【關鍵詞】水工；南水北調；紫銅；止水帶；輸水隧洞；止水

1、前言

由于紫銅具有較強的抗腐蝕能力，較高的抗拉強度以及較好的韌性，能承受較大變形等優點，故由其制作成的止水帶可在水工建、構筑物發生不均勻沉降或變形時，有效避免因止水帶本身斷裂導致結構漏水的情況發生，使其能夠作為一種基本的止水材料被廣泛應用于國內外高級水工建、構筑物結構中。本文以作者親身經歷的南水北調項目為依托，從設計要求、材料選型以及產品制作等方面詳盡闡述和分析了紫銅止水帶在南水北調輸水隧洞結構中的應用過程。

2、工程概況

北京市配套工程南干渠、東干渠工程是北京市南水北調輸水工程的重要組成部分，承擔著為北京南部、東部各大水廠提供南水北調水源的任務。其供水范圍主要包括城區南部、東部各大新城。工程竣工后將為北京南部及東部地區帶來外調水源，對合理配置水資源，地下水源的長久有效涵養，有著非常重要且深遠的意義。

南干渠工程施工區域位于北京市南部，主要跨越豐臺區、大興區，輸水隧洞上游與總干渠永定河倒虹吸相連，其等級為一等一級，全長約27公里。該輸水隧洞以京九鐵路側樁號K11+302為界分為上、下兩段。上段長約11公里，為2條直徑3.4米隧洞，初支采用淺埋暗挖法施工，二次襯砌采用C30W10鋼筋混凝土，有15座施工豎井；下段長約16公里，為單條直徑4.7米隧洞，初支采用盾構法施工，二次襯砌亦采用C30W10鋼筋混凝土，共有5座盾構始發井。

上段設計流量30立方/秒，加大流量35立方/秒，下段設計流量27立方/秒，加大流量32立方/秒。

東干渠工程施工區域位于北京市大興區及朝陽區東部。工程起點為團城湖～第九水廠輸水工程末端分水口，沿五環路至亦莊橋后與五環路分離，隨后下穿涼水河，最終與南干渠接駁，總長約45公里。輸水隧洞為一條內徑4.6米的雙層襯砌結構鋼筋混凝土圓涵依靠重力流輸水，隧洞初支全部采用盾構法施工，隧洞二次襯砌全部為C30W10鋼筋混凝土。其沿線設置有排氣閥井、排空井、分水口、調壓井、管理用房等。

3、材料特性及設計要求

3.1 材料特性

紫銅止水帶作為一種基本的止水結構，被廣泛應用于國內外大、中型水利項目中，紫銅是含銅量不低于99.5%的工業純銅，因表面呈現出紫色而得名。根據其含銅量不同，其牌號分為：T1、T2、T3、T4。其優點是柔韌性好，抗擾滲能力強，抗腐蝕性強，耐久性好；其缺點是止水帶接頭需現場焊接，對焊接質量要求較高，并且施工造價較高。

3.2 設計要求

根據其以上性能特點，北京市南水北調配套工程南干渠進行設計變更，將原設計中埋式橡膠止水帶更改為中埋式紫銅片止水帶。具體結構形式如下圖所示：

設計圖紙對紫銅止水帶的原材料還做如下要求：紫銅應選擇T2純銅，紫銅片抗拉強度應不小于205Mpa，伸長率應不低于20%，紫銅片止水帶的化學成分和物理力學性能應滿足GB/T2059的規定。

3.3 紫銅止水帶設計結構說明

（1）厚度：設計要求為1.2mm厚度的紫銅片，材料的厚度從抗腐蝕性這一方面來分析，能夠決定其使用年限的長短。目前還比較缺乏各種液體對止水帶的腐蝕性研究，但僅對于紫銅止水帶來說，以往的相關試驗數據可進行參考：

按照1.2mm厚紫銅板計算，長期浸泡在10%NaOH、3%NaCl以及地下水中，使用年限分別為52年、55年和600年，完全能夠滿足南水北調這個“世紀工程”的使用年限要求。

（2）銅鼻子：由于紫銅本身特性較軟，銅鼻子的設置在保證止水帶延展性的同時，還能增加其剛度，吸收接縫變形，以最大限度的減少因接縫變形在紫銅止水帶中產生的附加應力。此外還有增加繞滲路徑長度的作用，使其在結構發生輕微變形時，也能保證良好的止水效果。

（3）立腿：其作用是在接縫變形過程中，減少紫銅止水帶翼板與混凝土之間的相對錯動，確保翼板的抗繞滲能力，同時立腿本身也具有增加繞滲路徑長度的通，從而使得止水帶抗繞滲能力增強。

4、紫銅止水帶的制作

4.1 原材料的選擇

根據《銅及銅合金帶材》GB/T2059-2008對銅材的力學性能規定，只有M（軟態）的銅材能滿足設計要求，相關力學性能參數見下表：

故選用厚度為1.2mm的T2M軟態銅作為止水帶的制作材料。與硬態銅相比，軟態銅具有較大的伸長率，且適應接縫變形能力好。同時，在加工成型過程中也不易造成損壞。

4.2 制作生產

選用分片生產，集中運輸，現場焊接成環的形式。每環紫銅止水帶分為6片，每片在廠家分三次沖壓成型，運輸至施工場后，進行手工氬弧焊焊接拼裝，最后安裝至結構施工縫中。

（1）第一次沖壓：由于采用“由片成環”的模式，現場焊接采用搭接焊，搭接長度2cm，第一次沖壓成型2cm的“子母扣”搭接接頭（如圖3所示）；

（2）第二次沖壓：成型90mm銅鼻子以及整片止水帶的起拱；

（3）第三次沖壓：成型90mm立腿。

（4）現場焊接成環：焊縫對于整條止水帶來說，是一個相對薄弱的環節，焊接質量的好壞，直接影響到整體的止水效果。經過現場工藝試驗和檢測，焊接工藝選擇手工氬弧焊雙面搭接焊，其焊絲為紫銅絲，為有效避免氣孔、夾渣等缺陷產生，施焊前須將焊絲以及紫銅板搭接處進行砂紙打磨，有效清理氧化膜。施焊過程中，先預熱焊件，預熱溫度為150～300℃為宜，提高焊接速度，減少氬氣消耗量，從而保證焊縫根部可靠的熔合和焊透。值得注意的是，預熱溫度不宜過高，否則會使焊接接頭的力學性能降低。對于止水帶接頭焊接強度，相關試驗表明：

《水工建筑物止水帶技術規范》DL/T5215-2005中規定，銅止水帶的接頭強度與母材強度之比不能低于0.7。另考慮現場焊接質量的不穩定性，故選用銅焊二遍的焊接方法，以保障紫銅止水帶的焊接質量。焊接成環的紫銅止水帶如圖4所示。

5、結論

雖然紫銅止水帶造價較高，從生產再到現場焊接、安裝，各個環節均有嚴格的質量要求，但是因其具有優質的止水特性，依舊被國內外廣大重點水利工程所采用。我國水利行業發展勢頭迅猛，普通止水帶被不同結構形式的紫銅止水帶所取代必將為一種趨勢。

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