适应衬砌渠道修复的组合式钢浮箱围堰方案的稳定性计算

付文楚，黄新磊，卢康，彭旭，万伟

（中国船舶重工集团应急预警与救援装备股份有限公司， 武汉 430223）

1 引言

跨区域的大型调水工程是解决区域性水资源分配不均的优良方案，为现代社会工农业的正常发展提供了用水保障。为减少水资源在输送过程中的损失，调水工程的渠道多采用“夯实土层+土工织物+衬砌结构”的衬砌结构，如南水北调工程，引江济汉工程等。随着工程的投入运行，衬砌渠道结构不可避免会受到自然环境和工作荷载的侵蚀，如冻融破坏、土壤盐分离子侵蚀、干湿循环破坏及水体冲刷等作用，从而导致衬砌渠道出现裂缝、冻胀、冲磨与空蚀等侵蚀破坏现象，严重威胁水利工程的安全运行，制约工程效益的正常发挥[1]。为此，需要对渠道衬砌结构出现的破损及时进行修复。

根据衬砌渠道损坏的规模大小，采取不同的修复方案。小范围的衬砌板破损裂缝，采用潜水员水下注浆修复；针对大范围的衬砌板破损，则需要创造干燥的修复环境，以拆除旧板，浇筑新的衬砌板。本文聚焦于为大范围衬砌渠道修复，提供安全、可靠的干地修复环境这一难题展开研究。

2 衬砌渠道修复的原则和方案

2.1 衬砌渠道的修复原则

水利工程中要想创造干燥的施工环境，离不开形式多样的导流技术和围堰技术。根据施工环境的不同，合理地选择导流和围堰方案是水利工程顺利进行的前提。导流方案有全段围堰导流和分段围堰导流2种，相配套的常规围堰方案有土方围堰、土袋围堰、钢板桩围堰、双壁钢围堰以及钢吊箱围堰等（见图1、图2）。这些常规围堰在水利工程中均得到了成功的实践，产生了良好的经济效益。如全段土方围堰导流方案用于船闸拆除和新建[2]，采用拉森Ⅲ型钢板桩构筑分段围堰导流方案用于运河渠底改造[3]，双壁钢围堰构筑分段导流方案用于深水河道的桥梁桩基础施工等[4]。

图1 全段导流围堰

图2 分段导流围堰

大型调水工程往往担负着沿线区域居民生活和工农业生产的供水任务，一旦因渠道衬砌结构养护作业造成供水中断或者水体污染，将给社会平稳运行带来较大压力。在大范围衬砌结构修复作业中采用全段围堰导流方案，意味着需要开挖导流明渠，或者敷设管道利用水头压力差实现自流，或者水泵抽排，存在经济性差、影响渠道输水能力、难以长期作业的问题。采用土方围堰、钢板桩围堰以及钢围堰等分段围堰导流方案，则存在淤积渠道、污染水质、破坏衬砌结构的问题[5]。

因此，适应大型调水工程衬砌渠道修复作业的围堰方案应遵循以下原则：

1）围堰在设计水深下能正常工作，同时应尽量降低对渠道输水能力和水质的影响。

2）围堰施工过程中不能对修复范围以外的渠道结构产生损坏。

3）围堰应能提供足够空间、安全、稳定的干地修复施工环境。衬砌渠道为减小混凝土的温度应力，通常在横向和纵向每隔12 m设置1道通缝，每隔4 m设置1道半缝[6]。故围堰所能提供的干地环境要与衬砌板数量相对应，即干地环境长度至少能满足维护1块衬砌板，并可根据需要通过增加围堰长度满足多块衬砌板的同时修复作业。同时，围堰结构需要在水流的冲刷和内外水头差的作用下，保持自身结构强度，整体稳定性以及防止渠道中水体渗流进修复作业区，避免给施工作业带来危险。

4）围堰应能循环使用，并具有较高的经济性。围堰的安装拆除作业应尽可能机械化、程序化，减少或避免水下作业，以减轻人员劳动强度，满足长期高频次的修复作业。

2.2 衬砌渠道的修复方案

面对苛刻的修复环境，常规围堰导流方案并不适用于大型调水工程渠道大范围的衬砌结构修复作业。采用分段钢结构围堰导流方案，成了衬砌渠道修复作业的最佳方案。结合梯形断面衬砌式渠道边坡的特点，按照衬砌渠道修复原则，分段钢结构围堰导流方案可以分为贴坡式围堰和半围式围堰2种型式。

南水北调中线荥阳管理处曾采用由钢结构底座、钢立柱及面板组成的半围式钢围堰（见图3），在水深约1 m的情况下，取得了试验成功。但在后续扩大规模至3.5 m水深范围内，水平向长度10～12 m的试验中，下水钢围堰下水难度大，以及未形成有效止水而导致试验中止。河南省水利勘测设计研究有限公司曾提出一种跨度达48.6 m的贴坡篷式钢围堰（见图4），该围堰分为7跨，中间布置有6组1.2 m×2 m（宽×高）的钢桁架支撑。由于钢桁架占压衬砌板，不能一次性完成修复作业，需要通过调整钢桁架支撑位置，交替完成衬砌板的修复[7]。

