紫銅止水帶在南水北調(diào)輸水隧洞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

張東

【摘要】紫銅止水帶作為一種基本的止水材料被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外高級(jí)水工建、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)中。本文以作者親身經(jīng)歷的南水北調(diào)項(xiàng)目為依托，從設(shè)計(jì)要求、材料選型以及產(chǎn)品制作等方面詳盡闡述和分析了紫銅止水帶在南水北調(diào)輸水隧洞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用過程。

【關(guān)鍵詞】水工；南水北調(diào)；紫銅；止水帶；輸水隧洞；止水

1、前言

由于紫銅具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，較高的抗拉強(qiáng)度以及較好的韌性，能承受較大變形等優(yōu)點(diǎn)，故由其制作成的止水帶可在水工建、構(gòu)筑物發(fā)生不均勻沉降或變形時(shí)，有效避免因止水帶本身斷裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)漏水的情況發(fā)生，使其能夠作為一種基本的止水材料被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外高級(jí)水工建、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)中。本文以作者親身經(jīng)歷的南水北調(diào)項(xiàng)目為依托，從設(shè)計(jì)要求、材料選型以及產(chǎn)品制作等方面詳盡闡述和分析了紫銅止水帶在南水北調(diào)輸水隧洞結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用過程。

2、工程概況

北京市配套工程南干渠、東干渠工程是北京市南水北調(diào)輸水工程的重要組成部分，承擔(dān)著為北京南部、東部各大水廠提供南水北調(diào)水源的任務(wù)。其供水范圍主要包括城區(qū)南部、東部各大新城。工程竣工后將為北京南部及東部地區(qū)帶來外調(diào)水源，對(duì)合理配置水資源，地下水源的長久有效涵養(yǎng)，有著非常重要且深遠(yuǎn)的意義。

南干渠工程施工區(qū)域位于北京市南部，主要跨越豐臺(tái)區(qū)、大興區(qū)，輸水隧洞上游與總干渠永定河倒虹吸相連，其等級(jí)為一等一級(jí)，全長約27公里。該輸水隧洞以京九鐵路側(cè)樁號(hào)K11+302為界分為上、下兩段。上段長約11公里，為2條直徑3.4米隧洞，初支采用淺埋暗挖法施工，二次襯砌采用C30W10鋼筋混凝土，有15座施工豎井；下段長約16公里，為單條直徑4.7米隧洞，初支采用盾構(gòu)法施工，二次襯砌亦采用C30W10鋼筋混凝土，共有5座盾構(gòu)始發(fā)井。

上段設(shè)計(jì)流量30立方/秒，加大流量35立方/秒，下段設(shè)計(jì)流量27立方/秒，加大流量32立方/秒。

東干渠工程施工區(qū)域位于北京市大興區(qū)及朝陽區(qū)東部。工程起點(diǎn)為團(tuán)城湖～第九水廠輸水工程末端分水口，沿五環(huán)路至亦莊橋后與五環(huán)路分離，隨后下穿涼水河，最終與南干渠接駁，總長約45公里。輸水隧洞為一條內(nèi)徑4.6米的雙層襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土圓涵依靠重力流輸水，隧洞初支全部采用盾構(gòu)法施工，隧洞二次襯砌全部為C30W10鋼筋混凝土。其沿線設(shè)置有排氣閥井、排空井、分水口、調(diào)壓井、管理用房等。

3、材料特性及設(shè)計(jì)要求

3.1 材料特性

紫銅止水帶作為一種基本的止水結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大、中型水利項(xiàng)目中，紫銅是含銅量不低于99.5%的工業(yè)純銅，因表面呈現(xiàn)出紫色而得名。根據(jù)其含銅量不同，其牌號(hào)分為：T1、T2、T3、T4。其優(yōu)點(diǎn)是柔韌性好，抗擾滲能力強(qiáng)，抗腐蝕性強(qiáng)，耐久性好；其缺點(diǎn)是止水帶接頭需現(xiàn)場(chǎng)焊接，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高，并且施工造價(jià)較高。

3.2 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)其以上性能特點(diǎn)，北京市南水北調(diào)配套工程南干渠進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，將原設(shè)計(jì)中埋式橡膠止水帶更改為中埋式紫銅片止水帶。具體結(jié)構(gòu)形式如下圖所示：

設(shè)計(jì)圖紙對(duì)紫銅止水帶的原材料還做如下要求：紫銅應(yīng)選擇T2純銅，紫銅片抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于205Mpa，伸長率應(yīng)不低于20%，紫銅片止水帶的化學(xué)成分和物理力學(xué)性能應(yīng)滿足GB/T2059的規(guī)定。

