適應(yīng)南水北調(diào)渠道襯砌板修復(fù)的圍堰箱主尺寸研究

付文楚，黃新磊，彭 旭，劉國(guó)峰，王成文

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)應(yīng)急預(yù)警與救援裝備股份有限公司，湖北 武漢 430200)

0 引 言

南水北調(diào)工程是解決我國(guó)水資源分布與社會(huì)生產(chǎn)力布局不相適應(yīng)矛盾的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是已投入運(yùn)行的最大跨流域調(diào)水工程。工程運(yùn)行以來，渠道混凝土襯砌板受渠道水位變化、凍融、施工質(zhì)量等因素影響，出現(xiàn)開裂、塌陷、抗浮失穩(wěn)等形式損壞[1]，造成渠道局部水頭損失增加、防滲體系破壞以及局部邊坡土體軟化，影響了渠道的安全運(yùn)行。

為此，有必要開展輸水狀態(tài)下渠道襯砌結(jié)構(gòu)損壞快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究，研究在不中斷渠道輸水條件下提供圍堰干地修復(fù)環(huán)境的方案。干地修復(fù)圍堰主要由鋼制圍堰箱和圍堰板組成，圍堰箱縱橫向連接，拼組成“[”形鋼圍堰系統(tǒng)[2-3]，如圖1所示。當(dāng)前已投入使用的圍堰箱主尺寸為9.0 m×3.0 m×2.0 m[4]，如圖2所示。實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)箱體尺寸過大，對(duì)運(yùn)輸和吊裝要求苛刻。因此，有必要針對(duì)圍堰箱主尺寸進(jìn)行多角度論證，以提高圍堰的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 干地修復(fù)圍堰系統(tǒng)

圖2 原圍堰箱

1 修復(fù)工程的技術(shù)指標(biāo)分析

1.1 設(shè)計(jì)水深

南水北調(diào)總干渠不同部位渠道設(shè)計(jì)水深各異。陶岔渠首至漳河南段，設(shè)計(jì)水深為7.0～8.0 m，占比40%；漳河北至滹沱河倒虹吸，設(shè)計(jì)水深為6.0 m，占比40.9%；滹沱河倒虹吸至北拒馬河，設(shè)計(jì)水深為3.8～5.0 m，占比19.1%。

專用圍堰在設(shè)計(jì)水深下應(yīng)能正常工作，同時(shí)應(yīng)盡量減小對(duì)南水北調(diào)渠道輸水影響。因此，確定圍堰設(shè)計(jì)擋水深度為8 m。

1.2 維護(hù)范圍

圍堰修復(fù)范圍主要由單次維修襯砌板數(shù)量決定?？偢汕路挚p為每1 m一條通縫，12 m之間每4 m一條半縫[5]。根據(jù)襯砌板半縫設(shè)置情況，單次維護(hù)范圍至少為4 m。考慮到施工便捷性，襯砌板兩側(cè)至少預(yù)留0.5 m施工空間。因此，圍堰需要提供至少長(zhǎng)5 m的干地修復(fù)環(huán)境。如果襯砌板修復(fù)長(zhǎng)度為8 m，則圍堰內(nèi)部干地范圍至少長(zhǎng)9 m。

1.3 襯砌板的承載能力

南水北調(diào)總干渠絕大部分渠段為土質(zhì)渠道或土、巖混合渠段，地質(zhì)條件復(fù)雜。渠坡和渠底土層為粉質(zhì)黏土、黏土、壤土、粉質(zhì)壤土、砂性土、礫質(zhì)土、砂礫石以及黏土巖、砂巖、砂礫巖等承載力較高，一般均大于150 kPa。

對(duì)于邊坡和底部襯砌板，按素混凝土結(jié)構(gòu)的局部受壓承載力公式[6]，核算素混凝土板的承壓能力為4.96 MPa。所以，圍堰對(duì)襯砌板的壓力主要受下部土層承載力的控制，設(shè)計(jì)取為150 kPa。

1.4 工廠制作能力

同時(shí)，根據(jù)圍堰方案，橫向圍堰與縱向圍堰需要拼組成規(guī)則的整體，盡量減少折邊或者拐角的形式，以利于止水橡膠的布置。因此，圍堰箱長(zhǎng)度與寬度是關(guān)系為

ma=nb

(1)

式中，m為橫向圍堰箱數(shù)量；n為縱向圍堰箱數(shù)量。

考慮到渠道修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝能力有限和減小圍堰箱下水后的拼裝工作量，可將原單個(gè)長(zhǎng)圍堰箱設(shè)計(jì)成由2個(gè)短圍堰箱連接而成。因此在比較方案合理性時(shí)，m=2，即圍堰箱視為長(zhǎng)箱體。

