吕梁山区淤地坝顶管穿越涵洞试验报告

樊秉更 李生惠

（吕梁市水利局）

1 顶管穿越技术及其发展

顶管穿越是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，其要义就是在设定的工作坑内，借助于专用设备产生的顶力，克服管道与周围土体的摩擦力，将需要埋设的管道按设计的坡度顶入土中，然后将管内的土方去除，从而完成工程施工。这种施工技术，通常称为非开挖技术，属国际上近20多年来才兴起的一种地下管线施工新技术。其最大特点是，在施工过程中对地表扰动范围小，经济节省，生态环保。

20世纪90年代中期以来，顶管穿越技术在我国应用发展很快，特别是在沿海经济发达地区，广泛应用于城市地下排水管道、天然气与石油管道、通讯电缆等铺设工程施工中。经过不断研究探索，无论在工程技术上、顶管设备上，还是在施工工艺上，均取得了很大的发展与进步，在某些方面甚至已达到了世界领先水平。现已在我国水利输水、天然气输送、交通通讯等领域得到了广泛应用，且保持着高速增长势头。

2 研究目的及意义

淤地坝是黄土高原地区小流域综合治理中的一项重要沟道拦挡工程，也是最后一道防线，起着滞洪拦泥、淤地造田、控制沟蚀等不可替代的作用。目前，吕梁市的大中型淤地坝，大部分枢纽组成为大坝、放水建筑物“两大件”，由于地基的不均匀沉陷、有压过水等原因，部分淤地坝出现泄水涵洞刚性损毁，呈现病险状况，致使涵洞不能正常出流，严重威胁安全运行。针对吕梁市淤地坝输水涵洞毁坏状况，通常采用坝体大开挖的方式进行修复。但这种修复方法，存在三大问题：一是开挖工程量大，修复造价较高，不经济；二是施工期较长，影响已成坝地的耕作生产；三是在施工过程中存在着安全隐患。为此，探求新的淤地坝损毁涵洞快速修复技术必要而迫切。据调查，国内已有将顶管穿越技术应用于病险淤地坝改造的先例。为了快速、经济、有效地解决我市淤地坝输水涵洞损毁修复问题，保证防汛安全，达到正常运行的目的，开展顶管穿越涵洞试验研究具有重要的现实意义。

3 立项背景与过程

2013年以来，我省对已建成运行的大中型淤地坝进行了安全普查认定工作，确认有1 020座淤地坝处于病险状态，其中骨干坝729座，中型坝291座，涉及全省9市48县。在1 020座病险淤地坝中，放水建筑物完整性发生变化或局部损毁的有204座，占到20%。山西省的淤地坝工程，主要分布在以吕梁山为主体的晋西黄土丘陵区，吕梁市是最为主要的区域。据调查，吕梁市共有大中型病险淤地坝488座，其中骨干坝312座，中型坝176座，涉及全市的10个县。在全市的病险淤地坝中，由于各种原因，输水涵洞完整性发生变化或局部损毁的有120座，占到27%。若不及时修复，将会影响淤地坝的安全运行，由此造成的经济损失与负面影响将难以预料。

针对这种情况，2016年11月29日，吕梁市水利局以吕水技术[2016]281号《关于申报山西省水利科学技术项目计划的请示》，向省水利厅申报了《吕梁山区淤地坝顶管穿越涵洞试验》科技项目。2017年7月12日，山西省水利厅以晋水财务[2017]239号文件，将《吕梁山区淤地坝顶管穿越涵洞试验》列为2017年度重点水利技术研究与推广项目计划，安排研究经费35万元，由吕梁市水土保持技术推广服务站实施。

4 试验研究内容与方法

4.1 研究内容

淤地坝顶管穿越涵洞实验，是针对输水涵洞刚性变形后，洞身出现裂缝或涵洞侧墙沉陷现象，将钢管焊接后穿入损坏的涵洞，在涵洞与钢管之间的空间分数次灌浆封闭，以钢管代替涵洞恢复其功能。具体研究内容包括以下方面：

