扶坡廊道式鋼結構裝配圍堰在南水北調中線工程中的應用

向德林，余 瑯

(1.中國南水北調集團中線有限公司渠首分公司，河南 南陽 473000；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

南水北調是解決地域水資源分配不均的一項重大輸調水工程，工程建設給民生帶來諸多便利，南水北調工程是一項利國利民的重大工程。自從2014年通水至今，南水北調中線工程渠首分局所轄渠道部分襯砌板發生不同程度的破損，需進行維修。水下襯砌板修復通常采用水下不擴散混凝土和預制塊水下修復，修復難度大、潛水員用量多、維修費用高。本文以南陽段為試驗段，對扶坡廊道式鋼結構裝配圍堰的應用展開研究，以期為水下襯砌板修復提供更安全快捷、經濟高效的選擇。南水北調渠首分局南陽段渠道襯砌板損壞情況見表1。

1 試驗方法

本試驗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，在無水狀態下，對試驗段渠道襯砌板損壞部位根據損壞情況進行復位或拆除重新澆筑。采用的扶坡廊道式鋼結構裝配圍堰由進口段、中間段、底部堵頭段組成，各節分別組裝加工，均采用鋼結構，每節收尾安裝可伸縮運行小輪，圍堰底部設置特制U型空腔橡膠止水。扶坡廊道式裝配圍堰采用鋼結構擋水，底部的橡膠止水緊貼在需要修復部位的上下游及底部坡面上，以防發生滲漏。扶坡廊道式裝配圍堰沿渠道邊坡設置，人和小型機械設備從露出水面的進口段進入，沿渠道邊坡下到渠道襯砌板損壞部位進行修復施工，實現了干地施工的條件。

2 主要施工作業流程

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，埋設地錨

首先，派潛水員在南陽管理處擬選試驗位置下水摸排，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，選擇合適位置埋設地錨。經過計算，地錨桿用直徑50mm圓鋼棒，埋深1～1.5m。埋設地錨前用取芯水鉆鉆直徑71mm定位孔，通過加長桿可鉆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孔內縫隙。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將圍堰體運至下水位置。為保護水面以上混凝土坡面，下水前在下水范圍內渠道坡面鋪設帆布。圍堰下水時先用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的行走輪落在提前鋪在坡面的槽鋼內，用焊接在堵頭段前端的吊裝環與鋼絲繩連接，用卷揚機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，緩緩放卷揚機鋼絲繩，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)可以安裝下一節為止，隨后用吊車吊第一塊中間節至渠道坡面上，通過布置在每節底部的液壓缸可調節圍堰每節的高度，人工配合吊車找準前后兩節的法蘭孔位置，節之間采用法蘭連接并設置止水墊片，用扳手將堵頭段法蘭和中間節法蘭螺栓緊固。

表1 南水北調渠首分局南陽段渠道襯砌板損壞情況統計表

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將所有輪的高度調節一致，然后用滑輪組繞10股鋼絲繩配合卷揚機作為牽引，通過圍堰體自重和人工推動，使圍堰體沿槽鋼緩慢下水直至待修復的部位，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，將圍堰用兩側纜繩進行固定，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25cm，待橡膠止水與坡面完全閉合后，啟動布置在進口端兩側的真空吸盤，該吸盤經測試每個吸盤垂直面瞬時最大吸力可達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節吸盤的離地高度，人工再次調整吸盤面的位置，啟動抽真空空壓機，使得吸盤面完全貼合渠道坡面，圍堰體移動之前吸盤一直保持工作狀態，防止水流沖刷。

通過壓力表觀察吸盤穩定后，下一步再進行抽水工作，抽取圍堰體內部水計劃用兩臺40m3/h潛水泵，揚程12m，一主一備，在潛水泵控制系統上加裝浮球裝置，通過浮球的高低，反應水位的高低，對潛水泵啟閉進行控制，以實現自動化控制，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，應首先清理，清理時可采用吊車配合吊斗或卷揚機配合四壁鏤空小車，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，創造干地施工后也可采用人工刮掃，做到不污染水質。

2.5 破損混凝土的處理

人工沿著搭設的爬梯自開口段進入圍堰內，觀察渠道襯砌板結構具體的損壞情況，根據損壞的嚴重程度采取不同的修復方案。

對渠道襯砌板損壞程度較輕，隆起高度不大，可實施復位的，首先利用小型鉆孔設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襯砌板實施復位并用閉孔膠對局部破裂進行處理。