1.5 運(yùn)輸和吊裝能力

圍堰箱通過公路運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，需選擇合適的地點(diǎn)將其吊裝入水。南水北調(diào)中線總干渠的一級(jí)馬道和二級(jí)馬道實(shí)際寬度為4.0～4.5 m；渠道上方的跨渠公路橋?qū)挾榷酁殡p車道7.0 m，單車道3.5 m[7]。為滿足圍堰箱在馬道、公路橋或節(jié)制閘等部位的運(yùn)輸需求，應(yīng)控制圍堰箱最大寬度不超過3.0 m。

以長(zhǎng)途運(yùn)輸常見的13 m和17.5 m平板運(yùn)輸車為例，高低板的設(shè)計(jì)使得車貨總高在不超過4 m的情況下，宜控制圍堰箱高度在2.4 m以內(nèi)。

圍堰箱下水地點(diǎn)可以在襯砌板破損區(qū)域的馬道吊裝下水，也可以在距離修復(fù)區(qū)域最近的跨渠公路橋上吊裝入水，然后通過工作船拖帶至修復(fù)區(qū)域。采取第1種方式，汽車吊等重型裝備無法展開，只能采用大噸位隨車吊。采取第2種方式，汽車吊等重型設(shè)備每次作業(yè)不僅需要占據(jù)兩股車道而中斷交通，還造成工作船的拖帶工作量加大和準(zhǔn)備時(shí)間過長(zhǎng)。因此，從吊裝能力出發(fā)，采用安裝有隨車吊的運(yùn)輸車，在襯砌板破損區(qū)域的馬道，將圍堰箱直接吊裝入水為最理想方案。綜合考慮隨車吊的吊裝能力和范圍，圍堰箱單體運(yùn)輸質(zhì)量以不超過4.5 t為宜。

2 圍堰箱尺寸技術(shù)方案

在滿足襯砌板修復(fù)的空間條件下，圍堰的范圍越小，使后續(xù)圍堰內(nèi)排水工作量也隨之降低。根據(jù)實(shí)際需求，單次襯砌板修復(fù)最多為3塊。因此，在同時(shí)滿足單塊、2塊和3塊襯砌板修復(fù)時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)圍堰長(zhǎng)度大于修復(fù)作業(yè)所需要的干地長(zhǎng)度?；诖耍疚奶岢鰢呃速M(fèi)率的概念，即

(2)

從圍堰拼組角度出發(fā)，圍堰箱寬度應(yīng)盡量大，從而減少連接次數(shù)。因此，圍堰箱寬度按照2.0～3.0 m的范圍，以0.1 m為步長(zhǎng)，計(jì)算不同寬度圍堰箱的圍堰浪費(fèi)率，如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)圍堰箱寬度達(dá)到2.4 m后，在滿足1塊襯砌板修復(fù)作業(yè)的情況下，圍堰浪費(fèi)率將急劇下降。在寬度為2.5 m時(shí)，圍堰浪費(fèi)率為0。這是由于針對(duì)不同數(shù)量襯砌板修復(fù)作業(yè)，圍堰箱并不存在統(tǒng)一的最佳寬度。對(duì)于1塊襯砌板，最佳寬度為2.5 m；對(duì)于2塊襯砌板，最佳寬度為3 m；對(duì)于3塊襯砌板，最佳寬度為2.6 m。

圖3 不同寬度圍堰箱的圍堰浪費(fèi)率

實(shí)際情況中，每次圍堰修復(fù)作業(yè)時(shí)，面臨的襯砌板修復(fù)數(shù)量不一，需要綜合考慮任一數(shù)量襯砌板修復(fù)的情況。由圖3可知，在箱體寬度為2.6 m時(shí)，圍堰浪費(fèi)率最低。

從圍堰方案角度出發(fā)，圍堰箱長(zhǎng)度與寬度存在整倍數(shù)關(guān)系，現(xiàn)分別取n=2、3、4，由此確定圍堰箱長(zhǎng)度為5.2、7.8 m和10.4 m(此時(shí)暫定m=1，即按照長(zhǎng)圍堰箱進(jìn)行考慮)。

公路運(yùn)輸考慮圍堰箱和圍堰板一體運(yùn)輸，以減少運(yùn)費(fèi)。因此，圍堰板折疊時(shí)長(zhǎng)度應(yīng)不超過箱體長(zhǎng)度范圍，且圍堰板折疊后總體高度不超過2.4 m。按照設(shè)計(jì)水深為8 m計(jì)算，則圍堰板厚度設(shè)計(jì)為350 mm，圍堰板長(zhǎng)度應(yīng)控制在6.5～7.0 m，圍堰箱高度控制在1.5～2.0 m。以0.1 m為步長(zhǎng)，則存在如表1所示的18個(gè)浮箱主尺寸方案。

