扶坡廊道式钢结构装配围堰在南水北调中线工程中的应用

向德林，余 琅

(1.中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司，河南 南阳 473000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

南水北调是解决地域水资源分配不均的一项重大输调水工程，工程建设给民生带来诸多便利，南水北调工程是一项利国利民的重大工程。自从2014年通水至今，南水北调中线工程渠首分局所辖渠道部分衬砌板发生不同程度的破损，需进行维修。水下衬砌板修复通常采用水下不扩散混凝土和预制块水下修复，修复难度大、潜水员用量多、维修费用高。本文以南阳段为试验段，对扶坡廊道式钢结构装配围堰的应用展开研究，以期为水下衬砌板修复提供更安全快捷、经济高效的选择。南水北调渠首分局南阳段渠道衬砌板损坏情况见表1。

1 试验方法

本试验方法是在渠道不断流情况下，采用一种扶坡廊道式装配围堰，利用此围堰围护，在无水状态下，对试验段渠道衬砌板损坏部位根据损坏情况进行复位或拆除重新浇筑。采用的扶坡廊道式钢结构装配围堰由进口段、中间段、底部堵头段组成，各节分别组装加工，均采用钢结构，每节收尾安装可伸缩运行小轮，围堰底部设置特制U型空腔橡胶止水。扶坡廊道式装配围堰采用钢结构挡水，底部的橡胶止水紧贴在需要修复部位的上下游及底部坡面上，以防发生渗漏。扶坡廊道式装配围堰沿渠道边坡设置，人和小型机械设备从露出水面的进口段进入，沿渠道边坡下到渠道衬砌板损坏部位进行修复施工，实现了干地施工的条件。

2 主要施工作业流程

扶坡廊道式装配围堰施工步骤如图1所示。

2.1 确定围堰下水位置，埋设地锚

首先，派潜水员在南阳管理处拟选试验位置下水摸排，了解水下情况，通过水下摄影或拍照反馈破损情况及确切位置，选择合适位置埋设地锚。经过计算，地锚杆用直径50mm圆钢棒，埋深1～1.5m。埋设地锚前用取芯水钻钻直径71mm定位孔，通过加长杆可钻1m深，然后再通过人工将直径50mm圆钢棒砸入约40cm，用石子和水泥浆填塞密实孔内缝隙。露出地面部分和钢丝绳连接，钢丝绳与地锚连接。

2.2 围堰组装

采用叉车或8t吊车配合小型拖拉机将围堰体运至下水位置。为保护水面以上混凝土坡面，下水前在下水范围内渠道坡面铺设帆布。围堰下水时先用8t吊车将堵头段吊装至渠道坡面上，人工配合吊车将堵头段两侧的行走轮落在提前铺在坡面的槽钢内，用焊接在堵头段前端的吊装环与钢丝绳连接，用卷扬机底端的滑轮钩子钩住堵头端引出钢丝绳中间位置，待连接好后，摘取吊车的吊钩，缓缓放卷扬机钢丝绳，一直将堵头段放至堵头段法兰一端，直到堵头段离渠道坡顶有足够的距离(约2m)可以安装下一节为止，随后用吊车吊第一块中间节至渠道坡面上，通过布置在每节底部的液压缸可调节围堰每节的高度，人工配合吊车找准前后两节的法兰孔位置，节之间采用法兰连接并设置止水垫片，用扳手将堵头段法兰和中间节法兰螺栓紧固。

表1 南水北调渠首分局南阳段渠道衬砌板损坏情况统计表

图1 扶坡廊道式装配围堰施工步骤

按照前述顺序依次完成安装。全部完成后，通过布置在行走轮上的液压系统将所有轮的高度调节一致，然后用滑轮组绕10股钢丝绳配合卷扬机作为牵引，通过围堰体自重和人工推动，使围堰体沿槽钢缓慢下水直至待修复的部位，仅围堰开口段露出水面。

2.3 围堰闭水

围堰整体下水到位后，将围堰用两侧缆绳进行固定，缆绳固定在地面的地锚上，固定到位后，收缩围堰体所有轮，使围堰体整体下降，与渠道坡面逐渐贴紧，使止水钢板下的特制U型空腔橡胶止水逐渐贴紧坡面，橡胶止水最大变形量可达25cm，待橡胶止水与坡面完全闭合后，启动布置在进口端两侧的真空吸盘，该吸盘经测试每个吸盘垂直面瞬时最大吸力可达3000kg，考虑到4×4m一块衬砌板的重量，布置了两块吸盘，通过布置在吸盘上的可伸缩气压缸调节吸盘的离地高度，人工再次调整吸盘面的位置，启动抽真空空压机，使得吸盘面完全贴合渠道坡面，围堰体移动之前吸盘一直保持工作状态，防止水流冲刷。

通过压力表观察吸盘稳定后，下一步再进行抽水工作，抽取围堰体内部水计划用两台40m3/h潜水泵，扬程12m，一主一备，在潜水泵控制系统上加装浮球装置，通过浮球的高低，反应水位的高低，对潜水泵启闭进行控制，以实现自动化控制，减少人工操作。

2.4 杂物清理

压重碎石一般情况下破坏衬砌板有压重碎石，应首先清理，清理时可采用吊车配合吊斗或卷扬机配合四壁镂空小车，吊斗和小车底部为不透水钢板，四壁为钢筋焊接，小车四轮采用塑胶轮，不得损坏完好衬砌板。

