黔西北干渠倒虹管工程施工病害分析及加固技術研究

趙江河

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511300)

0 引言

我國水資源分布極不均衡，為解決這一問題，規劃修建了許多輸水工程來調節水資源，如南水北調工程以及正在規劃中的紅旗河工程，輸水工程可為沿線社會經濟和生態環境發展帶來積極作用。

在輸水工程中，為穿越河流、凹地、低谷或者其他障礙物時，經常采取的措施是修建倒虹[1-2]。隨著水利工程技術的不斷成長，長距離、大流量的倒虹管工程逐漸增多，為確保結構的安全性，倒虹管很多時候采用預應力結構的方式，但在復雜的工作環境下，倒虹管極易發生開裂或者滲漏[3]，同時在施工過程中也容易產生一些施工病害，這些施工病害將影響倒虹管的使用壽命和輸水功能，因此，有必要針對這些施工病害展開專項研究。

本文以貴州省北干渠輸水工程倒虹管施工工程為例[4-5]，對施工過程中出現的病害進行統計分析，同時對施工過程中出現的波紋堵塞問題進行分析。

1 工程概況

北干渠為黔西附廓水庫～金沙縣城關鎮賴關的輸水工程，全長51.592 km。其中：北干渠9標全長16.094 km(樁號35+433～51+527)，包含3條隧洞、5座倒虹管及9段渠道。5座倒虹吸工程分別為周家堰倒虹管、龔家寨倒虹管、大灣倒虹管、龍塘倒虹管以及烏箐河倒虹管，長度分別為1230 m、706 m、416 m、960 m和677 m，進口底板高程分別為1195.308 m、1192.308 m、1189.247 m、1187.965 m和1183.745 m，倒虹管設計流量均為14 m3/s，雙管布置，管道直徑D=2 m[3-5]。倒虹管標準斷面示意見圖1。

圖1 倒虹管標準斷面圖

工程區氣候屬于亞熱帶溫暖濕潤氣候區，多年平均降水量為977.4 mm，多年平均氣溫13.9℃，多年平均相對濕度為82%，多年平均風速為1.6 m/s，多年平均日照時數為1284.7 h。渠線總體走向近南北向，沿線河流深切，溝谷眾多，巖溶發育，地表高程一般在1150 m～1410 m，溝谷切割深50 m～300 m，為峰叢洼地巖溶地貌。輸水線路沿線地形坡度20°～40°，岸坡多為斜向或橫向坡，局部為順向及逆向坡。

2 施工病害分析

由于我國大部分虹吸管建設年代較為久遠，在設計、施工和維護等方面均存在不足，導致倒虹管運行過程中出現了一些病害問題，如管道斜坡段坡體滑坡失穩、管身段裂縫、止水破壞等。倒虹管在施工過程中經常遇到問題包括：一是由于鋼絞線張拉不到位，導致預應力伸長量實測值與設計值存在較大差距；二是由于部分倒虹管安裝過程中存在孔道堵塞現象，導致鋼絞線無法張拉。

在本標段倒虹管施工過程中，主要出現的施工病害為波紋管堵塞導致預先放置的預應力索無法拉動。通過現場檢查，認為出現波紋管堵塞的原因可能是以下幾種情況導致：(1)波紋管接頭處堵孔，這種情況最為普遍，這種情況主要是由于波紋管與接頭管套接長度不足或者波紋管的固定筋間距太大造成的；(2)波紋管中部堵孔，這種情況出現的頻率較少，主要是由于波紋管密封性能差、混凝土振搗棒將波紋管搗破、搗偏或者焊渣滴落燒破波紋管所導致；(3)穿束過程中堵孔，這種情況較為少見，出現這種情況的主要原因是波紋管切割后帶毛刺，切面傾斜不順接，亦或是波紋管接口對接不牢固、管口變形不規則、鋼筋束頭打磨不光滑所導致。

3 堵塞加固技術

3.1 加固方案

倒虹吸波紋管出現堵塞施工病害，有可能會給結構安全帶來隱患，因此，必須采取加固補強措施。常用的加固補強措施包括增大截面加固法、外包鋼加固法、增設節點加固法、粘貼碳纖維布加固法、在相鄰孔道增設預應力筋加固法等，在選擇加固補償方法時，需要綜合考慮技術經濟性，要保證既不影響正常的輸水性能，又能確保加固方案方便施工。通過現場勘查，認為粘貼碳纖維布加固法和相鄰孔道增設預應力筋加固法兩種方法比較適合對現場倒虹管堵塞問題進行加固補強[6-7]。

