模袋混凝土水下快速修复输水渠道技术及应用

曹会彬，申黎平，张文峰，冯瑞军

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

南水北调中线干线工程沿线地质条件复杂，渠道线路长，渠道运行过程中遇到的不确定因素较多，对渠道过水断面、衬砌表面平整度、渠道输水能力、水质保护等有严格的要求。目前总干渠处于正常通水运行阶段，对于总干渠水面以下渠坡损坏不具备停水修复条件，为保证通水安全，急需对水面以下渠坡衬砌进行水下修复。本文研究了采用模袋混凝土进行水下快速修复，为后期南水北调全线局部衬砌损坏修复以及应急抢险修复提供技术支持。

1 渠道特征及损坏情况

1.1 渠道断面

南水北调总干渠杨庄沟渡槽段渠道在汛期遇特大暴雨，排水渡槽漫槽造成右岸上游衬砌面板损坏，长度约20 m。杨庄沟渡槽段渠道为挖方渠道，设计流量为260 m3／s，加大流量为 310 m3／s，渠底宽 15.5 m，一级坡坡比为1 ∶2.0，二级坡坡比为1 ∶1.5，渠道纵比降为1 ∶20 000，渠道设计水深 7.00 m，加大水深 7.52 m，渠坡混凝土护砌厚10 cm，渠底混凝土护砌厚8 cm，衬砌板下为600 g／m2的复合土工膜，右岸保温板厚2.5 cm，砂砾石垫层厚5 cm，渠道具体衬砌结构见图1。渠坡纵向集水暗管采用强渗软式透水管，集水管内径φ＝250 mm，间距L1＝8 m，渠底沿中心线设一排纵向集水暗管，每隔8 m设一个逆止式排水器，间隔16 m设一道横向连通管，横向连通管同样采用强渗软式透水管，内径与纵向集水暗管的相同，横向连通管绕过齿墙铺设。

1.2 渠道损坏情况

汛期洪水从杨庄沟排水渡槽漫槽，直接冲刷到上游渠道右岸衬砌面板和一级马道上的二级渠坡，造成衬砌板隆起损坏和二级渠坡菱形框格护坡损坏。衬砌板隆起损坏的主要原因是洪水冲刷使得衬砌板损坏及移动，衬砌板下的土工膜、保温板随之移动破坏，砂石垫层向下位移、顶推，造成局部衬砌板隆起。

损坏部位主要为渠道右岸的衬砌及衬砌下的土工膜、保温板和局部扰动的砂石垫层，渠道基础基本没有 破坏。

图1 渠道衬砌结构（单位：mm）

2 模袋混凝土特征

根据杨庄沟排水渡槽段渠道损坏情况，考虑采用模袋混凝土对其进行修复。模袋混凝土通过高压泵将混凝土或水泥砂浆灌入模袋中，模袋上下两层由具有一定强度稳定性和渗透性的高质量机织化纤布制成，混凝土或水泥砂浆的厚度通过袋内吊筋袋、吊筋绳（聚合物如绵纶等）的长度来控制，混凝土固结后形成具有一定强度的板状结构或其他状结构［1-4］。与普通混凝土相比，其优点在于：一次喷灌成型，施工简便、速度快；适应各种复杂地形，特别是应用在深水护岸、护底、渠道、水库、堤防等时不需填筑围堰，可直接水下施工，机械化程度高，所护坡面面积大、整体性强、稳定性好，使用寿命长；具有一定的透水性，在注入混凝土以后，多余的水分通过织物孔隙渗出，可以迅速降低水灰比，加快混凝土凝固，增大混凝土的抗压强度。但是，目前模袋混凝土铺设采用钢管辅助铺设，定位准确度低；模袋混凝土浇筑成型后，表面凹凸不平、糙率大、平整度不好，影响渠道输水能力及水流流态，且表面美观性差；同时现有模袋混凝土浇筑时，每隔4～5 m设置一个注料孔，注料孔设置较多使得渠道过水断面大、坡面长的施工现场水下浇筑的难度增大；施工机械设备问题也直接影响工程正常施工和进度。