沉积淤泥可采用潜水员手持小型污泥泵抽吸的方案，创造干地施工后也可采用人工刮扫，做到不污染水质。

2.5 破损混凝土的处理

人工沿着搭设的爬梯自开口段进入围堰内，观察渠道衬砌板结构具体的损坏情况，根据损坏的严重程度采取不同的修复方案。

对渠道衬砌板损坏程度较轻，隆起高度不大，可实施复位的，首先利用小型钻孔设备在衬砌板钻孔将土工膜钻透消除衬砌板下部水压，而后采用人工辅助橡皮锤敲击对衬砌板实施复位并用闭孔胶对局部破裂进行处理。

对渠道衬砌板损坏程度严重，错台、移位、隆起高度较大无法实施复位的，采用风镐或液压镐首先对损坏的结构板进行破碎、拆除。拆除破碎成小块的衬砌板及清理物利用吊车或卷扬机配合小车运出水面。

对清理干净的基面，尽量减少对粗砂垫层的扰动，保持粗砂垫层的完整性。基面局部突起位置应挖除，出现浸泡或扰动产生的淤泥应清除，凹陷部位铺设碎石，保持基面大致平整。而后采用原标号或高标号混凝土重新浇筑。

待损坏的衬砌板修复完成或重新浇筑的混凝土达到一定龄期后，首先使行走轮着地，通过液压系统，支撑整个围堰体离地，外水进入围堰，内外水压基本平衡。最后采用安设在地锚上的卷扬机将围堰整体牵引出水面，并依次进行拆除，然后吊运至下一个需要修复的部位进行组装。

3 施工效果分析

南水北调中线工程首次成功研制扶坡廊道式水下干地作业围堰，该围堰采用扶坡廊道式，紧贴坡面，结构稳定，适应水流能力强。除采用的拉钢丝绳将堰体和岸上预埋的地锚连接固定外，为进一步确保堰体牢固，在进口段堰体两侧设置两个高强度真空吸盘，采用真空吸附的原理对堰体进行固定。形成干地后施工效果好，修复可达原设计标准，大大提高了水下破损衬砌修复的工作效率和安全性。此外，在全线首次实现了水面下7m创造干地施工条件，并对水下衬砌板进行了修复，施工精准高效。具体有以下特点和优点：

(1)围堰采用弧形结构，对水流具有较强的适应能力

围堰各段均采用弧型设计，可最大限度的减少水流的冲击并承受较大的水压力；在渠道流速为1m/s时，顺水流方向牵引力仅为5.6kN；极大地简化了围堰的结构型式，降低了加工难度，节约了制作成本及施工费用。

(2)围堰整体结构轻便，有效保障已有衬砌结构安全

通过合理优化设计，有效降低了围堰进口段、中间段及底部堵头段的主体和附属结构的重量，顺坡向每2m重仅为1.5t；在不考虑浮力条件下，行走轮对衬砌板面的压应力小于4.0MPa，有效保障了周边衬砌板结构的安全。

(3)围堰采用分体装配式的结构，运输便捷，组装高效，可用于应急修复

围堰各段均采用钢结构分节加工制造，其中中间段每节2m，进口及堵头段每节1m，单节底部设有可收缩小轮，各节采用法兰连接，并设置止水垫片，组装拆卸方便高效；单节体积小，运输及存储便捷；可重复使用，经济性好。运输便捷，组装高效的特点特别适用于应急修复。

(4)围堰采用特制止水材料和防渗结构，有效保障水下干地施工条件

围堰各节下部采用特制U型橡胶止水件，紧贴渠道坡面闭水、防止渗漏；在围堰自身重量及水压的作用下，压缩橡胶止水件紧贴衬砌面板并形成有效止水和防渗；修复过程中抽干围堰内积水，形成干地施工条件；修复完成后，对围堰内注满水，围堰内外水压基本平衡后，将围堰移出水面。

(5)环境友好，对水质无影响

由于修复施工在围堰围护范围内，不会因施工废弃物造成对水质的影响，极大程度的保证了水质安全。

(6)修复成本低

设备制作完成后，与水下不扩散混凝土和预制块两种修复方式相比，日常修复作业最大的成本在转场及围堰拆装。根据渠首分局试验情况估算，每次转场及围堰拆装费用约1～2万元，其他修复费用与日常现浇相当，极大的节约了衬砌板维修费用。

4 结语

南水北调中线工程首次在南阳管理处成功研制扶坡廊道式水下干地作业围堰，平均每3—4天可修复一处水下缺陷，单次最大可修复4块(64m2)，修复完成24小时后拆除围堰，已修复衬砌板水下养护，修复工效高。在整个修复中仅在下水前的水下摸排中用到潜水员，其他时段无须潜水员配合，安全性好，管理经济效益显著。

在围堰研究加工制作和现场修复试验完成后，后期水下衬砌面板修复与常规水下修复相比，扶坡廊道式钢结构装配围堰修复不仅施工速度快、修复效果好；而且围堰可拆卸，运输及组装方便，一套设备可多次重复使用，成本低廉，施工周期短，应急能力强，且施工安全性高。有效解决了南水北调中线干线水面下破损衬砌面板修复的工程技术难题，对长距离不停水检修和水下修复具有极大的推广应用价值。