紫铜止水带在南水北调输水隧洞结构中的应用研究

张东

【摘要】紫铜止水带作为一种基本的止水材料被广泛应用于国内外高级水工建、构筑物结构中。本文以作者亲身经历的南水北调项目为依托，从设计要求、材料选型以及产品制作等方面详尽阐述和分析了紫铜止水带在南水北调输水隧洞结构中的应用过程。

【关键词】水工；南水北调；紫铜；止水带；输水隧洞；止水

1、前言

由于紫铜具有较强的抗腐蚀能力，较高的抗拉强度以及较好的韧性，能承受较大变形等优点，故由其制作成的止水带可在水工建、构筑物发生不均匀沉降或变形时，有效避免因止水带本身断裂导致结构漏水的情况发生，使其能够作为一种基本的止水材料被广泛应用于国内外高级水工建、构筑物结构中。本文以作者亲身经历的南水北调项目为依托，从设计要求、材料选型以及产品制作等方面详尽阐述和分析了紫铜止水带在南水北调输水隧洞结构中的应用过程。

2、工程概况

北京市配套工程南干渠、东干渠工程是北京市南水北调输水工程的重要组成部分，承担着为北京南部、东部各大水厂提供南水北调水源的任务。其供水范围主要包括城区南部、东部各大新城。工程竣工后将为北京南部及东部地区带来外调水源，对合理配置水资源，地下水源的长久有效涵养，有着非常重要且深远的意义。

南干渠工程施工区域位于北京市南部，主要跨越丰台区、大兴区，输水隧洞上游与总干渠永定河倒虹吸相连，其等级为一等一级，全长约27公里。该输水隧洞以京九铁路侧桩号K11+302为界分为上、下两段。上段长约11公里，为2条直径3.4米隧洞，初支采用浅埋暗挖法施工，二次衬砌采用C30W10钢筋混凝土，有15座施工竖井；下段长约16公里，为单条直径4.7米隧洞，初支采用盾构法施工，二次衬砌亦采用C30W10钢筋混凝土，共有5座盾构始发井。

上段设计流量30立方/秒，加大流量35立方/秒，下段设计流量27立方/秒，加大流量32立方/秒。

东干渠工程施工区域位于北京市大兴区及朝阳区东部。工程起点为团城湖～第九水厂输水工程末端分水口，沿五环路至亦庄桥后与五环路分离，随后下穿凉水河，最终与南干渠接驳，总长约45公里。输水隧洞为一条内径4.6米的双层衬砌结构钢筋混凝土圆涵依靠重力流输水，隧洞初支全部采用盾构法施工，隧洞二次衬砌全部为C30W10钢筋混凝土。其沿线设置有排气阀井、排空井、分水口、调压井、管理用房等。

3、材料特性及设计要求

3.1 材料特性

紫銅止水带作为一种基本的止水结构，被广泛应用于国内外大、中型水利项目中，紫铜是含铜量不低于99.5%的工业纯铜，因表面呈现出紫色而得名。根据其含铜量不同，其牌号分为：T1、T2、T3、T4。其优点是柔韧性好，抗扰渗能力强，抗腐蚀性强，耐久性好；其缺点是止水带接头需现场焊接，对焊接质量要求较高，并且施工造价较高。

3.2 设计要求

根据其以上性能特点，北京市南水北调配套工程南干渠进行设计变更，将原设计中埋式橡胶止水带更改为中埋式紫铜片止水带。具体结构形式如下图所示：

设计图纸对紫铜止水带的原材料还做如下要求：紫铜应选择T2纯铜，紫铜片抗拉强度应不小于205Mpa，伸长率应不低于20%，紫铜片止水带的化学成分和物理力学性能应满足GB/T2059的规定。

3.3 紫铜止水带设计结构说明

（1）厚度：设计要求为1.2mm厚度的紫铜片，材料的厚度从抗腐蚀性这一方面来分析，能够决定其使用年限的长短。目前还比较缺乏各种液体对止水带的腐蚀性研究，但仅对于紫铜止水带来说，以往的相关试验数据可进行参考：

按照1.2mm厚紫铜板计算，长期浸泡在10%NaOH、3%NaCl以及地下水中，使用年限分别为52年、55年和600年，完全能够满足南水北调这个“世纪工程”的使用年限要求。

（2）铜鼻子：由于紫铜本身特性较软，铜鼻子的设置在保证止水带延展性的同时，还能增加其刚度，吸收接缝变形，以最大限度的减少因接缝变形在紫铜止水带中产生的附加应力。此外还有增加绕渗路径长度的作用，使其在结构发生轻微变形时，也能保证良好的止水效果。

（3）立腿：其作用是在接缝变形过程中，减少紫铜止水带翼板与混凝土之间的相对错动，确保翼板的抗绕渗能力，同时立腿本身也具有增加绕渗路径长度的通，从而使得止水带抗绕渗能力增强。

4、紫铜止水带的制作

4.1 原材料的选择

根据《铜及铜合金带材》GB/T2059-2008对铜材的力学性能规定，只有M（软态）的铜材能满足设计要求，相关力学性能参数见下表：

故选用厚度为1.2mm的T2M软态铜作为止水带的制作材料。与硬态铜相比，软态铜具有较大的伸长率，且适应接缝变形能力好。同时，在加工成型过程中也不易造成损坏。

4.2 制作生产

选用分片生产，集中运输，现场焊接成环的形式。每环紫铜止水带分为6片，每片在厂家分三次冲压成型，运输至施工场后，进行手工氩弧焊焊接拼装，最后安装至结构施工缝中。

（1）第一次冲压：由于采用“由片成环”的模式，现场焊接采用搭接焊，搭接长度2cm，第一次冲压成型2cm的“子母扣”搭接接头（如图3所示）；

（2）第二次冲压：成型90mm铜鼻子以及整片止水带的起拱；

（3）第三次冲压：成型90mm立腿。

（4）现场焊接成环：焊缝对于整条止水带来说，是一个相对薄弱的环节，焊接质量的好坏，直接影响到整体的止水效果。经过现场工艺试验和检测，焊接工艺选择手工氩弧焊双面搭接焊，其焊丝为紫铜丝，为有效避免气孔、夹渣等缺陷产生，施焊前须将焊丝以及紫铜板搭接处进行砂纸打磨，有效清理氧化膜。施焊过程中，先预热焊件，预热温度为150～300℃为宜，提高焊接速度，减少氩气消耗量，从而保证焊缝根部可靠的熔合和焊透。值得注意的是，预热温度不宜过高，否则会使焊接接头的力学性能降低。对于止水带接头焊接强度，相关试验表明：

《水工建筑物止水带技术规范》DL/T5215-2005中规定，铜止水带的接头强度与母材强度之比不能低于0.7。另考虑现场焊接质量的不稳定性，故选用铜焊二遍的焊接方法，以保障紫铜止水带的焊接质量。焊接成环的紫铜止水带如图4所示。

5、结论

虽然紫铜止水带造价较高，从生产再到现场焊接、安装，各个环节均有严格的质量要求，但是因其具有优质的止水特性，依旧被国内外广大重点水利工程所采用。我国水利行业发展势头迅猛，普通止水带被不同结构形式的紫铜止水带所取代必将为一种趋势。

参考文献：

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[2]《铜及铜合金带材》GB/T2059-2008.

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