基于南水北调中线工程对渠道过水断面、平整度、输水能力、水质保护等的要求，为了不影响渠道现有输水能力，对模袋混凝土的水下定位安装、水下浇筑及模袋平整度进行了研究。

3 模袋混凝土修复技术研究

为控制模袋浇筑的平整度，先后进行了多个方案对比试验研究。经过总结，最后进行了模袋尺寸18 m×4 m的现场试验。浇筑模袋混凝土时表面用钢模板固定，采取底部加大钢丝网刚度、加密螺杆间距、柔性处理钢丝网结合处等措施控制模袋平整度。

（1）模袋材料要求。①模袋材料采用涤纶高强机织布，单位面积质量≥550 g／m2，经向断裂强度≥100 kN／m，纬向断裂强度≥70 kN／m，延伸率＜30%，顶破力≥10.5 kN，等效孔径为0.084～0.250 mm。 模袋布不应有缺陷（如破损、断纱等）。②模袋每幅宽度3 m，模袋扣带水平间距采用40 cm×40 cm，模袋上下两层边框缝制应采用4层叠制法，缝制宽度不应小于5 cm，针脚间距不大于0.8 cm。③每幅模袋定制时上、下缘应留有直径10 cm的管套，便于穿入钢管，以下缘钢管为轴将模袋卷成筒状，以便于施工中模袋的展铺。④模袋的总长度应大于设计护坡长度，富余量由对坯布进行填充试验得到的伸缩率确定。

（2）模袋结构要求。①模袋拉筋距离采用18.5 cm，固定钢模板的钢螺栓中螺纹长度为12 cm，钢模板与钢丝网控制厚度为18.5 cm，螺纹上包塑料管（长7 cm）利于模袋展开。②顶部钢模板超出模袋边缘两侧各约30 cm，两块模板接缝处下部设置宽0.5 m的土工布。③固定钢模板的螺栓控制间距为40 cm，单块钢模板只需在4个角处用2个螺母固定，单块钢模板中间只需顶部螺母控制距离。④底部采用铁丝网固定，铁丝网加垫片。⑤为保证混凝土对模袋有效充填，适当布置混凝土充填孔。螺杆孔位示意见图2。

（3）模袋铺设过程。①限位孔间距调整为40 cm×40 cm。②底部垫片为圆形（半径为16.5 cm），垫片顶部加薄橡胶垫，进一步保护模袋。③铁丝网铁丝直径为6 mm。④铁丝网、垫片及螺杆焊接完毕并加盖橡胶垫后，将模袋平铺在钢丝网上面，将螺杆穿入模袋相应位置（鼓包位置），模袋全部伸平，不预留模袋布料。⑤调整混凝土强度及其流动性，坍落度调整为210 mm。

图2 螺杆孔位示意（单位：cm）

（4）试验成果。①模袋充灌时，对于泵车泵送速率按最低控制，泵管倾斜，进料口处铺垫长条形橡胶垫，泵管管口对着橡胶垫充灌，以避免模袋布在充灌时出现破裂。②模袋布缝制位置出现凹沟，因人工缝制的模袋拉筋长度不易控制，故后期实施时可直接采用3 m幅宽的模袋。③模袋中间部位浇筑情况较两侧效果差一点，后期实施时，模袋顶部中间可增加一个进料口。④模袋混凝土浇筑成型后表面平整度整体效果比较好，可以正式进行水下修复铺装。

4 模袋整体快速水下安装

水下分块安装速度慢，安装工作量较大，同时逐块水下安装易造成模袋布损坏，给后期混凝土浇筑造成隐患。经过多次试验摸索，在保证模袋平整度的情况下，渠坡模袋修复安装可采用吊车整体一次吊装完成。

