適應襯砌渠道修復的組合式鋼浮箱圍堰方案的穩定性計算

付文楚，黃新磊，盧康，彭旭，萬偉

（中國船舶重工集團應急預警與救援裝備股份有限公司， 武漢 430223）

1 引言

跨區域的大型調水工程是解決區域性水資源分配不均的優良方案，為現代社會工農業的正常發展提供了用水保障。為減少水資源在輸送過程中的損失，調水工程的渠道多采用“夯實土層+土工織物+襯砌結構”的襯砌結構，如南水北調工程，引江濟漢工程等。隨著工程的投入運行，襯砌渠道結構不可避免會受到自然環境和工作荷載的侵蝕，如凍融破壞、土壤鹽分離子侵蝕、干濕循環破壞及水體沖刷等作用，從而導致襯砌渠道出現裂縫、凍脹、沖磨與空蝕等侵蝕破壞現象，嚴重威脅水利工程的安全運行，制約工程效益的正常發揮[1]。為此，需要對渠道襯砌結構出現的破損及時進行修復。

根據襯砌渠道損壞的規模大小，采取不同的修復方案。小范圍的襯砌板破損裂縫，采用潛水員水下注漿修復；針對大范圍的襯砌板破損，則需要創造干燥的修復環境，以拆除舊板，澆筑新的襯砌板。本文聚焦于為大范圍襯砌渠道修復，提供安全、可靠的干地修復環境這一難題展開研究。

2 襯砌渠道修復的原則和方案

2.1 襯砌渠道的修復原則

水利工程中要想創造干燥的施工環境，離不開形式多樣的導流技術和圍堰技術。根據施工環境的不同，合理地選擇導流和圍堰方案是水利工程順利進行的前提。導流方案有全段圍堰導流和分段圍堰導流2種，相配套的常規圍堰方案有土方圍堰、土袋圍堰、鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰以及鋼吊箱圍堰等（見圖1、圖2）。這些常規圍堰在水利工程中均得到了成功的實踐，產生了良好的經濟效益。如全段土方圍堰導流方案用于船閘拆除和新建[2]，采用拉森Ⅲ型鋼板樁構筑分段圍堰導流方案用于運河渠底改造[3]，雙壁鋼圍堰構筑分段導流方案用于深水河道的橋梁樁基礎施工等[4]。

圖1 全段導流圍堰

圖2 分段導流圍堰

大型調水工程往往擔負著沿線區域居民生活和工農業生產的供水任務，一旦因渠道襯砌結構養護作業造成供水中斷或者水體污染，將給社會平穩運行帶來較大壓力。在大范圍襯砌結構修復作業中采用全段圍堰導流方案，意味著需要開挖導流明渠，或者敷設管道利用水頭壓力差實現自流，或者水泵抽排，存在經濟性差、影響渠道輸水能力、難以長期作業的問題。采用土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段圍堰導流方案，則存在淤積渠道、污染水質、破壞襯砌結構的問題[5]。

因此，適應大型調水工程襯砌渠道修復作業的圍堰方案應遵循以下原則：

1）圍堰在設計水深下能正常工作，同時應盡量降低對渠道輸水能力和水質的影響。

2）圍堰施工過程中不能對修復范圍以外的渠道結構產生損壞。

3）圍堰應能提供足夠空間、安全、穩定的干地修復施工環境。襯砌渠道為減小混凝土的溫度應力，通常在橫向和縱向每隔12 m設置1道通縫，每隔4 m設置1道半縫[6]。故圍堰所能提供的干地環境要與襯砌板數量相對應，即干地環境長度至少能滿足維護1塊襯砌板，并可根據需要通過增加圍堰長度滿足多塊襯砌板的同時修復作業。同時，圍堰結構需要在水流的沖刷和內外水頭差的作用下，保持自身結構強度，整體穩定性以及防止渠道中水體滲流進修復作業區，避免給施工作業帶來危險。

4）圍堰應能循環使用，并具有較高的經濟性。圍堰的安裝拆除作業應盡可能機械化、程序化，減少或避免水下作業，以減輕人員勞動強度，滿足長期高頻次的修復作業。

2.2 襯砌渠道的修復方案

面對苛刻的修復環境，常規圍堰導流方案并不適用于大型調水工程渠道大范圍的襯砌結構修復作業。采用分段鋼結構圍堰導流方案，成了襯砌渠道修復作業的最佳方案。結合梯形斷面襯砌式渠道邊坡的特點，按照襯砌渠道修復原則，分段鋼結構圍堰導流方案可以分為貼坡式圍堰和半圍式圍堰2種型式。

南水北調中線滎陽管理處曾采用由鋼結構底座、鋼立柱及面板組成的半圍式鋼圍堰（見圖3），在水深約1 m的情況下，取得了試驗成功。但在后續擴大規模至3.5 m水深范圍內，水平向長度10～12 m的試驗中，下水鋼圍堰下水難度大，以及未形成有效止水而導致試驗中止。河南省水利勘測設計研究有限公司曾提出一種跨度達48.6 m的貼坡篷式鋼圍堰（見圖4），該圍堰分為7跨，中間布置有6組1.2 m×2 m（寬×高）的鋼桁架支撐。由于鋼桁架占壓襯砌板，不能一次性完成修復作業，需要通過調整鋼桁架支撐位置，交替完成襯砌板的修復[7]。

