適應南水北調渠道襯砌板修復的圍堰箱主尺寸研究

2023-09-05 13:00:18付文楚黃新磊劉國峰王成文

水力發電 2023年8期

付文楚，黃新磊，彭旭，劉國峰，王成文

(中國船舶重工集團應急預警與救援裝備股份有限公司，湖北武漢 430200)

0 引言

南水北調工程是解決我國水資源分布與社會生產力布局不相適應矛盾的重要基礎設施，是已投入運行的最大跨流域調水工程。工程運行以來，渠道混凝土襯砌板受渠道水位變化、凍融、施工質量等因素影響，出現開裂、塌陷、抗浮失穩等形式損壞[1]，造成渠道局部水頭損失增加、防滲體系破壞以及局部邊坡土體軟化，影響了渠道的安全運行。

為此，有必要開展輸水狀態下渠道襯砌結構損壞快速修復關鍵技術與裝備研究，研究在不中斷渠道輸水條件下提供圍堰干地修復環境的方案。干地修復圍堰主要由鋼制圍堰箱和圍堰板組成，圍堰箱縱橫向連接，拼組成“[”形鋼圍堰系統[2-3]，如圖1所示。當前已投入使用的圍堰箱主尺寸為9.0 m×3.0 m×2.0 m[4]，如圖2所示。實際施工中發現箱體尺寸過大，對運輸和吊裝要求苛刻。因此，有必要針對圍堰箱主尺寸進行多角度論證，以提高圍堰的適用性和經濟性。

圖1 干地修復圍堰系統

圖2 原圍堰箱

1 修復工程的技術指標分析

1.1 設計水深

南水北調總干渠不同部位渠道設計水深各異。陶岔渠首至漳河南段，設計水深為7.0～8.0 m，占比40%；漳河北至滹沱河倒虹吸，設計水深為6.0 m，占比40.9%；滹沱河倒虹吸至北拒馬河，設計水深為3.8～5.0 m，占比19.1%。

專用圍堰在設計水深下應能正常工作，同時應盡量減小對南水北調渠道輸水影響。因此，確定圍堰設計擋水深度為8 m。

1.2 維護范圍

圍堰修復范圍主要由單次維修襯砌板數量決定。總干渠渠坡分縫為每1 m一條通縫，12 m之間每4 m一條半縫[5]。根據襯砌板半縫設置情況，單次維護范圍至少為4 m。考慮到施工便捷性，襯砌板兩側至少預留0.5 m施工空間。因此，圍堰需要提供至少長5 m的干地修復環境。如果襯砌板修復長度為8 m，則圍堰內部干地范圍至少長9 m。

1.3 襯砌板的承載能力

南水北調總干渠絕大部分渠段為土質渠道或土、巖混合渠段，地質條件復雜。渠坡和渠底土層為粉質黏土、黏土、壤土、粉質壤土、砂性土、礫質土、砂礫石以及黏土巖、砂巖、砂礫巖等承載力較高，一般均大于150 kPa。

對于邊坡和底部襯砌板，按素混凝土結構的局部受壓承載力公式[6]，核算素混凝土板的承壓能力為4.96 MPa。所以，圍堰對襯砌板的壓力主要受下部土層承載力的控制，設計取為150 kPa。

1.4 工廠制作能力

同時，根據圍堰方案，橫向圍堰與縱向圍堰需要拼組成規則的整體，盡量減少折邊或者拐角的形式，以利于止水橡膠的布置。因此，圍堰箱長度與寬度是關系為

ma=nb

(1)

式中，m為橫向圍堰箱數量；n為縱向圍堰箱數量。

考慮到渠道修復現場吊裝能力有限和減小圍堰箱下水后的拼裝工作量，可將原單個長圍堰箱設計成由2個短圍堰箱連接而成。因此在比較方案合理性時，m=2，即圍堰箱視為長箱體。

1.5 運輸和吊裝能力

圍堰箱通過公路運輸到現場后，需選擇合適的地點將其吊裝入水。南水北調中線總干渠的一級馬道和二級馬道實際寬度為4.0～4.5 m；渠道上方的跨渠公路橋寬度多為雙車道7.0 m，單車道3.5 m[7]。為滿足圍堰箱在馬道、公路橋或節制閘等部位的運輸需求，應控制圍堰箱最大寬度不超過3.0 m。

以長途運輸常見的13 m和17.5 m平板運輸車為例，高低板的設計使得車貨總高在不超過4 m的情況下，宜控制圍堰箱高度在2.4 m以內。

圍堰箱下水地點可以在襯砌板破損區域的馬道吊裝下水，也可以在距離修復區域最近的跨渠公路橋上吊裝入水，然后通過工作船拖帶至修復區域。采取第1種方式，汽車吊等重型裝備無法展開，只能采用大噸位隨車吊。采取第2種方式，汽車吊等重型設備每次作業不僅需要占據兩股車道而中斷交通，還造成工作船的拖帶工作量加大和準備時間過長。因此，從吊裝能力出發，采用安裝有隨車吊的運輸車，在襯砌板破損區域的馬道，將圍堰箱直接吊裝入水為最理想方案。綜合考慮隨車吊的吊裝能力和范圍，圍堰箱單體運輸質量以不超過4.5 t為宜。