（1）模袋结构选择。模袋扣带间距为30 cm×30 cm，模袋尺寸为3 m（顺水流方向）×18 m（渠坡方向），按修复渠道长度选择模袋幅数；模袋拉筋长度为20 cm；为保证混凝土对模袋的有效充填，顶部设置3个充灌口；模袋两侧底部预留50 cm长度的土工膜，用于模袋的搭接。

（2）钢丝网、垫片、螺杆制作安装。钢丝网采用焊接组合；钢丝网网格间距为8 cm×8 cm；垫片厚度为3 mm，垫片直径为15 cm，与铁丝网的搭接方式为底部焊接；螺杆采用圆钢（直径为12 mm），长度为30 cm，螺纹长度为12 cm；钢丝网单片尺寸为3.0 m×1.5 m，搭接方式为焊接。固定钢模板的螺栓间距为40 cm，单块钢模板只在4个角处用2个螺母固定，其余部位用顶部螺母控制距离。限位螺杆、垫片及钢丝网焊接组合布置见图3。

（3）限位螺杆固定模袋。钢丝网、垫片及螺杆焊接组合完毕后，将模袋平铺在钢丝网的上面，撑紧模袋将限位螺杆逐层穿入模袋，螺杆固定在模袋的鼓包位置，同时用螺帽固定模袋顶部高度。

图3 限位螺杆、垫片及钢丝网焊接组合布置（单位：cm）

（4）模板安装。模板采用组合钢模板，尺寸为1.2 m×1.5 m，模板之间采用螺杆、卡口组合方式进行拼接，陆上拼装后整体吊装进行安装。

（5）模袋吊装及定位。吊架采用10#槽钢焊接，控制吊架总质量在1.5 t以内。竖向槽钢预留孔位用于连接模板和底部钢丝网骨架。骨架上焊接6个吊点，便于后期吊车整体吊装，见图4。吊装过程中通过吊带和手拉葫芦控制吊架的倾斜度。

图4 吊架设计

在模袋铺设过程中，为保证模袋与一级马道的垂直性，选取上游侧未破坏的衬砌板为参照物，分别从破坏区域顶部、底部进行测量、控制，从而确定模袋上游侧顶部和底部的准确位置，并做好定位桩。

为方便模袋位置调整，左右方向采用吊车调整，上下游方向采用上游侧3 t卷扬机进行位置调整，同时潜水员控制模袋底部的位置。

模袋铺设完毕之后，岸坡上收紧钢丝绳，校核、调整模袋与一级马道的垂直性。第2幅模袋铺设时将第1幅模袋预留的50 cm土工膜压在底部；第2幅模袋上游侧预留5 cm长布料，以便后期浇筑时混凝土充灌多余布料，与上游侧浇筑好的模袋结合紧密，以后逐幅铺设。

整幅模袋一次整体安装的施工工艺适应了在南水北调不停水条件下实现动水快速维修渠道衬砌面板，模袋整体安装，既施工快捷、方便，也能较好地固定于水下，缩短了潜水员水下作业的时间及降低了水下作业的风险，保证了模袋铺设质量。

5 结 语

为保证模袋混凝土表面平整度，需从模袋材质、模板、浇筑混凝土的流动性及浇筑过程上控制。采用钢筋网和模板控制浇筑后模袋混凝土的平整度和模袋厚度，渠道过流能力强，水流流态佳，地基稍微不平时模袋配合底部钢筋网可适应地基的不平整，同时不影响模袋混凝土上表面的平整度。

采用钢丝网加螺杆固定模袋，顶面加盖钢模板，槽钢骨架固定模板，吊车整体一次水下吊装的施工工艺可以满足模袋混凝土快速水下修复损坏衬砌的要求，该技术可广泛应用于后期南水北调总干渠及其他输水渠道的局部衬砌损坏修复及应急抢险修复工程。