大型输水渠道在不停水工况下衬砌板局部隆起处理分析

郑晓阳，张晓亮，陈嘉敏，毛鹏飞

（南水北调中线干线工程建设管理局河南分局,河南 平顶山 467000）

0 引言

输水渠道运行期间,巡视人员巡查输水渠道衬砌面板时发现水面以下约20 cm处（渠道底板以上约6.8 m处）,渠道衬砌板局部疑似隆起,隆起高度约10 余厘米,经现场全面排查,发现共有3 处衬砌面板存在破坏迹象,随即开展了水下电视深度检查。

1 工程概况

处理渠段为全挖方渠段,挖深12.0 m左右,渠道内边坡坡比1∶2.25,水深7 m。渠段过水断面为C20F150W6 现浇混凝土衬砌,渠坡厚10 cm、渠底板8 cm。渠道衬砌分缝间距4 m,通缝和半缝间隔布置,缝宽2 cm,缝内填充闭孔泡沫板及聚硫密封胶。

2 现场破损情况及原因分析

2.1 现场破损情况

通过水下机器人对混凝土衬砌面板疑似存在问题的100 m范围渠坡衬砌板自上游往下游逐一检查,检查发现该渠段水下存在多处错台且局部有衬砌板断裂、土工膜破损外露等现象,错台最大长度约28 m,最大隆起高度约28 cm。在对0~24 m检查中,①4 m处,板三～板五上下游形成错台,长度约12 m,最大隆起高度25 cm；②8 m处,板三、板四上下游形成错台,长度约8 m,最大隆起高度10 cm；③24 m处,板三、板四上下游形成错台,长度约8 m,最大隆起高度24 cm；④4 m~24 m范围横向裂缝,贯穿①～③且渠坡衬砌板在板四以下小幅下滑（下滑1 cm~2 cm）,局部产生错台,最大隆起高度6 cm。

在对44 m~100 m检查中,①在48 m处,板三、板四预留缝存在错台,长度8 m,最大隆起高度5 cm；②在48 m~62 m范围,长度约14 m,板三、板四之间顺水流方向存在错台,错台最大高度约5 cm；③在72 m处,板二～板五块衬砌板形成错台,长度约8 m,最大隆起高度24 cm；④板三、板四在76 m处上下游方向存在错台,最大隆起8 cm；⑤在80 m处,板四、板五存在错台,长度约6 m,最大隆起高度约28 cm,端部（板五）存在裂缝,长度约3 m,最大宽度约1 cm；⑥在96 m处,板二～板五预留缝位置存在错台,长度约16 m,最大隆起高度约28 cm；⑦100 m处衬砌板纵向缝错台,长度约12 m,最大隆起高度约8 cm且板5端部衬砌板断裂,长度约5 m,裂缝最大宽度约3 cm；⑧68 m~96 m范围,长度28 m,板三、板四顺水流方向存在错台,错台最大高度约10 cm,衬砌板间缝隙最大宽度约1 cm；⑨72 m~96 m范围,长度约24 m,板四、板五顺水流方向存在错台,错台最大高度约10 cm,缝宽约1 cm；⑩72 m~98 m范围,长度约26 m,板二、板三排顺水流方向存在错台,错台最大高度约1 cm。

2.2 破坏原因分析

通过挖深及地势分析,该渠段底板位于寒武系页岩和灰岩中上部,渠坡主要由页岩、灰岩和重粉质壤土构成。结合渠道开挖时渠坡在灰岩夹层位置局部有渗水点,渗水点位于距渠底6m渠坡位置,可推测该部位地下水位高于总干渠设计水位；另外结合现场水下机器人检查情况,损坏部位大部分位于从封顶板向渠底第三排和第四排衬砌板,损坏部位与施工期渠坡渗水点位置较吻合。

总干渠左岸截流沟外侧135 m处为昭平台水库灌区北干渠,昭北干渠渠底高程137.11 m,高出总干渠设计水位约7 m。根据南水北调总干渠地质横断,该段左侧上游40 m外地层内有卵石层。通过初步观察未有降雨的情况下,观测井内水位仍普遍高于渠内运行水位,初步分析可能是昭北干渠渠内水通过该层卵石层渗流至总干渠。

