大型輸水渠道邊坡水中修復綜合措施研究

曹會彬，張 帥，馬慧敏，劉吉永

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450016）

某大型輸水渠道因突降特大暴雨而渠段左岸一級馬道出現(xiàn)裂縫，隨后進一步發(fā)展至一級馬道瀝青混凝土路面塌陷，渠道襯砌板隆起破壞。由于渠道暫時不具備停水檢修條件，缺陷長時間不處理可能會對渠道邊坡的整體穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此能否在不停水的條件下完成維護和修復工作，就成為該渠道安全運行的當務之急。

目前關于水下修復的文獻資料中多為水下混凝土裂縫修復，且多為裂縫修補材料和施工工藝的研究，也有部分關于干地作業(yè)維修的，但是尚無在渠道輸水狀態(tài)進行水下坡體修復的研究。本文研究了渠道輸水狀態(tài)水力學條件下水下圍擋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和安全可靠性問題，提出了一整套水下邊坡修復設計方案，并在實際工程中進行了現(xiàn)場試驗。水下邊坡修復研究主要包括：①過水斷面邊坡水中修復方案設計、坡體排水方案設計；②水下圍擋措施穩(wěn)定性及可靠性研究；③修復期間渠道運行要求方案等。本文根據(jù)現(xiàn)場試驗情況對以上措施進行了詳細分析。

1 工程概況

發(fā)生險情的渠段為全挖方渠段，挖深約20 m。渠道縱向設計比降為1/20 000，設計底寬b=14.5 m，渠道內(nèi)邊坡自下而上依次為1∶2.25、1∶2.00、1∶1.75，設計水深7.00 m、設計流量260 m3/s，加大水深約7.55 m、加大流量310 m3/s，渠底高程為92.76～92.72 m，一級馬道高程101.82～101.77 m、馬道寬5 m，一級馬道以上各級馬道寬2 m，相鄰馬道高差為6 m[1]。

該渠段過水斷面為現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠坡厚10 cm、渠底板厚8 cm，強度等級為C20，抗凍等級F150，抗?jié)B等級W6。渠道襯砌分縫間距4 m，通縫和半縫間隔布置，縫寬2 cm。分縫臨水側(cè)均采用聚硫密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。過水斷面采用保溫板進行防凍，渠坡保溫板厚2.5 cm，渠底保溫板厚2.0 cm；采用規(guī)格為600 g/m2的兩布一膜對渠道襯砌斷面進行鋪設防滲，復合土工膜膜厚0.3 mm；渠底布設逆止式排水器一排，左右岸渠坡各布設逆止式排水器一排，排水器間距均為10 m。

該渠段排水溝均為矩形斷面，一級馬道縱、橫向排水溝寬0.4 m，溝深0.6 m，厚度為0.15 m，為C15混凝土結(jié)構(gòu)。其余縱橫排水溝深和寬均為0.3 m，采用C15預制混凝土“凹”形槽，厚度為0.1 m，每段長0.6 m。

渠道一級馬道以上內(nèi)坡采用“菱型框格+混凝土六角框格+植草”進行防護。

該段截流溝布置在渠道左岸防護林帶外側(cè)、渠道永久占地外邊線內(nèi)側(cè)1 m處。溝底寬2 m，邊坡1∶1.5，采用0.3 m厚漿砌石全斷面護砌。

該段防護堤布置在渠道開口線以外工程管理范圍之內(nèi)截流溝內(nèi)側(cè)，距開口線1 m處，左岸防護堤堤頂寬度為3 m，邊坡1∶1.5，臨水側(cè)采用0.3 m厚干砌石防護。

該段為土巖雙層結(jié)構(gòu)段，渠底板主要位于第四系卵石層底部或黏土巖的頂部。渠坡巖性主要為黃土狀重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土和卵石，局部為上第三系黏土巖[2]。渠段內(nèi)分布有砂卵石強透水層和具有膨脹性的黏土巖層，砂卵石地層換填黏土垂直厚度為3.7 m，黏土巖膨脹巖土層渠坡?lián)Q填厚度為1.4 m，渠底換填厚度為1.0 m。渠段典型結(jié)構(gòu)橫斷面見圖1。

