壩下涵管柔性內(nèi)襯加固技術(shù)及應(yīng)用

龔羊慶 傅瓊?cè)A 王亞新

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.深圳市巍特環(huán)境科技股份有限公司，廣東 深圳 518000)

小型水庫(kù)是中國(guó)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在灌溉、供水和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用。這些水庫(kù)大部分興建于1970年以前，受當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平限制，大部分水庫(kù)的壩下涵管存在不同程度的病險(xiǎn)隱患。

壩下涵管除險(xiǎn)加固是小型病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。老涵管一般管徑小，較難滿足人員和機(jī)械進(jìn)入管內(nèi)施工的條件，不宜采用管內(nèi)掛鋼絲網(wǎng)噴水泥砂漿、鋼管內(nèi)襯等剛性內(nèi)襯處理。傳統(tǒng)加固方法主要為原址挖除重建鋼筋混凝土涵管，該方法可徹底消除原壩下涵管的病險(xiǎn)隱患，但壩體開挖回填工程量大、施工工期較長(zhǎng)、工程造價(jià)高，同時(shí)擾動(dòng)已固結(jié)數(shù)十年的壩體，在較短的施工工期下，較難保證壩體土回填質(zhì)量，易形成新的安全隱患。對(duì)于解決原壩下涵管破損嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體不足等問(wèn)題，該方法較為適宜，但對(duì)于解決壩下涵管表層混凝土剝蝕老化、裂縫和滲漏等非整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，其經(jīng)濟(jì)性價(jià)比極低。

本文提出采用管道柔性內(nèi)襯加固技術(shù)，解決小型水庫(kù)壩下涵管表層混凝土剝蝕老化和裂縫滲漏等非結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足問(wèn)題。該技術(shù)成功應(yīng)用于小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固建設(shè)中，取得了顯著成效。

1 涵管柔性內(nèi)襯技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

管道柔性內(nèi)襯技術(shù)(Flexible Pipe Lining，F(xiàn)PL)將FPL結(jié)構(gòu)單元(由特殊的聚氯乙烯土工膜和帶有T形條狀凸起物的片材加工而成的管狀內(nèi)襯結(jié)構(gòu))安裝于管道內(nèi)，兩者預(yù)留空隙通過(guò)灌注高強(qiáng)度膠漿使內(nèi)襯結(jié)構(gòu)緊密牢固于管道內(nèi)壁，形成一個(gè)新的管道結(jié)構(gòu)體共同抵抗外荷載。該技術(shù)具有無(wú)須擾動(dòng)壩體土、無(wú)損修復(fù)管道、施工工期短、投資少，且不受管道形狀影響等優(yōu)勢(shì)，而且內(nèi)襯結(jié)構(gòu)具有良好的防滲性、抗化學(xué)腐蝕性、抗斷裂性、適應(yīng)變形性、耐久性。

1.2 技術(shù)方案

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道柔性內(nèi)襯系統(tǒng)主要包括土工膜、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的制作與安裝、施工灌漿三部分，其中后兩者為制作和施工，其結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 管道柔性內(nèi)襯模型

土工膜是以聚氯乙烯高分子樹脂為原料，配合其他輔助材料經(jīng)擠壓制造成型的熱塑性復(fù)合土工膜卷材，其結(jié)構(gòu)性能良好，主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

a.具有良好的防滲性能，可有效解決涵管管壁滲漏問(wèn)題。

b.具有良好的耐酸堿等化學(xué)腐蝕性，能適應(yīng)庫(kù)水環(huán)境。

c.具有良好的柔韌性、抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度，可適應(yīng)涵管結(jié)構(gòu)的二次變形。即使出現(xiàn)新的少量變形，土工膜也不會(huì)被拉裂。

根據(jù)管道形狀和凈空尺寸，將土工膜卷材經(jīng)熱熔焊接制作成內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。土工膜卷材一面為平面，另一面帶有T形或鉆石形凸鍵，利用凸鍵嵌入高強(qiáng)度膠漿內(nèi)，使土工膜緊密貼合于原管道內(nèi)表層，與原管道膠結(jié)成為一個(gè)整體，共同抵抗外荷載。

灌漿材料為水泥基產(chǎn)品，膠漿具有良好的流動(dòng)性、泌水率，終凝后抗壓強(qiáng)度高，既能補(bǔ)強(qiáng)涵管管壁質(zhì)量缺陷，又能填充原有涵管裂縫。