（1）针对均质土坝不同坝型（大、中）的损毁涵洞修复，顶管施工工作坑开挖形状与断面尺寸；

（2）损毁涵洞修复的顶管设备选型与管径选择；

（3）适宜于钢管连接的焊接方法；

（4）顶管施工工艺操作技术；

（5）顶管施工结束后，管周与涵洞之间的灌浆封闭工艺方法。

通过以上内容的试验，提出淤地坝顶管穿越修复损毁涵洞的一整套施工技术，为众多淤地坝损毁涵洞修复提供技术支撑。

4.2 研究方法

开展淤地坝顶管穿越修复损毁涵洞技术试验研究，宜采用调查研究与定位实验相结合的方法与技术路线。据调查了解，在淤地坝损毁涵洞修复中，孝义市曾采用过钢管穿洞，我们组织相关研究人员前往实地调研，具体了解了有关情况与施工技术参数，为完善研究思路与方法做好储备。在定位试验上，经过实地考察，考虑到交通、水电等施工因素，选定地处黄土丘陵沟壑区第一副区的吕梁市柳林县王家沟乡杨家沟村的骨干淤地坝作为试验坝，坝名为杨家沟骨干坝。

5 试验淤地坝简况

试验淤地坝—杨家沟骨干坝，始建于1998年11月，先是一座小型淤地坝，后在运行的基础上改建为骨干坝，并于2000年9月竣工投入运行。坝控流域面积3.42 km2，坝型为均质土坝，枢纽由大坝、放水建筑物、溢洪道“三大件”组成，放水建筑物和溢洪道均布置在右岸。洪水标准为20 a（P=5%）一遇设计，200 a（P=0.5%）一遇校核。坝高15 m，坝顶（高程865 m）宽度4 m，坝顶长96.5 m，上游坝坡1.0∶2.0，下游坝坡1.0∶1.5。设计总库容58.1万m3（相应高程863 m），其中拦泥库容50.62万m3（相应高程862 m），设计淤积年限15 a，可淤地7.2 hm2。卧管完好，净高10 m，坡比1.0∶2.0，断面尺寸（宽×高）1.0 m×0.6 m；台阶高0.5 m，共20个台阶。涵洞长46 m，断面尺寸（宽×高）0.8 m×1.2 m，拱顶，涵洞与卧管消力池夹角107°。出口明渠长29 m，断面尺寸（宽×高）0.8 m×0.8 m。溢洪道基本完好，宽顶堰型式，断面（高×宽）3.1 m×7.0 m，分陡坡段和缓坡段，建成后未溢流过水。据观察，该坝涵洞中间部位有20 m拱顶出现裂缝，缝宽10-15 mm；底板沉陷10 cm，沉陷部位地基为小型淤地坝运行时的淤泥。试验前对该坝进行重新调洪计算，确定总库容69.56万m3，依据《水土保持工程设计规范》（GB51018-2014），工程等级属于Ⅰ级，主要建筑物级别为2级。试验结束后，对坝体要进行培厚加高处理。

6 实验施工过程与技术工艺方法

6.1 试验总体设计

针对杨家沟骨干坝的具体情况，结合调研获得的相关参数，试验设计在46 m损毁涵洞内：穿越内径Φ700螺旋焊管，连接消力池，穿管纵坡1/100；每节钢管长6.0 m，共需8节；拱涵与螺旋焊管之间，用M7.5水泥砂浆填至600 mm，剩余500 mm填入C25泵用砼。试验时间从2018年3月下旬开始，直至完成顶管并密封固定，待钢管替代涵洞正常输水运行时，拆除蓄水围堰，加高培厚坝体，整理好坝坡，试验结束。

6.2 围堰设计与施工

因坝上游有煤矿排水及小泉小水，流量0.05m3/s，为了不影响试验施工，需筑围堰。设计围堰高7.5 m，长50 m，上下边坡1.0∶1.0，顶宽4.0m，均质碾压，工程量4 086 m3，容重15.5 kN/m3以上。施工时考虑到淹没区有农民的很多枣树，为了不影响农民当年收益，将围堰高度下调至5 m，其他参数不变，工程量随之降至2 475 m3。为了保证顺利进行试验施工，采用2台1.5英寸柴油机泵抽除围堰内蓄水进行排水。