圖1 典型橫斷面及邊坡受損部位示意（尺寸單位：mm）

2 過水斷面邊坡修復方案設計

2.1 坡體修復方案設計

采用高壓水槍配合抓斗、鏟運設備進行水下開挖清理破損部位，將較厚的塌滑體清理后采用澆筑模袋混凝土和水下不分散混凝土進行邊坡襯砌結(jié)構(gòu)面修復。對于破損部位較小、滑塌體部位較?。?0 cm左右）的渠段，以設計水位為渠道外水位，根據(jù)襯砌板抗浮穩(wěn)定計算結(jié)果得知襯砌板厚度不小于0.5 m，該次處理采用全斷面換填50 cm等厚板的方案，坡體修復設計見圖2。對于運行期渠道外水位高于渠內(nèi)設計水位的情況，應采取措施保證渠道外側(cè)地下水位不能超過渠道運行水位0.25 m，以保證襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖2 坡體修復方案設計（尺寸單位：mm；高程單位：m）

為滿足以上運行條件，采用如下保障措施：①在一級馬道坡腳處設置排水盲溝，采用自流內(nèi)排方式降低地下水位；在排水盲溝下部設置豎向排水孔降低換填層后水位；設置橫向排水管與排水盲溝和豎向排水孔連接，橫向排水管出水口高程接近渠內(nèi)設計水位，并在出口處設置拍門。②運行期加強地下水位觀測，關注橫向排水管管口拍門開啟狀態(tài)，當拍門影響橫向排水管出水時應人工開啟拍門，當?shù)叵滤坏陀谇?nèi)水位時關閉拍門。③必要時利用排水井和豎向排水孔進行抽排。

2.2 一級馬道路面修復方案設計

將一級馬道處破損土體清理干凈，采用泡沫混凝土回填，經(jīng)多次現(xiàn)場試驗，泡沫混凝土干密度等級確定為A6，考慮整體回填體的抗浮穩(wěn)定，回填體分為雙層結(jié)構(gòu)，其中設計水位至一級馬道縱向排水溝溝底高程區(qū)間恢復為泡沫混凝土，一級馬道縱向排水溝溝底高程以上區(qū)域恢復為現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)，表層5 cm厚為瀝青路面。在泡沫混凝土下部設置防滲齒墻，采用現(xiàn)澆C20混凝土結(jié)構(gòu)，長×寬為30 cm×30 cm，頂部與泡沫混凝土接觸部位設置縱向橡膠止水帶。

2.3 錨固措施

對于全斷面采用50 cm等厚板襯砌的方案，需采用錨固措施以保證襯砌施工順利進行。

（1）設置錨桿。對于采用降低渠外地下水位并用一定厚度混凝土壓重方式解決渠道襯砌板抗浮穩(wěn)定問題的渠段，為提高上部襯砌安全度，采用在渠道設計水位以上增加自張式機械錨桿，錨板嵌于混凝土層內(nèi)。

自張式機械錨桿單根長度為12 m，與水平方向交角40°，間距2.0 m，設計錨固力為40 kN，鎖定錨固力為20 kN。錨桿與渠道邊坡交叉位置高程為設計水位以上0.1 m，錨桿承壓板設置于模袋混凝土上部，嵌于表層混凝土層內(nèi)，待上層混凝土澆筑前進行張拉、鎖定。

（2）設置錨固樁。為固定水下澆筑模板，在坡面設計水位處設置順水流方向的現(xiàn)澆混凝土地梁，通過地梁上縱向槽鋼作為支撐，配合垂直水流方向橫向槽鋼梁，作為固定水下模板的支撐點?？v向地梁采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，水平寬度為 1.4 m，高度為1.0 m。為保持上部混凝土襯砌整體穩(wěn)定，施工中于地梁上部間隔2 m預留開孔，設置鋼筋混凝土錨固樁將地梁與襯砌板錨固在一起，錨固樁直徑為300 mm，采用C30鋼筋混凝土，樁深5 m。地梁及錨固樁的設置見圖3。