1.2.2 施工要點(diǎn)

1.2.2.1 施工流程

涵管柔性內(nèi)襯系統(tǒng)施工流程為：涵管檢測(cè)—→施工準(zhǔn)備—→涵管清理—→內(nèi)襯單元制作—→內(nèi)襯單元安裝—→灌漿施工—→質(zhì)量檢查。

1.2.2.2 施工工序

a.涵管檢測(cè)。施工前，對(duì)擬加固涵管進(jìn)行檢測(cè)，了解其外觀質(zhì)量缺陷、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和外形尺寸等，判別加固方案的可行性。檢測(cè)方式包括外觀檢查、質(zhì)量檢測(cè)和尺寸測(cè)量等，其中外觀檢查為人工觀察，輔以照相機(jī)、攝像機(jī)等對(duì)涵管進(jìn)出口、管身內(nèi)部外觀質(zhì)量情況進(jìn)行檢查；質(zhì)量檢測(cè)采用回彈法、取芯試驗(yàn)等方法對(duì)涵管材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行檢測(cè)。

b.施工準(zhǔn)備。當(dāng)判別加固方案可行后，應(yīng)做好施工前準(zhǔn)備工作，包括制定設(shè)計(jì)方案、購(gòu)置原材料、調(diào)配施工機(jī)械、布置施工場(chǎng)地、安置施工用水用電設(shè)施設(shè)備等。

制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，充分考慮土工膜的防滲性能、抗拉強(qiáng)度、耐腐蝕性、柔韌性，以及膠漿的膠凝時(shí)間、流動(dòng)性、泌水率、抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率等技術(shù)性能指標(biāo)。

c.涵管清理。采用人工或機(jī)械方法對(duì)管道內(nèi)泥沙、雜物等淤積物和管壁附著物進(jìn)行清理，同時(shí)清除表層剝蝕結(jié)構(gòu)，并用高壓水清洗，以增強(qiáng)管壁與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的膠結(jié)強(qiáng)度。

d.內(nèi)襯單元的制作。根據(jù)量測(cè)的涵管凈空尺寸和長(zhǎng)度，將土工膜裁剪、熔接制作成與涵管大小形狀相當(dāng)?shù)膬?nèi)襯單元。

e.內(nèi)襯單元的安裝。用牽引機(jī)將內(nèi)襯單元拉入管內(nèi)，在內(nèi)襯單元與管壁之間安裝灌漿管、排氣管和觀察管等配件。在管端進(jìn)出口處，用錨固板及螺栓將內(nèi)襯單元固定在管壁上，再將內(nèi)襯單元兩端密封。然后往內(nèi)襯單元內(nèi)注水或充氣，將內(nèi)襯單元支撐成原管道形狀。

f.灌漿施工。灌漿是確保內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與管壁黏結(jié)牢固的關(guān)鍵工序。灌漿時(shí)，從灌漿嘴中勻速注入配置好的漿料，利用灌漿壓力以及灌漿料的流動(dòng)性，使?jié){料填充內(nèi)襯單元與管壁間的預(yù)留空隙，從而使其黏結(jié)形成一個(gè)整體。一般情況下，可從一端注入灌漿料，當(dāng)另一端的閉漿孔返出漿料后，并保持在一定時(shí)期內(nèi)灌漿壓力不變化時(shí)視為灌滿，然后進(jìn)行閉漿。

g.質(zhì)量檢查。灌漿料達(dá)到設(shè)計(jì)膠結(jié)強(qiáng)度后，排出內(nèi)襯膜內(nèi)充水或氣，拆除管口封密管件，重新封閉錨固管口。人工直接進(jìn)入管內(nèi)，或送入攝像設(shè)備進(jìn)入管道內(nèi)通過(guò)攝像錄影進(jìn)行檢查。質(zhì)量檢查內(nèi)容主要包括內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的外觀平整度、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與管壁空隙漿料填充程度以及管口密封錨固情況等。

1.2.2.3 技術(shù)要求與施工參數(shù)

