大型輸水渠道在不停水工況下襯砌板局部隆起處理分析

鄭曉陽，張曉亮，陳嘉敏，毛鵬飛

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局,河南 平頂山 467000）

0 引言

輸水渠道運行期間,巡視人員巡查輸水渠道襯砌面板時發(fā)現(xiàn)水面以下約20 cm處（渠道底板以上約6.8 m處）,渠道襯砌板局部疑似隆起,隆起高度約10 余厘米,經(jīng)現(xiàn)場全面排查,發(fā)現(xiàn)共有3 處襯砌面板存在破壞跡象,隨即開展了水下電視深度檢查。

1 工程概況

處理渠段為全挖方渠段,挖深12.0 m左右,渠道內(nèi)邊坡坡比1∶2.25,水深7 m。渠段過水?dāng)嗝鏋镃20F150W6 現(xiàn)澆混凝土襯砌,渠坡厚10 cm、渠底板8 cm。渠道襯砌分縫間距4 m,通縫和半縫間隔布置,縫寬2 cm,縫內(nèi)填充閉孔泡沫板及聚硫密封膠。

2 現(xiàn)場破損情況及原因分析

2.1 現(xiàn)場破損情況

通過水下機器人對混凝土襯砌面板疑似存在問題的100 m范圍渠坡襯砌板自上游往下游逐一檢查,檢查發(fā)現(xiàn)該渠段水下存在多處錯臺且局部有襯砌板斷裂、土工膜破損外露等現(xiàn)象,錯臺最大長度約28 m,最大隆起高度約28 cm。在對0~24 m檢查中,①4 m處,板三～板五上下游形成錯臺,長度約12 m,最大隆起高度25 cm；②8 m處,板三、板四上下游形成錯臺,長度約8 m,最大隆起高度10 cm；③24 m處,板三、板四上下游形成錯臺,長度約8 m,最大隆起高度24 cm；④4 m~24 m范圍橫向裂縫,貫穿①～③且渠坡襯砌板在板四以下小幅下滑（下滑1 cm~2 cm）,局部產(chǎn)生錯臺,最大隆起高度6 cm。

在對44 m~100 m檢查中,①在48 m處,板三、板四預(yù)留縫存在錯臺,長度8 m,最大隆起高度5 cm；②在48 m~62 m范圍,長度約14 m,板三、板四之間順?biāo)鞣较虼嬖阱e臺,錯臺最大高度約5 cm；③在72 m處,板二～板五塊襯砌板形成錯臺,長度約8 m,最大隆起高度24 cm；④板三、板四在76 m處上下游方向存在錯臺,最大隆起8 cm；⑤在80 m處,板四、板五存在錯臺,長度約6 m,最大隆起高度約28 cm,端部（板五）存在裂縫,長度約3 m,最大寬度約1 cm；⑥在96 m處,板二～板五預(yù)留縫位置存在錯臺,長度約16 m,最大隆起高度約28 cm；⑦100 m處襯砌板縱向縫錯臺,長度約12 m,最大隆起高度約8 cm且板5端部襯砌板斷裂,長度約5 m,裂縫最大寬度約3 cm；⑧68 m~96 m范圍,長度28 m,板三、板四順?biāo)鞣较虼嬖阱e臺,錯臺最大高度約10 cm,襯砌板間縫隙最大寬度約1 cm；⑨72 m~96 m范圍,長度約24 m,板四、板五順?biāo)鞣较虼嬖阱e臺,錯臺最大高度約10 cm,縫寬約1 cm；⑩72 m~98 m范圍,長度約26 m,板二、板三排順?biāo)鞣较虼嬖阱e臺,錯臺最大高度約1 cm。

2.2 破壞原因分析

通過挖深及地勢分析,該渠段底板位于寒武系頁巖和灰?guī)r中上部,渠坡主要由頁巖、灰?guī)r和重粉質(zhì)壤土構(gòu)成。結(jié)合渠道開挖時渠坡在灰?guī)r夾層位置局部有滲水點,滲水點位于距渠底6m渠坡位置,可推測該部位地下水位高于總干渠設(shè)計水位；另外結(jié)合現(xiàn)場水下機器人檢查情況,損壞部位大部分位于從封頂板向渠底第三排和第四排襯砌板,損壞部位與施工期渠坡滲水點位置較吻合。

總干渠左岸截流溝外側(cè)135 m處為昭平臺水庫灌區(qū)北干渠,昭北干渠渠底高程137.11 m,高出總干渠設(shè)計水位約7 m。根據(jù)南水北調(diào)總干渠地質(zhì)橫斷,該段左側(cè)上游40 m外地層內(nèi)有卵石層。通過初步觀察未有降雨的情況下,觀測井內(nèi)水位仍普遍高于渠內(nèi)運行水位,初步分析可能是昭北干渠渠內(nèi)水通過該層卵石層滲流至總干渠。

綜合以上分析,該部位可能存在頁巖與灰?guī)r結(jié)合部位的滲流通道是造成本次襯砌損壞的主要原因。

3 邊坡穩(wěn)定分析

3.1 計算工況

3.1.1 計算設(shè)計斷面邊坡穩(wěn)定

考慮如下工況Ⅰ：渠內(nèi)設(shè)計水位,地下水穩(wěn)定滲流情況下設(shè)計斷面邊坡穩(wěn)定,地下水水位采用觀測井內(nèi)水位與預(yù)測高水位的大值。