2 圍堰箱尺寸技術方案

在滿足襯砌板修復的空間條件下，圍堰的范圍越小，使后續圍堰內排水工作量也隨之降低。根據實際需求，單次襯砌板修復最多為3塊。因此，在同時滿足單塊、2塊和3塊襯砌板修復時，必然會出現圍堰長度大于修復作業所需要的干地長度。基于此，本文提出圍堰浪費率的概念，即

(2)

從圍堰拼組角度出發，圍堰箱寬度應盡量大，從而減少連接次數。因此，圍堰箱寬度按照2.0～3.0 m的范圍，以0.1 m為步長，計算不同寬度圍堰箱的圍堰浪費率，如圖3所示。由圖3可知，當圍堰箱寬度達到2.4 m后，在滿足1塊襯砌板修復作業的情況下，圍堰浪費率將急劇下降。在寬度為2.5 m時，圍堰浪費率為0。這是由于針對不同數量襯砌板修復作業，圍堰箱并不存在統一的最佳寬度。對于1塊襯砌板，最佳寬度為2.5 m；對于2塊襯砌板，最佳寬度為3 m；對于3塊襯砌板，最佳寬度為2.6 m。

圖3 不同寬度圍堰箱的圍堰浪費率

實際情況中，每次圍堰修復作業時，面臨的襯砌板修復數量不一，需要綜合考慮任一數量襯砌板修復的情況。由圖3可知，在箱體寬度為2.6 m時，圍堰浪費率最低。

從圍堰方案角度出發，圍堰箱長度與寬度存在整倍數關系，現分別取n=2、3、4，由此確定圍堰箱長度為5.2、7.8 m和10.4 m(此時暫定m=1，即按照長圍堰箱進行考慮)。

公路運輸考慮圍堰箱和圍堰板一體運輸，以減少運費。因此，圍堰板折疊時長度應不超過箱體長度范圍，且圍堰板折疊后總體高度不超過2.4 m。按照設計水深為8 m計算，則圍堰板厚度設計為350 mm，圍堰板長度應控制在6.5～7.0 m，圍堰箱高度控制在1.5～2.0 m。以0.1 m為步長，則存在如表1所示的18個浮箱主尺寸方案。

表1 圍堰主尺寸方案及其合理性校核結果匯總

3 方案比選

針對上述的18個圍堰箱主尺寸方案，從2個角度進行評價：一是方案合理性，計算水位為8 m時圍堰的抗傾覆能、抗滑移能力以及襯砌板應力是否滿足需要；二是方案經濟性，考慮整套圍堰設備制造成本和公路運輸成本。

3.1 方案合理性校核

選取計算水位為8 m，邊坡比1∶2.5，圍堰受到的荷載主要有靜水壓力、動水壓力和重力。將橫向圍堰與縱向圍堰分離出來單獨考慮，分別進行抗滑移和襯砌板壓應力校核[8-9]。各個方案的校核結果如表1所示。

由表1可知，方案1～方案6組成的圍堰抗滑移能力和襯砌板壓應力均不滿足要求，方案7～方案18組成的圍堰其合理性滿足需要，且隨著箱體高度的增加，箱體自重也隨之增加，圍堰抵抗滑移能力也隨之增強。此外，方案7～方案12與方案13～方案18相比，因箱體長度造成的圍堰抵抗滑移能力變化，較箱體寬度造成的變化更加明顯。但是由于長度增加，箱體對襯砌板的壓力降低，使得襯砌板壓應力反而減小。

3.2 方案經濟性比較

從公路運輸角度出發，方案7～方案18其主尺寸均能滿足公路運輸不超限要求，但箱體長度7.8 m和10.4 m所采用的運輸方案不同。受吊裝能力限制，7.8 m長圍堰箱方案需要由2個3.9 m短圍堰箱組成，以期將單個圍堰箱運輸質量控制在4.5 t以內。而10.4 m長圍堰箱方案，則需要由3個3.5 m短圍堰箱組成。

目前，公路平板運輸車長度多為6.8、9.6、13、17.5 m。6.8 m和9.6 m平板運輸車其超限寬度為2.55 m，13 m和17.5 m平板運輸車其超限寬度為3.0 m[10]。因此，在不超限的情況下，3.5 m圍堰箱采用13 m平板運輸車，單次能運輸3個箱體；采用17.5 m平板運輸車，單次能運輸5個箱體。而3.9 m圍堰箱采用13 m平板運輸車，單次能運輸3個箱體；采用17.5 m平板運輸車，單次能運輸4個箱體。具體計算如表2所示。