水下不分散混凝土渠道岸坡修復施工方案比選

曹會彬，馮瑞軍，張文峰，申黎平

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450016）

1 工程概況

南水北調中線一期工程總干渠從丹江口水庫引水，自河南省淅川縣陶岔樞紐開始，經河南省、河北省，全程可基本自流至北京、天津，輸水總干渠全長1 432 km，自通水以來，累計輸水200多億m3，直接、間接惠及京津冀豫沿線近1億居民。

南水北調中線一期工程總干渠陶岔渠首至北拒馬河中支渠段采用明渠輸水方式，渠道過水斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠坡、渠底板厚一般為10、8 cm，混凝土強度等級為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2 cm寬均采用聚硫密封膠封閉，下部均采用閉孔塑料泡沫板充填。

渠道過水斷面一般采用鋪設保溫板進行防凍設計，采用復合土工膜對渠道襯砌斷面進行防滲設計，采用集水暗管+逆止式排水器或抽排泵站對渠道進行排水設計。

2016年，輝縣市遭遇歷史極值暴雨后，南水北調總干渠輝縣段某公路橋上游約52 m渠段渠道左岸一級馬道出現(xiàn)縱向裂縫，后發(fā)展為靠近路緣石側一級馬道部分瀝青路面沉陷，塌陷相應部位渠道混凝土襯砌滑塌、隆起，在水下排查時發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)域水下第一塊渠坡襯砌板嚴重變形、隆起，最高隆起高度近50 cm（見圖1）。經現(xiàn)場搶險和增加臨時處理措施，實現(xiàn)“發(fā)生的局部渠坡失穩(wěn)不再惡化，未出現(xiàn)新的渠坡失穩(wěn)”的目標，但為避免遭遇類似暴雨時再次造成渠道破壞、總干渠停水等后果，需對該位置工程損害進行加固修復。

現(xiàn)狀實際情況下，南水北調總干渠停水檢修涉及面廣，社會影響大，目前不具備停水維修維護的條件。因此，在總干渠不停水條件下，對該位置渠坡及襯砌采用水下不分散混凝土進行功能性恢復，保證南水北調總干渠正常安全輸水運行。

圖1 現(xiàn)場工程損害情況

2 水下不分散混凝土特點

水下不分散混凝土是在普通混凝土中摻入以纖維素系列或丙烯系列水溶性高分子物質為主要成分的絮凝劑，該外加劑的作用主要是使混凝土具有黏稠性，提高新拌混凝土的黏聚力，從而抑制水下施工時水泥和骨料分散，保證混凝土在水中自由下落時抗離析、抗分散[1]。

水下不分散混凝土與傳統(tǒng)混凝土特點完全不同，具有抗分散性、自流平性與填充性、保水性與整體性、安全性等特性，可采用導管、泵送、吊灌等多種方法進行澆筑[1]。對應其特殊的性能，水下不分散混凝土是一種價格昂貴的混凝土，宜斟酌使用[1]。

3 渠道工程損害修復措施

目前總干渠正處于正常通水運行階段，在不影響總干渠正常通水的前提條件下，對總干渠水下渠坡進行功能性恢復，主要措施如下。

首先采用逐步清理的方式挖（清）除松（擾）動土體和襯砌結構，然后在總干渠渠道采取排水措施降低渠道外地下水位，自張式機械錨桿錨固加強邊坡穩(wěn)定，在水下施工圍擋防止施工污染渠道水質同時形成靜水區(qū)的基礎上，采用水下不分散混凝土進行回填，以替代原渠道換填土層和襯砌結構，見圖2。

圖2 水下不分散混凝土修復回填示意

4 水下不分散混凝土方案

為提高混凝土早期強度，并滿足渠道混凝土襯砌強度等級要求，水下回填不分散混凝土強度等級采用C30。經過現(xiàn)場混凝土配合比試驗，采用的配合比如下：水泥、砂、石、水、引氣劑、UWB-Ⅱ絮凝劑用量分別為470、720、905、200、7、10 kg/m3，質量比為 1 ∶1.532∶1.926∶0.426∶0.015∶0.021，水膠比為0.426，砂率為44%，含氣量為5.0%[2]。