工況Ⅱ：渠內(nèi)水位驟降30 cm,地下水穩(wěn)定滲流情況下設(shè)計斷面邊坡穩(wěn)定。

3.1.2 計算方法

采用中國水利水電科學(xué)院編制的《土石壩邊坡穩(wěn)定分析程序》（STAB95）來進行邊坡穩(wěn)定分析計算。

基本模型為：

式中：H為滲流場的水頭函數(shù)；P為水壓力；Kx和Ky分別為x和y方向土的滲透系數(shù)[1]。

3.1.3 計算參數(shù)

選取設(shè)計樁號SH（3）21+997.6斷面為計算斷面,計算參數(shù)見表1。地下水位選取132.1 m。

表1 典型斷面計算參數(shù)采用值表

3.1.4 計算成果

邊坡計算成果見表2。

表2 邊坡穩(wěn)定復(fù)核成果表

根據(jù)計算結(jié)果可以看出,本渠段在加大流量運行情況下,邊坡穩(wěn)定滿足要求。

4 襯砌面板破損處理方案

4.1 排水處理措施

4.1.1 影響半徑

本渠段地層主要為頁巖,根據(jù)前期南水北調(diào)工程地質(zhì)勘察資料,頁巖的透水率多為弱透水,局部中等透水,滲透系數(shù)采用4×10-4cm/s。含水層的影響半徑根據(jù)公式R=2SWKH[2]。

經(jīng)過計算R=36 m,考慮到地層可能存在滲漏通道,滲透系數(shù)要大于頁巖滲透系數(shù),因此井間距按20 m考慮。

4.1.2 降水井出水量：

根據(jù)公式,計算得出單井出水流量為58 m3/d[2]。

4.1.3 降水井布置

降水井管徑采用內(nèi)徑0.5 m、壁厚0.05 mC15 無砂混凝土管。井底高程113 m,降水井間距20 m。

4.1.4 抽排方案比選

①單井抽排。為滿足排水要求,又要達到節(jié)省投資和使用方便的目的,水泵選用潛水水泵。根據(jù)水泵參數(shù),水泵工作時間即不過長也不能太短,按2小時抽完考慮,水泵揚程為15 m。②單井連通抽排。降水井之間通過管道連通后,通過對末端降水井內(nèi)的地下水進行抽排,達到降低處理段地下水位的目的。井內(nèi)水位要降到渠底高程123 m,因此,連通管道埋設(shè)底部高程為123 m。管道沿線埋設(shè)管頂覆土厚度約10m,因此選用環(huán)剛度SN12的UPVC雙壁波紋管。③方案比選。單井抽排方案需在每座井內(nèi)布置一套抽水設(shè)施,單井連通抽排方案只需在末端降水井內(nèi)布置一套抽水設(shè)施。

單井連通方案需將每座降水井通過管道連通,管道埋深較深,進行開挖施工埋設(shè)管道施工空間不足,需要增加臨時占地,且該段地層為頁巖,總體施工難度較單井抽排方案復(fù)雜。

綜合考慮,采用單井抽排方案。

4.2 水下處理

4.2.1 主要工序

鉚釘植入→連接鋼絲繩→土工膜穿孔排水→混凝土襯砌板復(fù)位（錯臺切割）→壓重及不銹鋼壓板固定,共5 道工序。

4.2.2 施工方法

（1）鉚釘植入：潛水員用刮刀及鏟子將原襯砌面板表面處理干凈,按照間隔1 m在輕微滑塌的襯砌板上植入M10 mm鉚釘,鉚釘為不銹鋼材質(zhì),一側(cè)為彎鉤,植入深度6 cm；

（2）連接鋼絲繩：潛水員使用φ10 mm鋼絲繩一段固定在鉚釘上,另一側(cè)與千斤頂組合裝置連接；

（3）土工膜穿孔排水：檢查襯砌板隆起部位土工膜鼓包處,利用裁紙刀、針錐等利器將其洞穿,并排除包裹在土工膜內(nèi)的積存的地下水；

（4）混凝土襯砌板復(fù)位：積水排除后利用千斤頂組牽引鋼絲繩逐步使襯砌板恢復(fù)至原來位置,如襯砌板局部變形較為嚴(yán)重則采用水下切割辦法將影響部分切除后在進行復(fù)位；

（5）壓重及不銹鋼壓板固定：①不銹鋼壓板：垂直裂縫（結(jié)構(gòu)縫）方向間隔50 cm固定厚度3 mm、寬80 mm的不銹鋼壓板、壓條單根長度100 cm（縫兩邊各50 cm）,并使用M10×75 不銹鋼膨脹螺栓固定,螺栓間距為300 mm。②壓重：壓重采用碎石袋進行水下碼放,碼放位置為渠道底板自下而上到坡面襯砌板4 塊面板。碎石袋壓重保護方式如下:a.破壞程度較輕的渠段,自下而上第一塊襯砌板碼放3 層石子袋,第二塊碼放3 層,第三塊碼放2 層,第四塊碼放2 層；b.破壞程度較重的渠段,自下而上第一塊襯砌板碼放5 層石子袋,第二塊碼放4 層,第三塊碼放3 層,第四塊碼放2 層。

5 結(jié)語

輸水渠道損壞的襯砌板如不能及時修復(fù)可能對整個工程運行安全造成嚴(yán)重影響,如何能在不停水的工況下完成對損壞襯砌板的修復(fù),一直是大型輸水渠道工程維護的一個難題,本項目在不停水的工況下通過增設(shè)抽排井、水下壓重兩種途徑解決襯砌板隆起問題,希望能為類似工程維護提供參考。