大型输水渠道边坡水中修复综合措施研究

曹会彬，张 帅，马慧敏，刘吉永

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

某大型输水渠道因突降特大暴雨而渠段左岸一级马道出现裂缝，随后进一步发展至一级马道沥青混凝土路面塌陷，渠道衬砌板隆起破坏。由于渠道暂时不具备停水检修条件，缺陷长时间不处理可能会对渠道边坡的整体稳定产生影响，因此能否在不停水的条件下完成维护和修复工作，就成为该渠道安全运行的当务之急。

目前关于水下修复的文献资料中多为水下混凝土裂缝修复，且多为裂缝修补材料和施工工艺的研究，也有部分关于干地作业维修的，但是尚无在渠道输水状态进行水下坡体修复的研究。本文研究了渠道输水状态水力学条件下水下围挡结构整体稳定性和安全可靠性问题，提出了一整套水下边坡修复设计方案，并在实际工程中进行了现场试验。水下边坡修复研究主要包括：①过水断面边坡水中修复方案设计、坡体排水方案设计；②水下围挡措施稳定性及可靠性研究；③修复期间渠道运行要求方案等。本文根据现场试验情况对以上措施进行了详细分析。

1 工程概况

发生险情的渠段为全挖方渠段，挖深约20 m。渠道纵向设计比降为1/20 000，设计底宽b=14.5 m，渠道内边坡自下而上依次为1∶2.25、1∶2.00、1∶1.75，设计水深7.00 m、设计流量260 m3/s，加大水深约7.55 m、加大流量310 m3/s，渠底高程为92.76～92.72 m，一级马道高程101.82～101.77 m、马道宽5 m，一级马道以上各级马道宽2 m，相邻马道高差为6 m[1]。

该渠段过水断面为现浇混凝土衬砌，渠坡厚10 cm、渠底板厚8 cm，强度等级为C20，抗冻等级F150，抗渗等级W6。渠道衬砌分缝间距4 m，通缝和半缝间隔布置，缝宽2 cm。分缝临水侧均采用聚硫密封胶封闭，下部均采用闭孔塑料泡沫板充填。过水断面采用保温板进行防冻，渠坡保温板厚2.5 cm，渠底保温板厚2.0 cm；采用规格为600 g/m2的两布一膜对渠道衬砌断面进行铺设防渗，复合土工膜膜厚0.3 mm；渠底布设逆止式排水器一排，左右岸渠坡各布设逆止式排水器一排，排水器间距均为10 m。

该渠段排水沟均为矩形断面，一级马道纵、横向排水沟宽0.4 m，沟深0.6 m，厚度为0.15 m，为C15混凝土结构。其余纵横排水沟深和宽均为0.3 m，采用C15预制混凝土“凹”形槽，厚度为0.1 m，每段长0.6 m。

渠道一级马道以上内坡采用“菱型框格+混凝土六角框格+植草”进行防护。

该段截流沟布置在渠道左岸防护林带外侧、渠道永久占地外边线内侧1 m处。沟底宽2 m，边坡1∶1.5，采用0.3 m厚浆砌石全断面护砌。

该段防护堤布置在渠道开口线以外工程管理范围之内截流沟内侧，距开口线1 m处，左岸防护堤堤顶宽度为3 m，边坡1∶1.5，临水侧采用0.3 m厚干砌石防护。

该段为土岩双层结构段，渠底板主要位于第四系卵石层底部或黏土岩的顶部。渠坡岩性主要为黄土状重粉质壤土、粉质黏土和卵石，局部为上第三系黏土岩[2]。渠段内分布有砂卵石强透水层和具有膨胀性的黏土岩层，砂卵石地层换填黏土垂直厚度为3.7 m，黏土岩膨胀岩土层渠坡换填厚度为1.4 m，渠底换填厚度为1.0 m。渠段典型结构横断面见图1。

图1 典型横断面及边坡受损部位示意（尺寸单位：mm）

2 过水断面边坡修复方案设计

2.1 坡体修复方案设计

采用高压水枪配合抓斗、铲运设备进行水下开挖清理破损部位，将较厚的塌滑体清理后采用浇筑模袋混凝土和水下不分散混凝土进行边坡衬砌结构面修复。对于破损部位较小、滑塌体部位较薄（50 cm左右）的渠段，以设计水位为渠道外水位，根据衬砌板抗浮稳定计算结果得知衬砌板厚度不小于0.5 m，该次处理采用全断面换填50 cm等厚板的方案，坡体修复设计见图2。对于运行期渠道外水位高于渠内设计水位的情况，应采取措施保证渠道外侧地下水位不能超过渠道运行水位0.25 m，以保证衬砌结构的稳定。