不分散混凝土出站坍落度為210～240 mm[2]，保水性、黏聚性和流動性良好。試驗檢測顯示，各項指標滿足規(guī)范要求。

4.1 模袋混凝土輔助澆筑方案

試驗初期，修復斷面岸坡土方開挖清除深度較大，使得水下不分散混凝土回填用量較大，為減少單價較高的水下不分散混凝土的用量，同時便于水下不分散混凝土澆筑用模板架立，鋪設了厚40 cm的水下模袋混凝土作為模板支設基礎面，見圖3。

圖3 模袋混凝土鋪設示意（尺寸單位：mm）

4.1.1 模袋混凝土澆筑

模袋混凝土澆筑修復混凝土示意見圖4。模袋混凝土采用無排水點混凝土袋-CX型，厚度40 cm，單塊模袋長21 m、寬4 m，設置2排8個灌注口。每塊模袋四周設置系掛繩，方便鋪設時將其緊固，同時上、下緣留有直徑10 cm的管套，方便穿入鋼管，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。

鋪設好模袋后，預先澆筑預埋渠堤模袋部分，利用這部分混凝土來拉住渠坡的模袋，防止模袋混凝土下滑。

模袋混凝土采用C20普通混凝土，根據(jù)鄰近渠段模袋混凝土澆筑試驗成果，模袋混凝土坍落度采用180～220 mm，確保模袋充灌流暢[3]。

圖4 模袋混凝土澆筑修復混凝土示意（單位：mm）

4.1.2 充填灌漿

為了保證模袋混凝土與渠道基土接觸面密實，防止產生不利結構面，模袋與基土之間采用預埋導管灌漿的方式，進行充填處理。

（1）采用PE管作為注漿導管，導管按照順渠坡方向進行布置，相鄰兩根導管的間距為2 m，布設時，將注漿管從模袋的一側彎出到模袋上面，布置完成后再鋪設模袋。

（2）灌漿材料采用水泥漿，水泥為強度等級不低于42.5級普通硅酸鹽水泥，水漿比為0.5∶1。

（3）灌漿壓力為0.2 MPa，灌入率不大于1 L/min，持續(xù)30 min后停止灌漿。

4.1.3 岸坡模板安裝

（1）模板定位。本次主要采用鋼模板，模板采用厚3.5 mm鋼板制作，模板上設置水平加勁肋。

為了保證模板安裝平整度達到設計要求，堤前安裝縱向滑槽，滑槽通過底部撐桿進行支撐，并在底部和頂部用錨筋進行臨時固定，避免滑槽移位?；鄣撞繐螚U設置成可調節(jié)撐桿，縱橫間距為1.2 m，用于調整滑槽的高度，使滑槽按照設計坡比支立?；郯惭b示意見圖5。

（2）模板安裝。采用風鉆在水下對模袋混凝土進行鉆孔，孔間距60 cm，鉆孔深度為20 cm，用于后期錨固模板拉桿，見圖6。

模板利用錨桿固定，從模板上預留的螺栓孔內插入Φ18拉桿，拉桿需錨入之前預設的錨固孔內，并在孔內注入錨固劑錨固。拉桿頂端需預留15 cm套絲，頂部通過螺母將模板與錨桿固定。

圖5 滑槽安裝示意（單位：mm）

圖6 面層模板安裝示意（單位：mm）

側面模板通過斜撐支立在模袋混凝土面上，并用水下快速封堵劑對側模底部的縫隙進行堵漏，防止?jié)仓r跑漿。側面模板與面層模板之間通過連接螺栓固定。

模板安裝完成后，澆筑前采用焊接、噸包袋壓重對薄弱部位進行加固，同時在岸邊備用噸包袋以備應急處置。

4.1.4 水下不分散混凝土澆筑

水下不分散混凝土可采用導管、泵送、吊灌等多種方法進行澆筑，對于總干渠渠道修復部位，不分散混凝土澆筑模板需順渠道坡面布置，且澆筑方量較大，宜采用泵送法澆筑，運用吊灌法或導管法局部補充澆筑。

為防止模板在澆筑水下不分散混凝土時因壓力變形而出現(xiàn)跑模、脹?，F(xiàn)象，本次試驗水下不分散混凝土澆筑方式為：沿邊坡自下而上澆筑，共分為5倉，各倉沿坡面長度分別為 3.0、4.5、4.5、3.4、2.1 m。 層間結合面插筋：Φ28鋼筋，間距0.5 m，單根長度0.8 m，插入深度0.4 m，單排布置于混凝土界面中心部位。