综合以上分析,该部位可能存在页岩与灰岩结合部位的渗流通道是造成本次衬砌损坏的主要原因。

3 边坡稳定分析

3.1 计算工况

3.1.1 计算设计断面边坡稳定

考虑如下工况Ⅰ：渠内设计水位,地下水稳定渗流情况下设计断面边坡稳定,地下水水位采用观测井内水位与预测高水位的大值。

工况Ⅱ：渠内水位骤降30 cm,地下水稳定渗流情况下设计断面边坡稳定。

3.1.2 计算方法

采用中国水利水电科学院编制的《土石坝边坡稳定分析程序》（STAB95）来进行边坡稳定分析计算。

基本模型为：

式中：H为渗流场的水头函数；P为水压力；Kx和Ky分别为x和y方向土的渗透系数[1]。

3.1.3 计算参数

选取设计桩号SH（3）21+997.6断面为计算断面,计算参数见表1。地下水位选取132.1 m。

表1 典型断面计算参数采用值表

3.1.4 计算成果

边坡计算成果见表2。

表2 边坡稳定复核成果表

根据计算结果可以看出,本渠段在加大流量运行情况下,边坡稳定满足要求。

4 衬砌面板破损处理方案

4.1 排水处理措施

4.1.1 影响半径

本渠段地层主要为页岩,根据前期南水北调工程地质勘察资料,页岩的透水率多为弱透水,局部中等透水,渗透系数采用4×10-4cm/s。含水层的影响半径根据公式R=2SWKH[2]。

经过计算R=36 m,考虑到地层可能存在渗漏通道,渗透系数要大于页岩渗透系数,因此井间距按20 m考虑。

4.1.2 降水井出水量：

根据公式,计算得出单井出水流量为58 m3/d[2]。

4.1.3 降水井布置

降水井管径采用内径0.5 m、壁厚0.05 mC15 无砂混凝土管。井底高程113 m,降水井间距20 m。

4.1.4 抽排方案比选

①单井抽排。为满足排水要求,又要达到节省投资和使用方便的目的,水泵选用潜水水泵。根据水泵参数,水泵工作时间即不过长也不能太短,按2小时抽完考虑,水泵扬程为15 m。②单井连通抽排。降水井之间通过管道连通后,通过对末端降水井内的地下水进行抽排,达到降低处理段地下水位的目的。井内水位要降到渠底高程123 m,因此,连通管道埋设底部高程为123 m。管道沿线埋设管顶覆土厚度约10m,因此选用环刚度SN12的UPVC双壁波纹管。③方案比选。单井抽排方案需在每座井内布置一套抽水设施,单井连通抽排方案只需在末端降水井内布置一套抽水设施。

单井连通方案需将每座降水井通过管道连通,管道埋深较深,进行开挖施工埋设管道施工空间不足,需要增加临时占地,且该段地层为页岩,总体施工难度较单井抽排方案复杂。

综合考虑,采用单井抽排方案。

4.2 水下处理

4.2.1 主要工序

铆钉植入→连接钢丝绳→土工膜穿孔排水→混凝土衬砌板复位（错台切割）→压重及不锈钢压板固定,共5 道工序。

4.2.2 施工方法

（1）铆钉植入：潜水员用刮刀及铲子将原衬砌面板表面处理干净,按照间隔1 m在轻微滑塌的衬砌板上植入M10 mm铆钉,铆钉为不锈钢材质,一侧为弯钩,植入深度6 cm；

（2）连接钢丝绳：潜水员使用φ10 mm钢丝绳一段固定在铆钉上,另一侧与千斤顶组合装置连接；

（3）土工膜穿孔排水：检查衬砌板隆起部位土工膜鼓包处,利用裁纸刀、针锥等利器将其洞穿,并排除包裹在土工膜内的积存的地下水；

（4）混凝土衬砌板复位：积水排除后利用千斤顶组牵引钢丝绳逐步使衬砌板恢复至原来位置,如衬砌板局部变形较为严重则采用水下切割办法将影响部分切除后在进行复位；

（5）压重及不锈钢压板固定：①不锈钢压板：垂直裂缝（结构缝）方向间隔50 cm固定厚度3 mm、宽80 mm的不锈钢压板、压条单根长度100 cm（缝两边各50 cm）,并使用M10×75 不锈钢膨胀螺栓固定,螺栓间距为300 mm。②压重：压重采用碎石袋进行水下码放,码放位置为渠道底板自下而上到坡面衬砌板4 块面板。碎石袋压重保护方式如下:a.破坏程度较轻的渠段,自下而上第一块衬砌板码放3 层石子袋,第二块码放3 层,第三块码放2 层,第四块码放2 层；b.破坏程度较重的渠段,自下而上第一块衬砌板码放5 层石子袋,第二块码放4 层,第三块码放3 层,第四块码放2 层。

5 结语

输水渠道损坏的衬砌板如不能及时修复可能对整个工程运行安全造成严重影响,如何能在不停水的工况下完成对损坏衬砌板的修复,一直是大型输水渠道工程维护的一个难题,本项目在不停水的工况下通过增设抽排井、水下压重两种途径解决衬砌板隆起问题,希望能为类似工程维护提供参考。