6.3 涵洞底板现浇砼施工

涵洞全长中：0+000—0+010段，淤泥厚10 cm；0+010-0+030段，沉陷10 cm，淤泥厚25 cm；0+030—0+046段，淤泥厚15-20 cm。首先，清理涵洞内淤泥及杂质，整平；然后，在洞底现浇C20砼10 cm厚，使涵洞底坡准确达到i=1/100；紧接着，在底板中央用油漆划出顶管穿越涵洞中心线，并将中心线延长于洞外，在涵洞的上下游埋设固定桩，桩上钉铁钉。

6.4 开挖作业坑顶管准备

作业坑分发送坑和接收坑，坑形为长方形，机械施工。

设计发送坑场地位于涵洞下游出口处，坑底尺寸（长×宽）9 m×7 m，坑深按“管道埋深+1.5 m+垫层厚度”计算为2 m。实际完成坑底尺寸（长×宽）为10 m×5 m，坑深为2 m。

设计接收坑位于涵洞上游出口处，坑底尺寸（长×宽）2 m×2 m，坑深4.55 m。因涵洞上游是淤泥，设计开挖边坡1.0∶2.0。由于对淤泥问题认识不足，采用1.0 m3的挖掘机挖淤泥时，因淤泥流动，使挖掘机陷在了淤泥中。为此，采用两种措施解决淤泥流动：一是加固围堰，确保上游的长流水不进入接收坑；二是在消力池侧墙上开了3个直径10 cm孔，排除淤泥中的水。施行措施半个月后，人工开挖作业坑顺利进行。

6.5 钢管管径及设备选择

6.5.1 管径选择

原涵洞为浆砌石拱涵，断面尺寸（宽×高）0.8 m×1.2 m。试验设计在涵洞内穿越钢管，管径的选择考虑三个因素：一是卧管的放水流量Q放，据计算为0.525 m3/s；二是涵洞的断面尺寸大小；三是运行管理环境（坝控流域发洪水，水内有淤泥、柴草等杂物）。

根据涵洞的断面尺寸，我们选择内径Φ700 mm和Φ600 mm两种型号的螺旋焊管（壁厚10 mm）进行计算分析确定。

计算参数：纵坡=1/100，钢管糙率=0.012，放水流量Q放=0.525 m3/s，管内径d=0.7 m。按曼宁公式计算管内水深，结果为：Φ700 mm钢管内的水深为0.359 m，Φ600 mm钢管内的水深为0.403 m，二者均属于无压出流。

虽然内径Φ700 mm和Φ600 mm两种型号管径都能无压流过0.525 m3/s流量，但由于淤地坝所泻洪水和常规水库的放水不一样，水库放的是清水，淤地坝所泻洪水内携带大量柴草、土石等杂质，为安全起见，确定采用内径Φ700 mm型钢管。

6.5.2 钢管穿越涵洞顶管设备选择

原设计先用两个平台式千斤顶，放置即将连接的钢管，调整钢管的高低及方向，再用千斤顶和拉紧器推进管道穿越涵洞。

施工时通过观察，涵洞只有46 m，且洞身较直，涵洞底部又衬砌了10 cm厚的C20砼垫层，故钢管穿越的阻力较小。经试验，用挖掘机的拉力与顶力，就能将钢管穿越进去。故最后采用了挖掘机顶拉结合穿越，施工成功。其方法简单易行。

6.6 预顶穿越钢管的焊接方法

所选穿越钢管在校正高程、方向准确无误后，采用内外焊（精焊）的工艺，可在最佳位置实现焊接，不易出现错边、焊偏和未焊透等缺陷，容易控制焊接质量。在具体顺序上，先焊接圆管最上面的缝隙，再焊接圆管两边的缝隙，最后焊接圆管下面的缝隙。用这种方法焊接钢管，效果良好。