澆筑過程中出現(xiàn)了局部脹模，經現(xiàn)場分析，脹模原因主要有：組合模板之間卡扣沒扣，拉桿沒拉；澆筑速度過快；澆筑過程中沒有及時拔管。處理措施：采取槽鋼滿焊，再用噸包袋壓重，解決模板卡扣與拉桿問題，同時微調不分散混凝土澆筑速度等，順利完成水下不分散混凝土澆筑。

經過現(xiàn)場生產性試驗，澆筑40 cm厚水下模袋混凝土作為模板支設基礎面，立模后可實現(xiàn)渠坡修復水下不分散混凝土回填澆筑。

4.1.5 澆筑效率

由于缺少南水北調總干渠渠道修復水下不分散混凝土澆筑施工經驗，模板定位、安裝及加固速度較慢，因此導致混凝土澆筑效率很低。12 m長渠道邊坡修復水下模袋混凝土和水下不分散混凝土的澆筑時長為30 d，其中混凝土澆筑6 d、模板制作安裝及加固時長達24 d，主要原因為模袋混凝土與模板連接錨固螺栓較多，水下鉆孔、水下進行模板孔與錨固螺栓準確對位安裝較為困難，雖然采取模板樣架定位鉆孔，擴大模板鉆孔孔徑（孔徑由2 cm增大為8 cm），加墊片，同時將4塊定型模板在陸上拼裝完成后一并安裝，但安裝效率仍不理想。

4.2 工字鋼桁架梁輔助澆筑方案

試驗中后期，修復斷面岸坡土方開挖清除厚度較小，約0.5 m。以水下模袋混凝土為基礎架立模板方案已不能滿足現(xiàn)場施工澆筑要求，故采用沿坡面布設工字鋼鋼梁以實現(xiàn)模板架立，工字鋼鋼梁頂部與原渠道混凝土襯砌面齊平，見圖7。

4.2.1 工字鋼鋼梁基礎

渠坡底部采用水下不分散混凝土澆筑齒槽，增加預埋件，以滿足工字鋼鋼梁和模板支設的需要。

渠坡頂部，澆筑混凝土地梁位于設計水位以上，縱向通長布置，采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土。

圖7 工字鋼鋼梁位置

4.2.2 工字鋼鋼梁

將20#工字鋼焊接為長24 m的整體型鋼，為提高其剛度，在型鋼兩側及下部采用5 cm×5 cm角鋼焊接成桁架型式。

鋼梁間距3.03 m，鋼梁底部與齒槽內20#槽鋼和預埋件焊接，頂部與地梁預埋的20#槽鋼焊接，從而實現(xiàn)工字鋼鋼梁的固定。

型鋼頂部正中位置焊接 Φ18高強螺栓，高18 mm，間距0.6 m，用于水下固定模板，見圖8。工字鋼鋼梁兩端固定后，采用8#槽鋼進行鋼梁之間的連接，順坡方向間距4 m，增加整體穩(wěn)定性。

圖8 鋼梁細部結構

4.2.3 岸坡模板安裝及支護

（1）水下蓋膜拼裝。單塊鋼模板尺寸為1.2 m×1.5 m，在陸上將鋼模板拼裝成尺寸1.2 m×3.0 m與尺寸2.4 m×3.0 m，拼裝的鋼模板用配套卡扣進行牢固連接，并為增加鋼模板的剛度，在鋼模板背面增設10#槽鋼與鋼模板進行焊接，見圖9。

塔吊與潛水員配合進行水下鋼模板的吊裝就位，并用12#槽鋼與鋼梁上的螺桿進行連接，從而實現(xiàn)鋼模板的水下吊裝就位與固定。

圖9 模板固定安裝示意

（2）水下側模拼裝。用5 cm×5 cm角鋼焊接成長度1.5 m、高度0.3 m的矩形支架，焊接在鋼梁外側，頂部齊平。并在5 cm×5 cm角鋼矩形支架上焊接Φ18螺桿，間距1.5 m。

用另一塊已焊接好的矩形角鋼支架（在其外側對角線方向對稱加焊3根5 cm×5 cm角鋼，增加剛度、強度，起到對側模的支撐作用）通過螺桿與焊接在鋼梁上的角鋼支架連接，將側模固定在2個支架中間，實現(xiàn)側模在鋼梁上的固定。