图2 坡体修复方案设计（尺寸单位：mm；高程单位：m）

为满足以上运行条件，采用如下保障措施：①在一级马道坡脚处设置排水盲沟，采用自流内排方式降低地下水位；在排水盲沟下部设置竖向排水孔降低换填层后水位；设置横向排水管与排水盲沟和竖向排水孔连接，横向排水管出水口高程接近渠内设计水位，并在出口处设置拍门。②运行期加强地下水位观测，关注横向排水管管口拍门开启状态，当拍门影响横向排水管出水时应人工开启拍门，当地下水位低于渠内水位时关闭拍门。③必要时利用排水井和竖向排水孔进行抽排。

2.2 一级马道路面修复方案设计

将一级马道处破损土体清理干净，采用泡沫混凝土回填，经多次现场试验，泡沫混凝土干密度等级确定为A6，考虑整体回填体的抗浮稳定，回填体分为双层结构，其中设计水位至一级马道纵向排水沟沟底高程区间恢复为泡沫混凝土，一级马道纵向排水沟沟底高程以上区域恢复为现浇C20混凝土结构，表层5 cm厚为沥青路面。在泡沫混凝土下部设置防渗齿墙，采用现浇C20混凝土结构，长×宽为30 cm×30 cm，顶部与泡沫混凝土接触部位设置纵向橡胶止水带。

2.3 锚固措施

对于全断面采用50 cm等厚板衬砌的方案，需采用锚固措施以保证衬砌施工顺利进行。

（1）设置锚杆。对于采用降低渠外地下水位并用一定厚度混凝土压重方式解决渠道衬砌板抗浮稳定问题的渠段，为提高上部衬砌安全度，采用在渠道设计水位以上增加自张式机械锚杆，锚板嵌于混凝土层内。

自张式机械锚杆单根长度为12 m，与水平方向交角40°，间距2.0 m，设计锚固力为40 kN，锁定锚固力为20 kN。锚杆与渠道边坡交叉位置高程为设计水位以上0.1 m，锚杆承压板设置于模袋混凝土上部，嵌于表层混凝土层内，待上层混凝土浇筑前进行张拉、锁定。

（2）设置锚固桩。为固定水下浇筑模板，在坡面设计水位处设置顺水流方向的现浇混凝土地梁，通过地梁上纵向槽钢作为支撑，配合垂直水流方向横向槽钢梁，作为固定水下模板的支撑点。纵向地梁采用C30现浇钢筋混凝土，水平宽度为 1.4 m，高度为1.0 m。为保持上部混凝土衬砌整体稳定，施工中于地梁上部间隔2 m预留开孔，设置钢筋混凝土锚固桩将地梁与衬砌板锚固在一起，锚固桩直径为300 mm，采用C30钢筋混凝土，桩深5 m。地梁及锚固桩的设置见图3。

图3 锚桩设置

3 排水方案设计

该渠段受损后应急抢险期间左岸二级边坡坡脚存在洇湿、出水等情况，从一级马道纵向排水沟冒水程度判断，其局部带有承压性，局部地下水位在实施降水前高出一级马道。为了更好地排出坡体地下水，解决坡体地下水过高问题，在一级马道纵向排水沟外侧设置排水盲沟，排水盲沟排水系统与坡面排水沟排水系统互相独立。排水盲沟紧挨一级马道纵向排水沟设置，底宽1 m，底高程不低于渠内设计水位，外侧坡坡比为1∶0.7，底部设置直径300 mm（Φ300）的软式透水管集水，回填砂砾料，上部采用C20六边形预制混凝土块护坡，护坡厚20 cm。渠段内设置横向排水管与排水沟内Φ300软式透水管相连，横向排水管深入渠内20 cm，横向排水管采用Φ300双壁波纹管，横向排水管向渠道邻水侧方向设置1%坡降的斜坡。根据处理层换填厚度计算有关的边界条件，需在换填层后分层设置竖向排水孔以降低外水位。排水孔设置于一级马道纵向排水沟外侧排水盲沟下部，成孔孔径为220 mm，孔底高程低于渠道渠底1 m，排水孔间距5 m，成孔后下桥式钢滤水管（镀锌）公称直径146 mm，内径130 mm，壁厚5 mm，外部回填碎石，竖向排水孔出水口高程为渠内设计水位加0.1 m，通过四通与纵向集水管相接，上部接钢管伸至坡面高程，坡面处设置C20混凝土封口，孔口设置C20预制混凝土盖板，必要时可将盖板打开通过抽排措施降低渠外地下水位。纵向集水管采用Φ300软式透水管。考虑排水孔能有效降低边坡外地下水位，将设置范围向下游延伸10 m。

设置横向排水管与排水盲沟中纵向集水管连通，当该处渠道采用设计水位或低于设计水位运行时，渠外地下水位过高时可将渠道外侧水自流排入渠道内，横向排水管采用Φ300双壁波纹管，与纵向集水管采用三通连接。

