模袋混凝土水下快速修復(fù)輸水渠道技術(shù)及應(yīng)用

曹會(huì)彬，申黎平，張文峰，馮瑞軍

（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州450016）

南水北調(diào)中線干線工程沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，渠道線路長(zhǎng)，渠道運(yùn)行過(guò)程中遇到的不確定因素較多，對(duì)渠道過(guò)水?dāng)嗝妗⒁r砌表面平整度、渠道輸水能力、水質(zhì)保護(hù)等有嚴(yán)格的要求。目前總干渠處于正常通水運(yùn)行階段，對(duì)于總干渠水面以下渠坡?lián)p壞不具備停水修復(fù)條件，為保證通水安全，急需對(duì)水面以下渠坡襯砌進(jìn)行水下修復(fù)。本文研究了采用模袋混凝土進(jìn)行水下快速修復(fù)，為后期南水北調(diào)全線局部襯砌損壞修復(fù)以及應(yīng)急搶險(xiǎn)修復(fù)提供技術(shù)支持。

1 渠道特征及損壞情況

1.1 渠道斷面

南水北調(diào)總干渠楊莊溝渡槽段渠道在汛期遇特大暴雨，排水渡槽漫槽造成右岸上游襯砌面板損壞，長(zhǎng)度約20 m。楊莊溝渡槽段渠道為挖方渠道，設(shè)計(jì)流量為260 m3／s，加大流量為 310 m3／s，渠底寬 15.5 m，一級(jí)坡坡比為1 ∶2.0，二級(jí)坡坡比為1 ∶1.5，渠道縱比降為1 ∶20 000，渠道設(shè)計(jì)水深 7.00 m，加大水深 7.52 m，渠坡混凝土護(hù)砌厚10 cm，渠底混凝土護(hù)砌厚8 cm，襯砌板下為600 g／m2的復(fù)合土工膜，右岸保溫板厚2.5 cm，砂礫石墊層厚5 cm，渠道具體襯砌結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。渠坡縱向集水暗管采用強(qiáng)滲軟式透水管，集水管內(nèi)徑φ＝250 mm，間距L1＝8 m，渠底沿中心線設(shè)一排縱向集水暗管，每隔8 m設(shè)一個(gè)逆止式排水器，間隔16 m設(shè)一道橫向連通管，橫向連通管同樣采用強(qiáng)滲軟式透水管，內(nèi)徑與縱向集水暗管的相同，橫向連通管繞過(guò)齒墻鋪設(shè)。

1.2 渠道損壞情況

汛期洪水從楊莊溝排水渡槽漫槽，直接沖刷到上游渠道右岸襯砌面板和一級(jí)馬道上的二級(jí)渠坡，造成襯砌板隆起損壞和二級(jí)渠坡菱形框格護(hù)坡?lián)p壞。襯砌板隆起損壞的主要原因是洪水沖刷使得襯砌板損壞及移動(dòng)，襯砌板下的土工膜、保溫板隨之移動(dòng)破壞，砂石墊層向下位移、頂推，造成局部襯砌板隆起。

損壞部位主要為渠道右岸的襯砌及襯砌下的土工膜、保溫板和局部擾動(dòng)的砂石墊層，渠道基礎(chǔ)基本沒(méi)有 破壞。

圖1 渠道襯砌結(jié)構(gòu)（單位：mm）

2 模袋混凝土特征

根據(jù)楊莊溝排水渡槽段渠道損壞情況，考慮采用模袋混凝土對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。模袋混凝土通過(guò)高壓泵將混凝土或水泥砂漿灌入模袋中，模袋上下兩層由具有一定強(qiáng)度穩(wěn)定性和滲透性的高質(zhì)量機(jī)織化纖布制成，混凝土或水泥砂漿的厚度通過(guò)袋內(nèi)吊筋袋、吊筋繩（聚合物如綿綸等）的長(zhǎng)度來(lái)控制，混凝土固結(jié)后形成具有一定強(qiáng)度的板狀結(jié)構(gòu)或其他狀結(jié)構(gòu)［1-4］。與普通混凝土相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：一次噴灌成型，施工簡(jiǎn)便、速度快；適應(yīng)各種復(fù)雜地形，特別是應(yīng)用在深水護(hù)岸、護(hù)底、渠道、水庫(kù)、堤防等時(shí)不需填筑圍堰，可直接水下施工，機(jī)械化程度高，所護(hù)坡面面積大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)；具有一定的透水性，在注入混凝土以后，多余的水分通過(guò)織物孔隙滲出，可以迅速降低水灰比，加快混凝土凝固，增大混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是，目前模袋混凝土鋪設(shè)采用鋼管輔助鋪設(shè)，定位準(zhǔn)確度低；模袋混凝土澆筑成型后，表面凹凸不平、糙率大、平整度不好，影響渠道輸水能力及水流流態(tài)，且表面美觀性差；同時(shí)現(xiàn)有模袋混凝土澆筑時(shí)，每隔4～5 m設(shè)置一個(gè)注料孔，注料孔設(shè)置較多使得渠道過(guò)水?dāng)嗝娲?、坡面長(zhǎng)的施工現(xiàn)場(chǎng)水下澆筑的難度增大；施工機(jī)械設(shè)備問(wèn)題也直接影響工程正常施工和進(jìn)度。