3.3 紫銅止水帶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)說明

（1）厚度：設(shè)計(jì)要求為1.2mm厚度的紫銅片，材料的厚度從抗腐蝕性這一方面來分析，能夠決定其使用年限的長短。目前還比較缺乏各種液體對(duì)止水帶的腐蝕性研究，但僅對(duì)于紫銅止水帶來說，以往的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行參考：

按照1.2mm厚紫銅板計(jì)算，長期浸泡在10%NaOH、3%NaCl以及地下水中，使用年限分別為52年、55年和600年，完全能夠滿足南水北調(diào)這個(gè)“世紀(jì)工程”的使用年限要求。

（2）銅鼻子：由于紫銅本身特性較軟，銅鼻子的設(shè)置在保證止水帶延展性的同時(shí)，還能增加其剛度，吸收接縫變形，以最大限度的減少因接縫變形在紫銅止水帶中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。此外還有增加繞滲路徑長度的作用，使其在結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微變形時(shí)，也能保證良好的止水效果。

（3）立腿：其作用是在接縫變形過程中，減少紫銅止水帶翼板與混凝土之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，確保翼板的抗繞滲能力，同時(shí)立腿本身也具有增加繞滲路徑長度的通，從而使得止水帶抗繞滲能力增強(qiáng)。

4、紫銅止水帶的制作

4.1 原材料的選擇

根據(jù)《銅及銅合金帶材》GB/T2059-2008對(duì)銅材的力學(xué)性能規(guī)定，只有M（軟態(tài)）的銅材能滿足設(shè)計(jì)要求，相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)見下表：

故選用厚度為1.2mm的T2M軟態(tài)銅作為止水帶的制作材料。與硬態(tài)銅相比，軟態(tài)銅具有較大的伸長率，且適應(yīng)接縫變形能力好。同時(shí)，在加工成型過程中也不易造成損壞。

4.2 制作生產(chǎn)

選用分片生產(chǎn)，集中運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)焊接成環(huán)的形式。每環(huán)紫銅止水帶分為6片，每片在廠家分三次沖壓成型，運(yùn)輸至施工場(chǎng)后，進(jìn)行手工氬弧焊焊接拼裝，最后安裝至結(jié)構(gòu)施工縫中。

（1）第一次沖壓：由于采用“由片成環(huán)”的模式，現(xiàn)場(chǎng)焊接采用搭接焊，搭接長度2cm，第一次沖壓成型2cm的“子母扣”搭接接頭（如圖3所示）；

（2）第二次沖壓：成型90mm銅鼻子以及整片止水帶的起拱；

（3）第三次沖壓：成型90mm立腿。

（4）現(xiàn)場(chǎng)焊接成環(huán)：焊縫對(duì)于整條止水帶來說，是一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量的好壞，直接影響到整體的止水效果。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)和檢測(cè)，焊接工藝選擇手工氬弧焊雙面搭接焊，其焊絲為紫銅絲，為有效避免氣孔、夾渣等缺陷產(chǎn)生，施焊前須將焊絲以及紫銅板搭接處進(jìn)行砂紙打磨，有效清理氧化膜。施焊過程中，先預(yù)熱焊件，預(yù)熱溫度為150～300℃為宜，提高焊接速度，減少氬氣消耗量，從而保證焊縫根部可靠的熔合和焊透。值得注意的是，預(yù)熱溫度不宜過高，否則會(huì)使焊接接頭的力學(xué)性能降低。對(duì)于止水帶接頭焊接強(qiáng)度，相關(guān)試驗(yàn)表明：

《水工建筑物止水帶技術(shù)規(guī)范》DL/T5215-2005中規(guī)定，銅止水帶的接頭強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比不能低于0.7。另考慮現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定性，故選用銅焊二遍的焊接方法，以保障紫銅止水帶的焊接質(zhì)量。焊接成環(huán)的紫銅止水帶如圖4所示。

5、結(jié)論

雖然紫銅止水帶造價(jià)較高，從生產(chǎn)再到現(xiàn)場(chǎng)焊接、安裝，各個(gè)環(huán)節(jié)均有嚴(yán)格的質(zhì)量要求，但是因其具有優(yōu)質(zhì)的止水特性，依舊被國內(nèi)外廣大重點(diǎn)水利工程所采用。我國水利行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，普通止水帶被不同結(jié)構(gòu)形式的紫銅止水帶所取代必將為一種趨勢(shì)。

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