（3）模板加固。模板安裝完成后，為防止模板在澆筑水下不分散混凝土時因壓力變形而出現(xiàn)跑模、脹?，F(xiàn)象，采用噸包袋蓋模和側模進行壓重加固，同時在岸邊備用噸包袋以備應急處置。

4.2.4 岸坡水下不分散混凝土澆筑試驗

水下不分散混凝土分多倉澆筑開展試驗，考慮工字鋼桁架梁、槽鋼連系梁、水面上地梁及齒槽混凝土預埋件在澆筑過程中逐步形成整體，澆筑方式為：上下游分為兩個施工單元，各單元沿邊坡自下而上澆筑，共分為3倉，各倉沿坡面長度分別為3.5、5.0、9.0 m。水下不分散混凝土澆筑方式初期基本一致。

經過現(xiàn)場生產性試驗，以岸坡地梁與坡腳齒槽預埋件為主要支撐點，焊接工字鋼桁架梁作為模板支撐，立模后可實現(xiàn)渠坡修復水下不分散混凝土回填澆筑。

4.2.5 澆筑效率

由于采用工字鋼桁架梁通過提前焊接的鋼梁螺桿與12#槽鋼緊固對蓋模板進行固定，錨固螺桿數(shù)量銳減，且為單一的線性對接，因此混凝土澆筑效率較初期明顯提高。該方案初期20 m長渠道邊坡水下不分散混凝土澆筑時長21 d，其中地梁混凝土澆筑2 d、水下不分散混凝土澆筑4 d、模板制作安裝及加固15 d（含鋼梁設計與制作安裝8 d）；該方案后期20 m長渠道邊坡水下不分散混凝土澆筑時長13 d，其中地梁混凝土澆筑2 d、水下不分散混凝土澆筑4 d、模板制作安裝及加固7 d（含鋼梁制作安裝2 d）。

工字鋼桁架梁、槽鋼連系梁、水面上地梁及地梁錨固樁、齒槽混凝土預埋件與水下不分散混凝土在澆筑過程中逐步形成整體，因此水下不分散混凝土澆筑分倉自下向上首倉方量最小，后續(xù)可逐步提高單倉澆筑方量。

拆模后，工字鋼桁架梁上焊接螺栓需進行切割磨平，工字鋼桁架梁在襯砌頂面出露，但岸坡整體糙率滿足原設計要求。

5 結 語

通過現(xiàn)場水下不分散混凝土澆筑的生產性試驗，經立模可實現(xiàn)渠坡修復大體積水下不分散混凝土和薄壁結構水下不分散混凝土回填澆筑，同時滿足總干渠渠道結構和正常輸水的各項要求。其中，模袋混凝土輔助澆筑方案可減少水下不分散混凝土的用量，減少工程投資，但模板安裝施工復雜，澆筑效率相對較低；工字鋼桁架梁輔助澆筑方案可大幅提高模板支設效率，還可減少渠坡水下不分散混凝土澆筑倉數(shù)，大大提高了水下不分散混凝土的整體澆筑速度。

綜上，一方面工字鋼桁架梁輔助水下不分散混凝土澆筑方案因施工相對簡單、澆筑效率高，更適用于南水北調總干渠渠道岸坡水下回填修復；另一方面可利用水下預先澆筑模袋混凝土，減少水下不分散混凝土的用量，節(jié)省工程投資。

受限于現(xiàn)場實際情況，陸續(xù)對兩種水下不分散混凝土澆筑方案進行了單獨試驗，建議后續(xù)類似工程在進行大體積混凝土回填澆筑時，綜合兩種澆筑方案的優(yōu)點（快速澆筑，節(jié)省水下不分散混凝土的用量），進行進一步的驗證與總結。鑒于鋼梁輔助澆筑水下不分散混凝土拆模后工字鋼桁架梁在襯砌表面出露，與混凝土表面不協(xié)調，同時存在銹蝕隱患，建議進一步調整模板制作安裝及混凝土澆筑工藝，如提前預留并采用二期混凝土澆筑鋼梁頂部位置遮蓋鋼梁，或提前對工字鋼桁架梁表面進行處理，使其顏色與混凝土基本一致，同時具有無毒、防銹功能。