粘貼碳纖維布加固法的原理是利用纖維布在受損部位承擔拉應力，從而提升結構的承載能力和抗裂能力，其施工步驟可簡述為：(1)清理構件表面；(2)構件表面找平；(3)涂抹底膠；(4)粘貼碳纖維布。相鄰孔道增設預應力筋加固法的加固原理是在相鄰孔道中增加一束預應力筋來對管道堵塞受損部位進行加固，其本質上是通過改變預應力筋受力面積來增大承載力和抗裂能力。

3.2 有限元模型

波紋管堵塞后的首要工作是要確定和判斷堵塞點的具體位置，根據施工現場檢查發現：波紋管堵塞的主要位置集中在倒虹管底板處，而頂板和豎墻位置處的堵塞現象較少，因此在建立有限元模型時將倒虹管底板正中心位置設置為堵塞點。有限元模型均采用六面體單元進行網格劃分，波紋管管身、混凝土、土層等均采用SOLID45三維非線性實體單元，鋼筋選用LINK8桿單元，預應力鋼絞線采用線單元，普通鋼筋采用整體法模擬，預應力筋選用分離式法進行模擬。模型采用直角坐標系，坐標原點選在結構下角點，x方向表示倒虹管橫向，y方向表示倒虹管豎向，z方向表示倒虹管縱向，底部(豎向)施加固定約束，左右兩個倒虹管側面施加橫向位移UX，前后兩節倒虹管施加縱向位移約束UZ。建立的倒虹管有限元模型見圖2。

圖2 倒虹管有限元模型

3.3 參數及工況設置

混凝土：密度大小為2680 kg/m3，彈性模量為38.2 GPa。土體：粉質壤土，濕容重為19.5 kN/m3，飽和容重21 kN/m3，內摩擦角28°，泊松比0.3，彈性模量為12 MPa。預應力鋼絞線：初應變為0.005，底板和頂板鋼絞線截面面積為0.00098 m2，邊墻鋼絞線截面面積為0.0007 m2，中槍鋼絞線截面面積為0.00056 m2。碳纖維布的厚度為0.167 mm，彈性模量取值為2.3×105MPa，泊松比為0.17，密度大小為1.8 g/cm3，線性膨脹系數為7×10-7/℃，抗拉強度為1600 MPa。

共設置6種工況。①工況1：渠道水位為0，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；②工況2：渠道水位為設計水位，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為0.68 m；③工況3：渠道水位為設計水位，河道水位也為設計水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；④工況4：渠道水位為加大水位，河道水位為枯水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；⑤工況5：渠道水位為設計水位，河道水位為校核水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m；⑥工況6：渠道水位為加大水位，河道水位為校核水位，河床下覆蓋層厚度為16.5 m。

3.4 加固效果對比

模擬分析得到的兩種加固方法在不同工況下對倒虹管的增強效果見圖3。從圖3可以看到：對于倒虹管底板，粘貼纖維布和增設預應力筋均能起到較好的增強效果，其中，粘貼纖維布后，對壓應力的增強效果最為明顯，平均增強率達到133.5%，對拉應力的增強效果也達到了28.2%，增設預應力筋過后，對壓應力和拉應力的平均增強效果分別為20.7%和10%。對于倒虹管頂板，粘貼纖維布對壓應力的平均增強效果達到了484.2%，對拉應力的平均增強率為12.2%，而增設預應力筋對壓應力和拉應力的改善效果均比較微弱，平均增強率僅為0.2%和0.4%，表明增設預應力筋對頂板改善效果不佳。對于倒虹管側墻，粘貼纖維布時對壓應力和拉應力的平均增強率達到139.3%和4.3%，增設預應力筋時對壓應力和拉應力的平均增強率僅為3.3%和5.3%。

通過對倒虹管底板、頂板和側墻三個位置處在采取粘貼纖維布和增設預應力筋兩種方案進行加固補強的效果對比可知：粘貼纖維布對于解決倒虹管堵塞問題效果更佳，因而在實際工程中應優先考慮采取粘貼纖維布方式對倒虹管堵塞位置進行加固補強。

(a)倒虹管底板

(b)倒虹管頂板

(c)倒虹管側墻

4 結語

針對黔西北干渠9標倒虹管工程施工過程中出現的波紋管堵塞問題，提出了粘貼纖維布和增設預應力筋兩種加固方式，通過對倒虹管底板、頂板和側墻三個位置處在采取粘貼纖維布和增設預應力筋兩種方案進行加固補強后的模擬效果對比，結果顯示粘貼纖維布對于解決倒虹管堵塞問題效果更佳，應該在實際工程中予以優先考慮。