適應(yīng)襯砌渠道修復(fù)的組合式鋼浮箱圍堰方案的穩(wěn)定性計算

付文楚，黃新磊，盧康，彭旭，萬偉

（中國船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司， 武漢 430223）

1 引言

跨區(qū)域的大型調(diào)水工程是解決區(qū)域性水資源分配不均的優(yōu)良方案，為現(xiàn)代社會工農(nóng)業(yè)的正常發(fā)展提供了用水保障。為減少水資源在輸送過程中的損失，調(diào)水工程的渠道多采用“夯實土層+土工織物+襯砌結(jié)構(gòu)”的襯砌結(jié)構(gòu)，如南水北調(diào)工程，引江濟(jì)漢工程等。隨著工程的投入運(yùn)行，襯砌渠道結(jié)構(gòu)不可避免會受到自然環(huán)境和工作荷載的侵蝕，如凍融破壞、土壤鹽分離子侵蝕、干濕循環(huán)破壞及水體沖刷等作用，從而導(dǎo)致襯砌渠道出現(xiàn)裂縫、凍脹、沖磨與空蝕等侵蝕破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅水利工程的安全運(yùn)行，制約工程效益的正常發(fā)揮[1]。為此，需要對渠道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的破損及時進(jìn)行修復(fù)。

根據(jù)襯砌渠道損壞的規(guī)模大小，采取不同的修復(fù)方案。小范圍的襯砌板破損裂縫，采用潛水員水下注漿修復(fù)；針對大范圍的襯砌板破損，則需要創(chuàng)造干燥的修復(fù)環(huán)境，以拆除舊板，澆筑新的襯砌板。本文聚焦于為大范圍襯砌渠道修復(fù)，提供安全、可靠的干地修復(fù)環(huán)境這一難題展開研究。

2 襯砌渠道修復(fù)的原則和方案

2.1 襯砌渠道的修復(fù)原則

水利工程中要想創(chuàng)造干燥的施工環(huán)境，離不開形式多樣的導(dǎo)流技術(shù)和圍堰技術(shù)。根據(jù)施工環(huán)境的不同，合理地選擇導(dǎo)流和圍堰方案是水利工程順利進(jìn)行的前提。導(dǎo)流方案有全段圍堰導(dǎo)流和分段圍堰導(dǎo)流2種，相配套的常規(guī)圍堰方案有土方圍堰、土袋圍堰、鋼板樁圍堰、雙壁鋼圍堰以及鋼吊箱圍堰等（見圖1、圖2）。這些常規(guī)圍堰在水利工程中均得到了成功的實踐，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。如全段土方圍堰導(dǎo)流方案用于船閘拆除和新建[2]，采用拉森Ⅲ型鋼板樁構(gòu)筑分段圍堰導(dǎo)流方案用于運(yùn)河渠底改造[3]，雙壁鋼圍堰構(gòu)筑分段導(dǎo)流方案用于深水河道的橋梁樁基礎(chǔ)施工等[4]。

圖1 全段導(dǎo)流圍堰

圖2 分段導(dǎo)流圍堰

大型調(diào)水工程往往擔(dān)負(fù)著沿線區(qū)域居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供水任務(wù)，一旦因渠道襯砌結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)作業(yè)造成供水中斷或者水體污染，將給社會平穩(wěn)運(yùn)行帶來較大壓力。在大范圍襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)中采用全段圍堰導(dǎo)流方案，意味著需要開挖導(dǎo)流明渠，或者敷設(shè)管道利用水頭壓力差實現(xiàn)自流，或者水泵抽排，存在經(jīng)濟(jì)性差、影響渠道輸水能力、難以長期作業(yè)的問題。采用土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段圍堰導(dǎo)流方案，則存在淤積渠道、污染水質(zhì)、破壞襯砌結(jié)構(gòu)的問題[5]。