圖3 半圍式鋼圍堰

圖4 貼坡篷式鋼圍堰

3 組合式鋼浮箱圍堰方案及其穩定性計算

基于目前應用于襯砌渠道修復施工的鋼圍堰存在的不足之處，一種將鋼浮箱作為基材，用于結構組合式分段鋼圍堰導流方案被用于襯砌渠道修復。

3.1 組合式鋼浮箱圍堰方案

圖5 組合式鋼浮箱圍堰方案典型布置圖

組合式鋼浮箱圍堰方案（見圖5）由標準浮箱、坡角浮箱、標準圍堰板、坡角圍堰板、支撐桁架以及相關配套器材等組成。標準浮箱由面板和縱橫骨架焊接形成的封閉鋼結構，單個尺寸為8.86 m×3 m×2.1 m，重量128.5 kN（12.85 t）。標準圍堰板是由面板和縱橫骨架焊接形成的板架結構，單個尺寸為4.62 m×3.1 m×0.3 m，重量21.1 kN（2.11 t）。為適應不同梯形斷面渠道的邊坡，在標準浮箱和標準圍堰板的基礎上，改造出適應相應邊坡比的坡角浮箱和坡角圍堰板。浮箱之間，以及浮箱與圍堰板通過單雙耳接頭連接成剛性整體。通過增加標準浮箱和標準圍堰板的數量，來實現不同規模的襯砌板修復作業區。

以修復6 m水深，渠道邊坡比1∶2.5，水流流速1 m/s為例，組合式鋼浮箱圍堰布置單列橫置縱向浮箱共21個，圍堰板11塊。圍堰分為位于斜坡上垂直水流方向的橫向圍堰和位于坡底順水流方向的縱向圍堰。

3.2 組合式鋼浮箱圍堰方案穩定性校核

相比較與傳統圍堰方案的危險點在接頭和邊坡連接處，鋼浮箱圍堰的模塊化程度高，結構強度大，連接方式可靠[8，9]，它的危險點在于整個系統抵抗水流沖刷、水頭壓力時的穩定性。

如圖6所示，靜水壓力F靜水1為水流對圍堰的傾覆和滑移作用，靜水壓力F靜水2為水流對浮箱頂部的垂直壓力。G1為箱體自重，G2為壓載水重量，取浮箱體積的90%。F沖擊為水流對圍堰的沖擊力，主要作用于垂直于水流方向的圍堰設備。

圖6 圍堰受力模型

3.2.1 抗滑移穩定校核

鋼浮箱圍堰抗滑移穩定需要校核縱橫向圍堰與襯砌板的摩擦力能否抵消水流對圍堰的作用力，使圍堰不發生滑移。

水流對圍堰的沖擊力按式（1）計算：

式中，A為圍堰受水流沖擊的面積；V為渠道束窄后流速，取2.5 m/s（安全系數 1.25）；ρ為水的密度 103kg/m3；k為繞流系數，對本圍堰取0.7；α為水流沖擊方向與阻流面的夾角，取 90°。

縱橫向圍堰抗滑移校核結果見表1。從表1可以看出，縱橫向圍堰工作時不會發生滑移。

表1 不同止水方案的抗滑移能力校核 kN

3.2.2 抗傾覆校核

在進行抗傾覆校核時，縱橫向圍堰具有圍繞內側與襯砌板接觸位置旋轉傾覆的傾向，故分別計算傾覆力矩和防傾力矩。

橫向圍堰箱體G1和壓載水G2產生的防傾力矩為：

式中，G為橫向圍堰箱體自重和壓載水重力之和，取3 125.06 kN；θ為渠道邊坡角度，取21.8°；L為橫向圍堰箱體和壓載水重力作用力臂，取4.43 m。

橫向圍堰受到的縱向靜水壓力F靜水1產生的傾斜力矩為：

式中，ρ為水的密度取，1×103kg/m3；h為水深，m。

則橫向圍堰受到的垂直箱體的靜水壓力F靜水2產生的防傾力矩為：

則橫向圍堰受到的水流沖擊力F沖擊產生的傾斜力矩為：

故有：

從而橫向圍堰不會發生傾覆，滿足抗傾覆要求。

同理，可以校核縱向圍堰不會發生傾覆，滿足抗傾覆要求。如表2所示。

表2 縱向圍堰抗傾覆校核 kN·m

3.2.3 提高穩定性的錨定方案

為了進一步提高整套圍堰系統的穩定性冗余度，防止整個圍堰系統在安裝或下沉過程中發生不可控位移，在上游、下游及對岸可布置錨定系統，主要包含200 kN和50 kN系泊絞車、帶纜樁、系留索總成等。

4 結語

本文歸納總結了襯砌渠道的修復原則，認為常規土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段導流圍堰方案和全段導流圍堰方案，并不適用于要求嚴苛的大型調水工程渠道大范圍的襯砌結構修復作業。而將多個鋼浮箱組合成的鋼圍堰，通過增加模塊化的浮箱和圍堰板數量，來實現不同規模的襯砌板修復作業區，具有較大的施工靈活性和經濟性。同時其穩定性滿足要求，能夠適應襯砌渠道養護作業。