横向排水管出口位置设置逆止阀，向渠内单向排水，逆止阀采用钢制拍门，拍门开启水头10 cm。出口位置波纹管外套钢管，钢管外部焊接法兰盘以便与拍门相连，外套钢管长度约2.1 m，钢管外侧设置10 cm厚矩形混凝土包封，包封外边尺寸为500 mm×500 mm（结构布置见图2）。

4 水下围挡结构稳定性及可靠性研究

对于处于正常运行输水状态的渠道，边坡修复工作需在水下操作，采用设置大型水下围挡的方式，将施工区域用挡板包围，使施工污水和渠内水体隔离，同时也能降低施工作业区域的水流流速，增加水下作业的效率。

水下围挡布置采用三面围挡。围挡采用装配式结构，骨架采用10#及18#槽钢焊接而成，挡水面板采用5 mm厚钢板。围挡顶部高程高出设计水位0.5 m。为保证围挡具有一定的密封性同时防止其对衬砌板产生破坏，钢围挡底部与渠道底板及渠坡之间设置橡胶或其他柔性垫层。临时施工钢围挡纵向布置在渠道过水断面内，横向布置在渠道边坡上，纵向会受水流冲击力，横向渠坡有下滑力，以围挡整体为对象验算钢围挡整体的稳定性。水流对围挡的冲击力，采用绕流阻力公式进行计算：

式中：Fp为绕流阻力；CD为绕流阻力系数；Ad为物体与来流垂直的迎流投影面积；ρ为水密度；v为流速。

当渠道过流流量为150 m3/s时，总干渠水深7 m，渠道内流速为1.23 m/s，围挡内外水位差最小值为0，最大值为15 cm。经计算，顺水流方向在仅依靠围挡自重的情况，安全系数K=1.64，可以满足稳定要求；垂直水流方向在仅依靠围挡自重的情况下，围挡内外无水位差时，安全系数K=2.9，可以满足稳定要求；围挡内外最大水位差为0.15 m时，K=0.17，不能满足稳定要求，将向总干渠岸坡方向滑动。经计算，通过在围挡底部设压重解决稳定问题，压重采用碎石袋，整体高1 m、顶宽1 m、底宽3 m，顶部设置钢缆牵拉。单榀围挡结构见图4。水下钢围挡为临时防污染措施，施工完毕后需拆除。

图4 单榀围挡结构示意

为监测试验段钢围挡变形情况，施工期间共设置了6个观测断面进行钢围挡水平位移监测，监测点为立柱位置，其中迎水面区域3个、顺水流方向2个、钢围挡下游侧1个。

在2018年5月1日至5月29日近一个月的监测过程中，渠道流量为216～239 m3/s，断面平均流速为1.74 m/s，围挡相对最大位移为-2.36～3.23 mm（水平位移观测允许误差为±3 mm），钢围挡未发生明显变形，处于稳定状态。

5 其他措施

（1）监测设施。为及时掌握运行期该段渠道的变形情况，为该段渠道的运行管理提供变形参考数据，修复加固渠段需加强监测，主要包括土体变形监测和地下水位监测。监测典型断面仪器布设如下：①三点位移计2套，分别埋设于一级马道以上二级边坡和三级边坡；②测压管2根，设置于衬砌下部；③水平位移工作基点和位移标点左岸布设于渠道路缘石临水侧渠坡位置，右岸布设于相应桩号位置二级马道位置。

汛期及降雨后要加大观测频次，同时加强沿线巡视。

（2）运行要求。为保证渠道混凝土衬砌抗浮稳定，运管单位对于该段渠道运行管理应满足以下要求：①渠段渠道外侧地下水位与渠道运行水位高差不大于0.25 m，当外侧地下水位高于渠道运行水位0.25 m以上时，可通过提高渠道运行水位或降低渠外地下水位的方式，保证内外水位差不大于0.25 m，必要时采取抽排降水等措施。②渠道空渠检修期应避开该段渠道高地下水位运行时期，选择渠道外侧地下水位低于渠底时进行；若无法避开，空渠检修前应采取措施降低该段渠道外侧地下水位至渠底以下。③应加强地下水位观测，关注横向排水管管口拍门开启状态，当拍门影响横向排水管出水时应人工开启拍门，当地下水位低于渠内水位时关闭拍门。

6 结 语

在南水北调中线某段根据以上设计方案进行了现场大型试验，试验期间围挡结构稳定、地下水位一直处于受控状态、坡体损坏部位修复得以实施，目前该段渠道已修复完毕，正常通水运行。实践证明水下围挡方案设计、排水方案设计、水下坡体修复方案设计以及修复期间渠道运行要求方案设计均合理可行，对同类水利工程水下修复有一定指导意义。