對渠道襯砌板損壞程度嚴重，錯臺、移位、隆起高度較大無法實施復位的，采用風鎬或液壓鎬首先對損壞的結構板進行破碎、拆除。拆除破碎成小塊的襯砌板及清理物利用吊車或卷揚機配合小車運出水面。

對清理干凈的基面，盡量減少對粗砂墊層的擾動，保持粗砂墊層的完整性。基面局部突起位置應挖除，出現浸泡或擾動產生的淤泥應清除，凹陷部位鋪設碎石，保持基面大致平整。而后采用原標號或高標號混凝土重新澆筑。

待損壞的襯砌板修復完成或重新澆筑的混凝土達到一定齡期后，首先使行走輪著地，通過液壓系統，支撐整個圍堰體離地，外水進入圍堰，內外水壓基本平衡。最后采用安設在地錨上的卷揚機將圍堰整體牽引出水面，并依次進行拆除，然后吊運至下一個需要修復的部位進行組裝。

3 施工效果分析

南水北調中線工程首次成功研制扶坡廊道式水下干地作業圍堰，該圍堰采用扶坡廊道式，緊貼坡面，結構穩定，適應水流能力強。除采用的拉鋼絲繩將堰體和岸上預埋的地錨連接固定外，為進一步確保堰體牢固，在進口段堰體兩側設置兩個高強度真空吸盤，采用真空吸附的原理對堰體進行固定。形成干地后施工效果好，修復可達原設計標準，大大提高了水下破損襯砌修復的工作效率和安全性。此外，在全線首次實現了水面下7m創造干地施工條件，并對水下襯砌板進行了修復，施工精準高效。具體有以下特點和優點：

(1)圍堰采用弧形結構，對水流具有較強的適應能力

圍堰各段均采用弧型設計，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，順水流方向牽引力僅為5.6kN；極大地簡化了圍堰的結構型式，降低了加工難度，節約了制作成本及施工費用。

(2)圍堰整體結構輕便，有效保障已有襯砌結構安全

通過合理優化設計，有效降低了圍堰進口段、中間段及底部堵頭段的主體和附屬結構的重量，順坡向每2m重僅為1.5t；在不考慮浮力條件下，行走輪對襯砌板面的壓應力小于4.0MPa，有效保障了周邊襯砌板結構的安全。

(3)圍堰采用分體裝配式的結構，運輸便捷，組裝高效，可用于應急修復

圍堰各段均采用鋼結構分節加工制造，其中中間段每節2m，進口及堵頭段每節1m，單節底部設有可收縮小輪，各節采用法蘭連接，并設置止水墊片，組裝拆卸方便高效；單節體積小，運輸及存儲便捷；可重復使用，經濟性好。運輸便捷，組裝高效的特點特別適用于應急修復。

(4)圍堰采用特制止水材料和防滲結構，有效保障水下干地施工條件

圍堰各節下部采用特制U型橡膠止水件，緊貼渠道坡面閉水、防止滲漏；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；修復過程中抽干圍堰內積水，形成干地施工條件；修復完成后，對圍堰內注滿水，圍堰內外水壓基本平衡后，將圍堰移出水面。

(5)環境友好，對水質無影響

由于修復施工在圍堰圍護范圍內，不會因施工廢棄物造成對水質的影響，極大程度的保證了水質安全。

(6)修復成本低

設備制作完成后，與水下不擴散混凝土和預制塊兩種修復方式相比，日常修復作業最大的成本在轉場及圍堰拆裝。根據渠首分局試驗情況估算，每次轉場及圍堰拆裝費用約1～2萬元，其他修復費用與日常現澆相當，極大的節約了襯砌板維修費用。

4 結語

南水北調中線工程首次在南陽管理處成功研制扶坡廊道式水下干地作業圍堰，平均每3—4天可修復一處水下缺陷，單次最大可修復4塊(64m2)，修復完成24小時后拆除圍堰，已修復襯砌板水下養護，修復工效高。在整個修復中僅在下水前的水下摸排中用到潛水員，其他時段無須潛水員配合，安全性好，管理經濟效益顯著。

在圍堰研究加工制作和現場修復試驗完成后，后期水下襯砌面板修復與常規水下修復相比，扶坡廊道式鋼結構裝配圍堰修復不僅施工速度快、修復效果好；而且圍堰可拆卸，運輸及組裝方便，一套設備可多次重復使用，成本低廉，施工周期短，應急能力強，且施工安全性高。有效解決了南水北調中線干線水面下破損襯砌面板修復的工程技術難題，對長距離不停水檢修和水下修復具有極大的推廣應用價值。