表1 圍堰主尺寸方案及其合理性校核結(jié)果匯總

3 方案比選

針對(duì)上述的18個(gè)圍堰箱主尺寸方案，從2個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)：一是方案合理性，計(jì)算水位為8 m時(shí)圍堰的抗傾覆能、抗滑移能力以及襯砌板應(yīng)力是否滿足需要；二是方案經(jīng)濟(jì)性，考慮整套圍堰設(shè)備制造成本和公路運(yùn)輸成本。

3.1 方案合理性校核

選取計(jì)算水位為8 m，邊坡比1∶2.5，圍堰受到的荷載主要有靜水壓力、動(dòng)水壓力和重力。將橫向圍堰與縱向圍堰分離出來單獨(dú)考慮，分別進(jìn)行抗滑移和襯砌板壓應(yīng)力校核[8-9]。各個(gè)方案的校核結(jié)果如表1所示。

由表1可知，方案1～方案6組成的圍堰抗滑移能力和襯砌板壓應(yīng)力均不滿足要求，方案7～方案18組成的圍堰其合理性滿足需要，且隨著箱體高度的增加，箱體自重也隨之增加，圍堰抵抗滑移能力也隨之增強(qiáng)。此外，方案7～方案12與方案13～方案18相比，因箱體長(zhǎng)度造成的圍堰抵抗滑移能力變化，較箱體寬度造成的變化更加明顯。但是由于長(zhǎng)度增加，箱體對(duì)襯砌板的壓力降低，使得襯砌板壓應(yīng)力反而減小。

3.2 方案經(jīng)濟(jì)性比較

從公路運(yùn)輸角度出發(fā)，方案7～方案18其主尺寸均能滿足公路運(yùn)輸不超限要求，但箱體長(zhǎng)度7.8 m和10.4 m所采用的運(yùn)輸方案不同。受吊裝能力限制，7.8 m長(zhǎng)圍堰箱方案需要由2個(gè)3.9 m短圍堰箱組成，以期將單個(gè)圍堰箱運(yùn)輸質(zhì)量控制在4.5 t以內(nèi)。而10.4 m長(zhǎng)圍堰箱方案，則需要由3個(gè)3.5 m短圍堰箱組成。

目前，公路平板運(yùn)輸車長(zhǎng)度多為6.8、9.6、13、17.5 m。6.8 m和9.6 m平板運(yùn)輸車其超限寬度為2.55 m，13 m和17.5 m平板運(yùn)輸車其超限寬度為3.0 m[10]。因此，在不超限的情況下，3.5 m圍堰箱采用13 m平板運(yùn)輸車，單次能運(yùn)輸3個(gè)箱體；采用17.5 m平板運(yùn)輸車，單次能運(yùn)輸5個(gè)箱體。而3.9 m圍堰箱采用13 m平板運(yùn)輸車，單次能運(yùn)輸3個(gè)箱體；采用17.5 m平板運(yùn)輸車，單次能運(yùn)輸4個(gè)箱體。具體計(jì)算如表2所示。

表2 圍堰箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性比較

由表2可知，對(duì)于3.5 m短圍堰箱和3.9 m短圍堰箱而言，其最佳運(yùn)輸方案均為采用17.5 m平板運(yùn)輸車，且在x>24的前提下，前者需要車次多于后者。根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格調(diào)研，17.5 m平板車與13 m平板車價(jià)格相差無幾，遠(yuǎn)未達(dá)到2倍的差距。

更重要的是，對(duì)于同樣的圍堰方案，需用3.5 m短圍堰箱的數(shù)量為3.9 m短圍堰箱的1.5倍，所需要的材料費(fèi)用和人工制造費(fèi)用將較高。因此，采用3.9 m短圍堰箱具有更高的經(jīng)濟(jì)性。最終確定圍堰箱最佳主尺寸為3.9 m×2.6 m×1.5 m，如圖4所示。

圖4 最佳圍堰箱主尺寸方案(單位：mm)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)水深、維護(hù)范圍、襯砌板承載能力、工廠制作能力，以及運(yùn)輸和吊裝能力出發(fā)，篩選出18個(gè)圍堰箱主尺寸方案，從適應(yīng)南水北調(diào)渠道修復(fù)的圍堰合理性和經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)這18個(gè)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定圍堰箱最佳主尺寸為3.9 m×2.6 m×1.5 m。