基于南水北調(diào)中線工程對(duì)渠道過(guò)水?dāng)嗝?、平整度、輸水能力、水質(zhì)保護(hù)等的要求，為了不影響渠道現(xiàn)有輸水能力，對(duì)模袋混凝土的水下定位安裝、水下澆筑及模袋平整度進(jìn)行了研究。

3 模袋混凝土修復(fù)技術(shù)研究

為控制模袋澆筑的平整度，先后進(jìn)行了多個(gè)方案對(duì)比試驗(yàn)研究。經(jīng)過(guò)總結(jié)，最后進(jìn)行了模袋尺寸18 m×4 m的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。澆筑模袋混凝土?xí)r表面用鋼模板固定，采取底部加大鋼絲網(wǎng)剛度、加密螺桿間距、柔性處理鋼絲網(wǎng)結(jié)合處等措施控制模袋平整度。

（1）模袋材料要求。①模袋材料采用滌綸高強(qiáng)機(jī)織布，單位面積質(zhì)量≥550 g／m2，經(jīng)向斷裂強(qiáng)度≥100 kN／m，緯向斷裂強(qiáng)度≥70 kN／m，延伸率＜30%，頂破力≥10.5 kN，等效孔徑為0.084～0.250 mm。 模袋布不應(yīng)有缺陷（如破損、斷紗等）。②模袋每幅寬度3 m，模袋扣帶水平間距采用40 cm×40 cm，模袋上下兩層邊框縫制應(yīng)采用4層疊制法，縫制寬度不應(yīng)小于5 cm，針腳間距不大于0.8 cm。③每幅模袋定制時(shí)上、下緣應(yīng)留有直徑10 cm的管套，便于穿入鋼管，以下緣鋼管為軸將模袋卷成筒狀，以便于施工中模袋的展鋪。④模袋的總長(zhǎng)度應(yīng)大于設(shè)計(jì)護(hù)坡長(zhǎng)度，富余量由對(duì)坯布進(jìn)行填充試驗(yàn)得到的伸縮率確定。

（2）模袋結(jié)構(gòu)要求。①模袋拉筋距離采用18.5 cm，固定鋼模板的鋼螺栓中螺紋長(zhǎng)度為12 cm，鋼模板與鋼絲網(wǎng)控制厚度為18.5 cm，螺紋上包塑料管（長(zhǎng)7 cm）利于模袋展開(kāi)。②頂部鋼模板超出模袋邊緣兩側(cè)各約30 cm，兩塊模板接縫處下部設(shè)置寬0.5 m的土工布。③固定鋼模板的螺栓控制間距為40 cm，單塊鋼模板只需在4個(gè)角處用2個(gè)螺母固定，單塊鋼模板中間只需頂部螺母控制距離。④底部采用鐵絲網(wǎng)固定，鐵絲網(wǎng)加墊片。⑤為保證混凝土對(duì)模袋有效充填，適當(dāng)布置混凝土充填孔。螺桿孔位示意見(jiàn)圖2。

（3）模袋鋪設(shè)過(guò)程。①限位孔間距調(diào)整為40 cm×40 cm。②底部墊片為圓形（半徑為16.5 cm），墊片頂部加薄橡膠墊，進(jìn)一步保護(hù)模袋。③鐵絲網(wǎng)鐵絲直徑為6 mm。④鐵絲網(wǎng)、墊片及螺桿焊接完畢并加蓋橡膠墊后，將模袋平鋪在鋼絲網(wǎng)上面，將螺桿穿入模袋相應(yīng)位置（鼓包位置），模袋全部伸平，不預(yù)留模袋布料。⑤調(diào)整混凝土強(qiáng)度及其流動(dòng)性，坍落度調(diào)整為210 mm。

圖2 螺桿孔位示意（單位：cm）

（4）試驗(yàn)成果。①模袋充灌時(shí)，對(duì)于泵車泵送速率按最低控制，泵管傾斜，進(jìn)料口處鋪墊長(zhǎng)條形橡膠墊，泵管管口對(duì)著橡膠墊充灌，以避免模袋布在充灌時(shí)出現(xiàn)破裂。②模袋布縫制位置出現(xiàn)凹溝，因人工縫制的模袋拉筋長(zhǎng)度不易控制，故后期實(shí)施時(shí)可直接采用3 m幅寬的模袋。③模袋中間部位澆筑情況較兩側(cè)效果差一點(diǎn)，后期實(shí)施時(shí)，模袋頂部中間可增加一個(gè)進(jìn)料口。④模袋混凝土澆筑成型后表面平整度整體效果比較好，可以正式進(jìn)行水下修復(fù)鋪裝。

4 模袋整體快速水下安裝

水下分塊安裝速度慢，安裝工作量較大，同時(shí)逐塊水下安裝易造成模袋布損壞，給后期混凝土澆筑造成隱患。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)摸索，在保證模袋平整度的情況下，渠坡模袋修復(fù)安裝可采用吊車整體一次吊裝完成。