因此，適應(yīng)大型調(diào)水工程襯砌渠道修復(fù)作業(yè)的圍堰方案應(yīng)遵循以下原則：

1）圍堰在設(shè)計水深下能正常工作，同時應(yīng)盡量降低對渠道輸水能力和水質(zhì)的影響。

2）圍堰施工過程中不能對修復(fù)范圍以外的渠道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞。

3）圍堰應(yīng)能提供足夠空間、安全、穩(wěn)定的干地修復(fù)施工環(huán)境。襯砌渠道為減小混凝土的溫度應(yīng)力，通常在橫向和縱向每隔12 m設(shè)置1道通縫，每隔4 m設(shè)置1道半縫[6]。故圍堰所能提供的干地環(huán)境要與襯砌板數(shù)量相對應(yīng)，即干地環(huán)境長度至少能滿足維護(hù)1塊襯砌板，并可根據(jù)需要通過增加圍堰長度滿足多塊襯砌板的同時修復(fù)作業(yè)。同時，圍堰結(jié)構(gòu)需要在水流的沖刷和內(nèi)外水頭差的作用下，保持自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，整體穩(wěn)定性以及防止渠道中水體滲流進(jìn)修復(fù)作業(yè)區(qū)，避免給施工作業(yè)帶來危險。

4）圍堰應(yīng)能循環(huán)使用，并具有較高的經(jīng)濟(jì)性。圍堰的安裝拆除作業(yè)應(yīng)盡可能機(jī)械化、程序化，減少或避免水下作業(yè)，以減輕人員勞動強(qiáng)度，滿足長期高頻次的修復(fù)作業(yè)。

2.2 襯砌渠道的修復(fù)方案

面對苛刻的修復(fù)環(huán)境，常規(guī)圍堰導(dǎo)流方案并不適用于大型調(diào)水工程渠道大范圍的襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)。采用分段鋼結(jié)構(gòu)圍堰導(dǎo)流方案，成了襯砌渠道修復(fù)作業(yè)的最佳方案。結(jié)合梯形斷面襯砌式渠道邊坡的特點，按照襯砌渠道修復(fù)原則，分段鋼結(jié)構(gòu)圍堰導(dǎo)流方案可以分為貼坡式圍堰和半圍式圍堰2種型式。

南水北調(diào)中線滎陽管理處曾采用由鋼結(jié)構(gòu)底座、鋼立柱及面板組成的半圍式鋼圍堰（見圖3），在水深約1 m的情況下，取得了試驗成功。但在后續(xù)擴(kuò)大規(guī)模至3.5 m水深范圍內(nèi)，水平向長度10～12 m的試驗中，下水鋼圍堰下水難度大，以及未形成有效止水而導(dǎo)致試驗中止。河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司曾提出一種跨度達(dá)48.6 m的貼坡篷式鋼圍堰（見圖4），該圍堰分為7跨，中間布置有6組1.2 m×2 m（寬×高）的鋼桁架支撐。由于鋼桁架占壓襯砌板，不能一次性完成修復(fù)作業(yè)，需要通過調(diào)整鋼桁架支撐位置，交替完成襯砌板的修復(fù)[7]。

圖3 半圍式鋼圍堰

圖4 貼坡篷式鋼圍堰

3 組合式鋼浮箱圍堰方案及其穩(wěn)定性計算

基于目前應(yīng)用于襯砌渠道修復(fù)施工的鋼圍堰存在的不足之處，一種將鋼浮箱作為基材，用于結(jié)構(gòu)組合式分段鋼圍堰導(dǎo)流方案被用于襯砌渠道修復(fù)。

3.1 組合式鋼浮箱圍堰方案

圖5 組合式鋼浮箱圍堰方案典型布置圖

組合式鋼浮箱圍堰方案（見圖5）由標(biāo)準(zhǔn)浮箱、坡角浮箱、標(biāo)準(zhǔn)圍堰板、坡角圍堰板、支撐桁架以及相關(guān)配套器材等組成。標(biāo)準(zhǔn)浮箱由面板和縱橫骨架焊接形成的封閉鋼結(jié)構(gòu)，單個尺寸為8.86 m×3 m×2.1 m，重量128.5 kN（12.85 t）。標(biāo)準(zhǔn)圍堰板是由面板和縱橫骨架焊接形成的板架結(jié)構(gòu)，單個尺寸為4.62 m×3.1 m×0.3 m，重量21.1 kN（2.11 t）。為適應(yīng)不同梯形斷面渠道的邊坡，在標(biāo)準(zhǔn)浮箱和標(biāo)準(zhǔn)圍堰板的基礎(chǔ)上，改造出適應(yīng)相應(yīng)邊坡比的坡角浮箱和坡角圍堰板。浮箱之間，以及浮箱與圍堰板通過單雙耳接頭連接成剛性整體。通過增加標(biāo)準(zhǔn)浮箱和標(biāo)準(zhǔn)圍堰板的數(shù)量，來實現(xiàn)不同規(guī)模的襯砌板修復(fù)作業(yè)區(qū)。