圖3 錨樁設置

3 排水方案設計

該渠段受損后應急搶險期間左岸二級邊坡坡腳存在洇濕、出水等情況，從一級馬道縱向排水溝冒水程度判斷，其局部帶有承壓性，局部地下水位在實施降水前高出一級馬道。為了更好地排出坡體地下水，解決坡體地下水過高問題，在一級馬道縱向排水溝外側(cè)設置排水盲溝，排水盲溝排水系統(tǒng)與坡面排水溝排水系統(tǒng)互相獨立。排水盲溝緊挨一級馬道縱向排水溝設置，底寬1 m，底高程不低于渠內(nèi)設計水位，外側(cè)坡坡比為1∶0.7，底部設置直徑300 mm（Φ300）的軟式透水管集水，回填砂礫料，上部采用C20六邊形預制混凝土塊護坡，護坡厚20 cm。渠段內(nèi)設置橫向排水管與排水溝內(nèi)Φ300軟式透水管相連，橫向排水管深入渠內(nèi)20 cm，橫向排水管采用Φ300雙壁波紋管，橫向排水管向渠道鄰水側(cè)方向設置1%坡降的斜坡。根據(jù)處理層換填厚度計算有關的邊界條件，需在換填層后分層設置豎向排水孔以降低外水位。排水孔設置于一級馬道縱向排水溝外側(cè)排水盲溝下部，成孔孔徑為220 mm，孔底高程低于渠道渠底1 m，排水孔間距5 m，成孔后下橋式鋼濾水管（鍍鋅）公稱直徑146 mm，內(nèi)徑130 mm，壁厚5 mm，外部回填碎石，豎向排水孔出水口高程為渠內(nèi)設計水位加0.1 m，通過四通與縱向集水管相接，上部接鋼管伸至坡面高程，坡面處設置C20混凝土封口，孔口設置C20預制混凝土蓋板，必要時可將蓋板打開通過抽排措施降低渠外地下水位?？v向集水管采用Φ300軟式透水管?？紤]排水孔能有效降低邊坡外地下水位，將設置范圍向下游延伸10 m。

設置橫向排水管與排水盲溝中縱向集水管連通，當該處渠道采用設計水位或低于設計水位運行時，渠外地下水位過高時可將渠道外側(cè)水自流排入渠道內(nèi)，橫向排水管采用Φ300雙壁波紋管，與縱向集水管采用三通連接。

橫向排水管出口位置設置逆止閥，向渠內(nèi)單向排水，逆止閥采用鋼制拍門，拍門開啟水頭10 cm。出口位置波紋管外套鋼管，鋼管外部焊接法蘭盤以便與拍門相連，外套鋼管長度約2.1 m，鋼管外側(cè)設置10 cm厚矩形混凝土包封，包封外邊尺寸為500 mm×500 mm（結(jié)構(gòu)布置見圖2）。

4 水下圍擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及可靠性研究

對于處于正常運行輸水狀態(tài)的渠道，邊坡修復工作需在水下操作，采用設置大型水下圍擋的方式，將施工區(qū)域用擋板包圍，使施工污水和渠內(nèi)水體隔離，同時也能降低施工作業(yè)區(qū)域的水流流速，增加水下作業(yè)的效率。

水下圍擋布置采用三面圍擋。圍擋采用裝配式結(jié)構(gòu)，骨架采用10#及18#槽鋼焊接而成，擋水面板采用5 mm厚鋼板。圍擋頂部高程高出設計水位0.5 m。為保證圍擋具有一定的密封性同時防止其對襯砌板產(chǎn)生破壞，鋼圍擋底部與渠道底板及渠坡之間設置橡膠或其他柔性墊層。臨時施工鋼圍擋縱向布置在渠道過水斷面內(nèi)，橫向布置在渠道邊坡上，縱向會受水流沖擊力，橫向渠坡有下滑力，以圍擋整體為對象驗算鋼圍擋整體的穩(wěn)定性。水流對圍擋的沖擊力，采用繞流阻力公式進行計算：