（1）模袋結(jié)構(gòu)選擇。模袋扣帶間距為30 cm×30 cm，模袋尺寸為3 m（順?biāo)鞣较颍?8 m（渠坡方向），按修復(fù)渠道長(zhǎng)度選擇模袋幅數(shù)；模袋拉筋長(zhǎng)度為20 cm；為保證混凝土對(duì)模袋的有效充填，頂部設(shè)置3個(gè)充灌口；模袋兩側(cè)底部預(yù)留50 cm長(zhǎng)度的土工膜，用于模袋的搭接。

（2）鋼絲網(wǎng)、墊片、螺桿制作安裝。鋼絲網(wǎng)采用焊接組合；鋼絲網(wǎng)網(wǎng)格間距為8 cm×8 cm；墊片厚度為3 mm，墊片直徑為15 cm，與鐵絲網(wǎng)的搭接方式為底部焊接；螺桿采用圓鋼（直徑為12 mm），長(zhǎng)度為30 cm，螺紋長(zhǎng)度為12 cm；鋼絲網(wǎng)單片尺寸為3.0 m×1.5 m，搭接方式為焊接。固定鋼模板的螺栓間距為40 cm，單塊鋼模板只在4個(gè)角處用2個(gè)螺母固定，其余部位用頂部螺母控制距離。限位螺桿、墊片及鋼絲網(wǎng)焊接組合布置見(jiàn)圖3。

（3）限位螺桿固定模袋。鋼絲網(wǎng)、墊片及螺桿焊接組合完畢后，將模袋平鋪在鋼絲網(wǎng)的上面，撐緊模袋將限位螺桿逐層穿入模袋，螺桿固定在模袋的鼓包位置，同時(shí)用螺帽固定模袋頂部高度。

圖3 限位螺桿、墊片及鋼絲網(wǎng)焊接組合布置（單位：cm）

（4）模板安裝。模板采用組合鋼模板，尺寸為1.2 m×1.5 m，模板之間采用螺桿、卡口組合方式進(jìn)行拼接，陸上拼裝后整體吊裝進(jìn)行安裝。

（5）模袋吊裝及定位。吊架采用10#槽鋼焊接，控制吊架總質(zhì)量在1.5 t以內(nèi)。豎向槽鋼預(yù)留孔位用于連接模板和底部鋼絲網(wǎng)骨架。骨架上焊接6個(gè)吊點(diǎn)，便于后期吊車整體吊裝，見(jiàn)圖4。吊裝過(guò)程中通過(guò)吊帶和手拉葫蘆控制吊架的傾斜度。

圖4 吊架設(shè)計(jì)

在模袋鋪設(shè)過(guò)程中，為保證模袋與一級(jí)馬道的垂直性，選取上游側(cè)未破壞的襯砌板為參照物，分別從破壞區(qū)域頂部、底部進(jìn)行測(cè)量、控制，從而確定模袋上游側(cè)頂部和底部的準(zhǔn)確位置，并做好定位樁。

為方便模袋位置調(diào)整，左右方向采用吊車調(diào)整，上下游方向采用上游側(cè)3 t卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行位置調(diào)整，同時(shí)潛水員控制模袋底部的位置。

模袋鋪設(shè)完畢之后，岸坡上收緊鋼絲繩，校核、調(diào)整模袋與一級(jí)馬道的垂直性。第2幅模袋鋪設(shè)時(shí)將第1幅模袋預(yù)留的50 cm土工膜壓在底部；第2幅模袋上游側(cè)預(yù)留5 cm長(zhǎng)布料，以便后期澆筑時(shí)混凝土充灌多余布料，與上游側(cè)澆筑好的模袋結(jié)合緊密，以后逐幅鋪設(shè)。

整幅模袋一次整體安裝的施工工藝適應(yīng)了在南水北調(diào)不停水條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)水快速維修渠道襯砌面板，模袋整體安裝，既施工快捷、方便，也能較好地固定于水下，縮短了潛水員水下作業(yè)的時(shí)間及降低了水下作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，保證了模袋鋪設(shè)質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

為保證模袋混凝土表面平整度，需從模袋材質(zhì)、模板、澆筑混凝土的流動(dòng)性及澆筑過(guò)程上控制。采用鋼筋網(wǎng)和模板控制澆筑后模袋混凝土的平整度和模袋厚度，渠道過(guò)流能力強(qiáng)，水流流態(tài)佳，地基稍微不平時(shí)模袋配合底部鋼筋網(wǎng)可適應(yīng)地基的不平整，同時(shí)不影響模袋混凝土上表面的平整度。

采用鋼絲網(wǎng)加螺桿固定模袋，頂面加蓋鋼模板，槽鋼骨架固定模板，吊車整體一次水下吊裝的施工工藝可以滿足模袋混凝土快速水下修復(fù)損壞襯砌的要求，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于后期南水北調(diào)總干渠及其他輸水渠道的局部襯砌損壞修復(fù)及應(yīng)急搶險(xiǎn)修復(fù)工程。