以修復(fù)6 m水深，渠道邊坡比1∶2.5，水流流速1 m/s為例，組合式鋼浮箱圍堰布置單列橫置縱向浮箱共21個，圍堰板11塊。圍堰分為位于斜坡上垂直水流方向的橫向圍堰和位于坡底順?biāo)鞣较虻目v向圍堰。

3.2 組合式鋼浮箱圍堰方案穩(wěn)定性校核

相比較與傳統(tǒng)圍堰方案的危險點在接頭和邊坡連接處，鋼浮箱圍堰的模塊化程度高，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，連接方式可靠[8，9]，它的危險點在于整個系統(tǒng)抵抗水流沖刷、水頭壓力時的穩(wěn)定性。

如圖6所示，靜水壓力F靜水1為水流對圍堰的傾覆和滑移作用，靜水壓力F靜水2為水流對浮箱頂部的垂直壓力。G1為箱體自重，G2為壓載水重量，取浮箱體積的90%。F沖擊為水流對圍堰的沖擊力，主要作用于垂直于水流方向的圍堰設(shè)備。

圖6 圍堰受力模型

3.2.1 抗滑移穩(wěn)定校核

鋼浮箱圍堰抗滑移穩(wěn)定需要校核縱橫向圍堰與襯砌板的摩擦力能否抵消水流對圍堰的作用力，使圍堰不發(fā)生滑移。

水流對圍堰的沖擊力按式（1）計算：

式中，A為圍堰受水流沖擊的面積；V為渠道束窄后流速，取2.5 m/s（安全系數(shù) 1.25）；ρ為水的密度 103kg/m3；k為繞流系數(shù)，對本圍堰取0.7；α為水流沖擊方向與阻流面的夾角，取 90°。

縱橫向圍堰抗滑移校核結(jié)果見表1。從表1可以看出，縱橫向圍堰工作時不會發(fā)生滑移。

表1 不同止水方案的抗滑移能力校核 kN

3.2.2 抗傾覆校核

在進(jìn)行抗傾覆校核時，縱橫向圍堰具有圍繞內(nèi)側(cè)與襯砌板接觸位置旋轉(zhuǎn)傾覆的傾向，故分別計算傾覆力矩和防傾力矩。

橫向圍堰箱體G1和壓載水G2產(chǎn)生的防傾力矩為：

式中，G為橫向圍堰箱體自重和壓載水重力之和，取3 125.06 kN；θ為渠道邊坡角度，取21.8°；L為橫向圍堰箱體和壓載水重力作用力臂，取4.43 m。

橫向圍堰受到的縱向靜水壓力F靜水1產(chǎn)生的傾斜力矩為：

式中，ρ為水的密度取，1×103kg/m3；h為水深，m。

則橫向圍堰受到的垂直箱體的靜水壓力F靜水2產(chǎn)生的防傾力矩為：

則橫向圍堰受到的水流沖擊力F沖擊產(chǎn)生的傾斜力矩為：

故有：

從而橫向圍堰不會發(fā)生傾覆，滿足抗傾覆要求。

同理，可以校核縱向圍堰不會發(fā)生傾覆，滿足抗傾覆要求。如表2所示。

表2 縱向圍堰抗傾覆校核 kN·m

3.2.3 提高穩(wěn)定性的錨定方案

為了進(jìn)一步提高整套圍堰系統(tǒng)的穩(wěn)定性冗余度，防止整個圍堰系統(tǒng)在安裝或下沉過程中發(fā)生不可控位移，在上游、下游及對岸可布置錨定系統(tǒng)，主要包含200 kN和50 kN系泊絞車、帶纜樁、系留索總成等。

4 結(jié)語

本文歸納總結(jié)了襯砌渠道的修復(fù)原則，認(rèn)為常規(guī)土方圍堰、鋼板樁圍堰以及鋼圍堰等分段導(dǎo)流圍堰方案和全段導(dǎo)流圍堰方案，并不適用于要求嚴(yán)苛的大型調(diào)水工程渠道大范圍的襯砌結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)。而將多個鋼浮箱組合成的鋼圍堰，通過增加模塊化的浮箱和圍堰板數(shù)量，來實現(xiàn)不同規(guī)模的襯砌板修復(fù)作業(yè)區(qū)，具有較大的施工靈活性和經(jīng)濟(jì)性。同時其穩(wěn)定性滿足要求，能夠適應(yīng)襯砌渠道養(yǎng)護(hù)作業(yè)。