大尺寸地下排水渠道非開挖修復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，通過理論計算及試驗研究不同修復工法修復后過水能力，在滿足結構性能要求下，進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；模筑法和預制拼裝法管、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，對現有可行的四種針對大尺寸排水渠道非開挖修復工法修復后管渠過水能力進行分析，以期為城市地下大尺寸排水渠道的非開挖修復積累建設經驗。

近年來，隨著城市快速發展，地下管線建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯，排水管網系統早已不堪重負。城市建成區內的眾多給排水管道，隨著服務年限的增長，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 DWA 的調查數據，排水管道系統中，相比管材更新，管道修理更為常見，且非開挖修復的比例逐年增加。本文基于長沙市某老舊排水渠存在的管渠缺陷問題，對現有可行的四種針對大尺寸排水渠道非開挖修復工法修復后管渠過水能力進行分析，以期為城市地下大尺寸排水渠道的非開挖修復積累建設經驗。

一、工程概況

以長沙市某大尺寸老舊排水渠已實施實驗修復段為研究背景，該實驗段整體位于長沙市五一大道北側曉園公園內，為該排水主渠段CK3+140 ～CK3+270，總長約130m。實驗段現狀渠道材質為漿砌片石側墻+預制砼圓拱，斷面尺寸為5000mm×1400mm+G1600mm，高差約1.80m，根據前期渠道檢測結果，對渠道進行安全性等級鑒定，擬分為四種工法：“模筑法”45m、“噴射工藝”15m、“預制拼裝”45m 以及“螺旋纏繞”15m，擬供排水渠全段加固修復時參考。

對于排水管道（涵）的修復加固工作不但要滿足結構性能要求還需確保其排水能力的需求。筆者通過理論計算及試驗手段，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行修復后的過水能力進行對比分析，為管涵修復工程施工方案提供參考。

圖1 試驗段修復工藝分布示意圖

二、施工工法

（1）“預制拼裝”法是利用UHPC（超高性能砼）預制結構件進行機械拼裝形成管渠內襯的工法，現場工期短，不破壞原有結構。

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

（3）螺旋纏繞技術的主要原理是：將可拆解的纏繞機在井下完成組裝,隨后將預制好的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上；纏繞機將帶狀型材纏繞行進，通過型材邊緣接縫的互鎖最終在原管道內形成一條連續的、高強度的且具有良好水密性的鋼塑加強型新管。

（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，養護成形、拆模的渠道修復施工方法。

三、研究方法及試驗理論依據

根據本次試驗研究任務和特點，擬進行概化模型試驗。根據不同工法施工工藝的箱涵模型，通過理論計算和試驗測量論證，對不同工法施工工藝箱涵過流能力進行對比分析。

根據《城鎮排水管道非開挖修復更新工程技術規程》CJJ/T210-2014，管道內流量計算公式為：

式中：Q—管道的流量（m3/min）；

DE—原有管道平均內徑（m）；

S—管道坡度；

n—管道的粗糙系數。

四、模型試驗設計和制作

根據不同工法施工工藝制作的箱涵實物模型進行測試分析。箱涵模型尺寸根據實驗室水槽供水能力進行確定，在盡可能減小模型尺寸的基礎上，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，可以分節預制拼裝成整體。

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

圖2 模型試驗平面布置示意圖

圖3 模型試驗整體布置

五、各工法施工工藝過水能力

根據各工法采用的材料，粗糙系數如表1。模筑法和預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，粗糙系數取普通混凝土管的粗糙系數。原渠道材質為漿砌片石側墻+預制砼圓拱，與過水有關的側墻為砌體，故原渠道粗糙系數取磚砌管的粗糙系數。

表1 各工法管材粗糙系數

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

這里，根據試驗模型尺寸DE=0.37m，假設坡度S為0.04，根據下式計算各工法過水能力。

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

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

（3）螺旋纏繞內襯管粗糙系數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n=0.0133，過水流量Q=0.331m3/min。

六、試驗結果論證及分析

1.模型試驗具體布置

模型整體由進水池、穩水柵、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，縱向底坡設計為平坡。箱涵模型由水泵自動循環供水，水流進入進水池后，首先通過穩水柵，然后進入矩形箱涵，之后通過循環渠道和三角形量水堰，最后流入退水池，進入模型出水口。

2.模型試驗設計參數

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。模型一節為3.05 米，每種材料做了5 節，即全長3.05×5=15.25 米，模型凈寬37cm，凈高47cm。為保證箱涵內水流平穩，進水口和出水口的水位測點，均向內側偏移1.8 米，則兩水頭測試點之間的距離為：15.25－1.8×2=11.65 米，見示意圖4。

圖4 模型測點示意圖

3.模型試驗工況

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行分組放水試驗，分別測量了三種工況，對應的測量數據見表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據

4.試驗結論

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

根據上述公式，本次試驗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算結果。

七、結論

綜上，幾種工法在滿足結構性能要求下，幾種工法施工工藝過水能力對比結果如下。

（1）螺旋纏繞施工過水流量最大，過水能力最強。

（2）模筑法和預制拼裝法管、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技術后的渠道過水流量最小，過水能力最弱。

（4）四種修復工法都提高了原渠道的過水能力，提高幅度在20%～60%之間。