6.7 顶管施工工艺操作技术

6.7.1 安装施工方向

穿越钢管从坝下游逆水流方向安装施工。

6.7.2 具体安装操作方法

第一节钢管用吊车送到涵洞出口位置，人工借用吊车的力量将其推到预定位置，推进涵洞5 m，涵洞口外留1 m；临时固定钢管，根据已经复核的基准台进行中心线及高程的调整，使钢管达到预定高程及坐标，经检查合格后方可安装第二节钢管。在第一节钢管进涵洞前，先进洞一个工人，其作用是当第一节管道进洞后，用钢棍撬动钢管，用铅垂线检验，调整钢管方向，以确保钢管中心线与底板上确定的中心线重合。

第一节钢管稳定后，用吊车将第二节钢管吊至发送坑内距第一节钢管2-5 cm处。以第一节钢管为基准，经测量调整第二节钢管的中心线及高程，同时借助挖掘机的顶力与拉力调整相邻两管口的间隙至3 mm，焊接两管接口，组成大节管道。然后，重新复核中心线偏差和倾斜度，将大节管道的上、下游管口的几何中心误差调整至5 mm以内。经复核无误后，先用钢丝绳栓在管道左侧，挖掘机吊起钢丝绳栓的管道螺旋式拉进，再用挖掘机顶进管道，在洞口预留1.0 m。

临时固定管道，再用吊车吊送第三节钢管，并重复第二节管道的安装方法。如此施工至第八节钢管，和前七节焊接组成管道后，将管道在接收坑伸出0.3 m，在涵洞出口预留1.7 m。

每次钢管焊接后，要进行2.5 MPa压力试验，保持1 min无渗漏。

施工结束后，用M10浆砌石临时固定管道。

6.8 涵洞与管周灌浆封闭工艺方法

穿越钢管施工结束后，在管道两旁穿插二道Φ20 mm的PVC管，每根长46m。先在PVC管上钻间距10 cm、直径2-5 mm小孔，然后再进涵洞。

在涵洞进口及出口建浆砌石挡墙，墙高100 cm，墙宽80 cm，用混凝土高压输送泵将M10砂浆从上、下游分别灌入60 cm高，待初凝固（7个工作日）。

所灌砂浆凝固后，在穿越钢管两旁再次穿插二道Φ20 mm的PVC管，在管壁上钻同上间距和直径的小孔。

用混凝土高压输送泵将C25泵用混凝土灌满整个涵洞，待初凝固（7 d）后，再灌入水泥浆。最后，用浆砌石封闭涵洞进口及出口，完成穿越钢管及配套施工。

7 试验工程进展及过水检验

7.1 试验工程进展

以杨家沟骨干坝作为顶管穿越损毁涵洞修复试验工程，2018年3月28日正式开工，先修筑拦水围堰和涵洞清基处理，4月1日至2日完成钢管穿越涵洞，4月4日完成涵洞灌浆，4月5日完成涵洞出口明渠修复，随后实施完成大坝加固工程。

7.2 修复涵洞过水检验

顶管穿越损毁涵洞修复试验工程完成，待洞内水泥砂浆完全凝固达标后，便拆除围堰试通水。经多次实地观察，未发现漏水现象，运行正常。

8 结论与建议

8.1 结论

根据上述试验结果，说明顶管穿越技术用于黄土高原地区病险淤地坝损毁涵洞的修复是可行的。这种方法的主要特点：一是修复时间极短。一般不超过1个月；二是降低投资。据计算，试验坝若用大开挖方法修复需投资49.61万元，而用顶管法仅需投资38.96万元，可节省投资21.5%；三是操作简单。所用设备为常规设备，技术简单，操作方便，容易掌握。

8.2 建议

杨家沟骨干坝顶管穿越损毁涵洞虽然取得了成功，但由于损毁程度较低，不能代表涵洞大范围塌方损毁严重的情况，更不能代表“闷葫芦”坝新增输水设施情况。为此建议，下一步继续进行深入试验研究，探寻不同情况下的系列技术指标，提出比较完善的技术体系，以便于推广应用。