式中：Fp為繞流阻力；CD為繞流阻力系數(shù)；Ad為物體與來流垂直的迎流投影面積；ρ為水密度；v為流速。

當渠道過流流量為150 m3/s時，總干渠水深7 m，渠道內(nèi)流速為1.23 m/s，圍擋內(nèi)外水位差最小值為0，最大值為15 cm。經(jīng)計算，順水流方向在僅依靠圍擋自重的情況，安全系數(shù)K=1.64，可以滿足穩(wěn)定要求；垂直水流方向在僅依靠圍擋自重的情況下，圍擋內(nèi)外無水位差時，安全系數(shù)K=2.9，可以滿足穩(wěn)定要求；圍擋內(nèi)外最大水位差為0.15 m時，K=0.17，不能滿足穩(wěn)定要求，將向總干渠岸坡方向滑動。經(jīng)計算，通過在圍擋底部設壓重解決穩(wěn)定問題，壓重采用碎石袋，整體高1 m、頂寬1 m、底寬3 m，頂部設置鋼纜牽拉。單榀圍擋結(jié)構(gòu)見圖4。水下鋼圍擋為臨時防污染措施，施工完畢后需拆除。

圖4 單榀圍擋結(jié)構(gòu)示意

為監(jiān)測試驗段鋼圍擋變形情況，施工期間共設置了6個觀測斷面進行鋼圍擋水平位移監(jiān)測，監(jiān)測點為立柱位置，其中迎水面區(qū)域3個、順水流方向2個、鋼圍擋下游側(cè)1個。

在2018年5月1日至5月29日近一個月的監(jiān)測過程中，渠道流量為216～239 m3/s，斷面平均流速為1.74 m/s，圍擋相對最大位移為-2.36～3.23 mm（水平位移觀測允許誤差為±3 mm），鋼圍擋未發(fā)生明顯變形，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 其他措施

（1）監(jiān)測設施。為及時掌握運行期該段渠道的變形情況，為該段渠道的運行管理提供變形參考數(shù)據(jù)，修復加固渠段需加強監(jiān)測，主要包括土體變形監(jiān)測和地下水位監(jiān)測。監(jiān)測典型斷面儀器布設如下：①三點位移計2套，分別埋設于一級馬道以上二級邊坡和三級邊坡；②測壓管2根，設置于襯砌下部；③水平位移工作基點和位移標點左岸布設于渠道路緣石臨水側(cè)渠坡位置，右岸布設于相應樁號位置二級馬道位置。

汛期及降雨后要加大觀測頻次，同時加強沿線巡視。

（2）運行要求。為保證渠道混凝土襯砌抗浮穩(wěn)定，運管單位對于該段渠道運行管理應滿足以下要求：①渠段渠道外側(cè)地下水位與渠道運行水位高差不大于0.25 m，當外側(cè)地下水位高于渠道運行水位0.25 m以上時，可通過提高渠道運行水位或降低渠外地下水位的方式，保證內(nèi)外水位差不大于0.25 m，必要時采取抽排降水等措施。②渠道空渠檢修期應避開該段渠道高地下水位運行時期，選擇渠道外側(cè)地下水位低于渠底時進行；若無法避開，空渠檢修前應采取措施降低該段渠道外側(cè)地下水位至渠底以下。③應加強地下水位觀測，關注橫向排水管管口拍門開啟狀態(tài)，當拍門影響橫向排水管出水時應人工開啟拍門，當?shù)叵滤坏陀谇?nèi)水位時關閉拍門。

6 結(jié) 語

在南水北調(diào)中線某段根據(jù)以上設計方案進行了現(xiàn)場大型試驗，試驗期間圍擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、地下水位一直處于受控狀態(tài)、坡體損壞部位修復得以實施，目前該段渠道已修復完畢，正常通水運行。實踐證明水下圍擋方案設計、排水方案設計、水下坡體修復方案設計以及修復期間渠道運行要求方案設計均合理可行，對同類水利工程水下修復有一定指導意義。