涵管柔性內(nèi)襯技術(shù)最重要的工序?yàn)榉罎B膜內(nèi)襯單元的制作、安裝及灌漿，其制作與施工的好壞直接影響工程質(zhì)量。

a.制作技術(shù)要求。制作內(nèi)襯結(jié)構(gòu)單元時(shí)應(yīng)確定土工膜的搭接方式、搭接強(qiáng)度、預(yù)留灌漿空隙等。土工膜搭接采用層疊方式通過(guò)熱熔焊接，其技術(shù)要求可參照相關(guān)復(fù)合土工膜技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；搭接部位的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于防滲膜自身抗拉強(qiáng)度的80%；內(nèi)襯單元與原涵管之間預(yù)留灌漿空隙3～5cm。

b.安裝技術(shù)要求。灌漿管沿管道內(nèi)壁均勻布置，錨固于管內(nèi)壁，預(yù)留出漿孔，灌漿管直徑3～5cm，管間距離20～30cm，其中管道內(nèi)壁頂部應(yīng)布置一根灌漿管。

內(nèi)襯單元拉入管道內(nèi)應(yīng)平鋪?lái)樦?，不得卷縮。內(nèi)襯單元充水(氣)壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)灌漿壓力0.1～0.2MPa，以確保在灌漿壓力下內(nèi)襯單元飽滿。管道兩端進(jìn)出口處，用錨固板、螺栓、橡膠止水密封材料將內(nèi)襯單元固定，并做防腐處理，確保錨固牢固、不漏漿。

c.灌漿施工參數(shù)。按照設(shè)計(jì)配合比配漿，勻速加入制漿機(jī)，邊加料邊攪拌，加料完成后繼續(xù)攪拌5～10min，漿料即可使用。灌漿過(guò)程中漿料仍應(yīng)保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)。設(shè)計(jì)灌漿壓力根據(jù)工程實(shí)際情況確定，一般為涵管最大外水壓力的1.5～2.0倍，且不低于0.15MPa。閉漿孔返漿后灌漿壓力不變化維持5～10min時(shí)視為灌滿，再維持灌漿約30min即可閉漿。

2 工程實(shí)例

為了更好地檢驗(yàn)管道柔性內(nèi)襯加固技術(shù)的實(shí)施效果，項(xiàng)目組選取了兩座水庫(kù)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。江西省貴溪市洪家灣水庫(kù)是重點(diǎn)小(1)型水庫(kù)，壩下涵管為混凝土圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑0.6m，管長(zhǎng)110m；江西省萬(wàn)載縣田心水庫(kù)為小(2)型水庫(kù)，壩下涵管為城門洞形混凝土結(jié)構(gòu)，凈空為寬0.6m，高0.8m，管長(zhǎng)101m。兩座水庫(kù)原涵管均存在管壁混凝土蜂窩麻面嚴(yán)重，局部裂縫、滲漏等問(wèn)題。在除險(xiǎn)加固過(guò)程中，原設(shè)計(jì)方案為拆除重建涵管，但由于資金不足未實(shí)施，后經(jīng)多方研究決定，將涵管加固方案變更為采用SCL W35252錨固型防腐防滲膜對(duì)涵管進(jìn)行內(nèi)襯加固處理，加固設(shè)計(jì)方案見圖2和圖3。施工工期約2周，與傳統(tǒng)的拆除重建鋼筋混凝土涵管相比，節(jié)約工程投資約60%，縮短工期6～8周。上述兩座水庫(kù)涵管加固工程均順利通過(guò)了當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T組織的竣工驗(yàn)收，且多年運(yùn)行情況表明，涵管運(yùn)行狀況良好，加固效益顯著。

圖2 城門洞形內(nèi)襯設(shè)計(jì)方案 (單位：mm)

圖3 圓形結(jié)構(gòu)內(nèi)襯設(shè)計(jì)方案

3 結(jié) 語(yǔ)

a.管道柔性內(nèi)襯系統(tǒng)通過(guò)灌注高強(qiáng)度漿料，將內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與原管道內(nèi)壁緊密膠結(jié)連成一體，共同抵抗外荷載。該系統(tǒng)具有良好的防滲性、抗腐蝕性、耐久性、抗斷裂性，能適應(yīng)較小變形，內(nèi)襯系統(tǒng)牢固、安全、穩(wěn)定。

b.工程實(shí)踐表明，管道柔性內(nèi)襯技術(shù)可較好地處理壩下涵管表層混凝土剝蝕老化、裂縫和滲漏等非結(jié)構(gòu)性質(zhì)量缺陷。該技術(shù)加固效果良好、經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得在小型水庫(kù)壩下涵管除險(xiǎn)加固工程中推廣應(yīng)用。