图3 半围式钢围堰

图4 贴坡篷式钢围堰

3 组合式钢浮箱围堰方案及其稳定性计算

基于目前应用于衬砌渠道修复施工的钢围堰存在的不足之处，一种将钢浮箱作为基材，用于结构组合式分段钢围堰导流方案被用于衬砌渠道修复。

3.1 组合式钢浮箱围堰方案

图5 组合式钢浮箱围堰方案典型布置图

组合式钢浮箱围堰方案（见图5）由标准浮箱、坡角浮箱、标准围堰板、坡角围堰板、支撑桁架以及相关配套器材等组成。标准浮箱由面板和纵横骨架焊接形成的封闭钢结构，单个尺寸为8.86 m×3 m×2.1 m，重量128.5 kN（12.85 t）。标准围堰板是由面板和纵横骨架焊接形成的板架结构，单个尺寸为4.62 m×3.1 m×0.3 m，重量21.1 kN（2.11 t）。为适应不同梯形断面渠道的边坡，在标准浮箱和标准围堰板的基础上，改造出适应相应边坡比的坡角浮箱和坡角围堰板。浮箱之间，以及浮箱与围堰板通过单双耳接头连接成刚性整体。通过增加标准浮箱和标准围堰板的数量，来实现不同规模的衬砌板修复作业区。

以修复6 m水深，渠道边坡比1∶2.5，水流流速1 m/s为例，组合式钢浮箱围堰布置单列横置纵向浮箱共21个，围堰板11块。围堰分为位于斜坡上垂直水流方向的横向围堰和位于坡底顺水流方向的纵向围堰。

3.2 组合式钢浮箱围堰方案稳定性校核

相比较与传统围堰方案的危险点在接头和边坡连接处，钢浮箱围堰的模块化程度高，结构强度大，连接方式可靠[8，9]，它的危险点在于整个系统抵抗水流冲刷、水头压力时的稳定性。

如图6所示，静水压力F静水1为水流对围堰的倾覆和滑移作用，静水压力F静水2为水流对浮箱顶部的垂直压力。G1为箱体自重，G2为压载水重量，取浮箱体积的90%。F冲击为水流对围堰的冲击力，主要作用于垂直于水流方向的围堰设备。

图6 围堰受力模型

3.2.1 抗滑移稳定校核

钢浮箱围堰抗滑移稳定需要校核纵横向围堰与衬砌板的摩擦力能否抵消水流对围堰的作用力，使围堰不发生滑移。

水流对围堰的冲击力按式（1）计算：

式中，A为围堰受水流冲击的面积；V为渠道束窄后流速，取2.5 m/s（安全系数 1.25）；ρ为水的密度 103kg/m3；k为绕流系数，对本围堰取0.7；α为水流冲击方向与阻流面的夹角，取 90°。

纵横向围堰抗滑移校核结果见表1。从表1可以看出，纵横向围堰工作时不会发生滑移。

表1 不同止水方案的抗滑移能力校核 kN

3.2.2 抗倾覆校核

在进行抗倾覆校核时，纵横向围堰具有围绕内侧与衬砌板接触位置旋转倾覆的倾向，故分别计算倾覆力矩和防倾力矩。

横向围堰箱体G1和压载水G2产生的防倾力矩为：

式中，G为横向围堰箱体自重和压载水重力之和，取3 125.06 kN；θ为渠道边坡角度，取21.8°；L为横向围堰箱体和压载水重力作用力臂，取4.43 m。

横向围堰受到的纵向静水压力F静水1产生的倾斜力矩为：

式中，ρ为水的密度取，1×103kg/m3；h为水深，m。

则横向围堰受到的垂直箱体的静水压力F静水2产生的防倾力矩为：

则横向围堰受到的水流冲击力F冲击产生的倾斜力矩为：

故有：

从而横向围堰不会发生倾覆，满足抗倾覆要求。

同理，可以校核纵向围堰不会发生倾覆，满足抗倾覆要求。如表2所示。

表2 纵向围堰抗倾覆校核 kN·m

3.2.3 提高稳定性的锚定方案

为了进一步提高整套围堰系统的稳定性冗余度，防止整个围堰系统在安装或下沉过程中发生不可控位移，在上游、下游及对岸可布置锚定系统，主要包含200 kN和50 kN系泊绞车、带缆桩、系留索总成等。

4 结语

本文归纳总结了衬砌渠道的修复原则，认为常规土方围堰、钢板桩围堰以及钢围堰等分段导流围堰方案和全段导流围堰方案，并不适用于要求严苛的大型调水工程渠道大范围的衬砌结构修复作业。而将多个钢浮箱组合成的钢围堰，通过增加模块化的浮箱和围堰板数量，来实现不同规模的衬砌板修复作业区，具有较大的施工灵活性和经济性。同时其稳定性满足要求，能够适应衬砌渠道养护作业。