水下混凝土衬砌板修复技术及关键工序控制

郭海亮，苏超

（南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄 050035）

混凝土衬砌板在南水北调工程中得到广泛应用，能够有效降低边坡糙率，提高有效供水量，保证供水效益。在运行中，因汛期强降水、高地下水位作用、膨胀土变形、冻胀及温度等原因影响，部分水下衬砌板出现隆起、塌陷等。为保证工程运行安全，在不停水工况且设计流量和流速通水条件下，对水下损坏的衬砌板进行了修复。

1 工程概况

南水北调中线干线工程河北段总干渠设计流量125～235 m³/s，加大流量150～265 m³/s，设计水深6 m。设计纵坡1/25 500，过水断面边坡1.75～1∶2.75，过水断面以上边坡1.75～1∶2.5。一级马道宽5 m，左岸为泥结石路面，右岸为沥青路面。过水断面采用C20F150W6混凝土衬砌，渠坡衬砌厚度10 cm，渠底厚度8 cm，混凝土衬砌下部设复合土工膜及保温板。

2 修复技术特点与难点

2.1 修复技术特点

（1）在不停水的工况下，修复了损坏的水下衬砌板，提高了供水保证率，经济效益显著。

（2）预制混凝土板结构型式满足边坡安全稳定性要求，修复后边坡糙率满足原设计糙率要求，有效保证过水能力。

（3）预制混凝土板结构缝型式及嵌缝材料（SR塑性止水材料）满足了修复后边坡防渗要求，防止了衬砌板隆起（塌陷）部位扩大，保证了渠道的安全性。

2.2 修复技术难点

（1）在渠道大流量235 m³/s、高流速1.0 m/s的通水条件下，对水下混凝土结构进行修复，在国内无类似可借鉴的技术和经验。

（2）目前水下混凝土施工技术应用比较广泛，如水下混凝土浇筑、膜袋混凝土等，需保证修复后混凝土能满足原设计过水断面尺寸和原设计边坡糙率要求，这对修复工作提出了较高要求。

（3）从水下衬砌板出现隆起、塌陷等产生机理分析，其多是原渠道边坡防渗系统出现了不同程度的破坏。在水下对原防渗系统进行修复，在国内无类似可借鉴的技术和经验。

3 关键工序施工与控制

3.1 装配式钢模板围挡

3.1.1 钢围挡设计目的

为减少施工对总干渠通水产生污染及在施工区域形成相对静水区，需要在衬砌板修复范围外设置三面围挡，围挡高出水面0.5 m，将水流流速降低至0.5 m/s以内。经多次试验和优化后，围挡采用钢模板作为面板、槽钢作为骨架支撑的结构型式，底部设置铸铁砝码压重。

3.1.2 围挡设计布置及稳定性分析

围挡迎水面拐角处挡板与水流方向形成30°夹角，改善水流冲刷条件；顺水流方向挡板与水流方向平行；下游拐角处围挡与水流方向形成45°夹角，防止水流产生旋涡对围挡产生压力。

选取迎水侧围挡作为计算断面，如图1所示，按照内、外水位差为5 cm计算围挡所受水压力，作用在围挡上的外力相对较小，钢围挡自身结构较为稳固。

图1 围堰受力计算

围堰安置在总干渠渠底，围堰内外水深h、H分别为6.45、6.5 m。堰外水压力=1/2γwH2=176.4 kN/m，堰内水压力=1/2γwh2=173.5 kN/m，水压力P=2.93 kN/m。围堰自重G=4 kN/m，围堰浮力F浮=0.26 kN。围堰与渠底间摩擦系数f取0.7，（G-F浮）×f=2.62 kN/m＜P=2.93 kN/m。为此，围堰需增加配重G′，（G-F浮+G′-F′浮）×f/P=η，其中η取1.1。经计算，得到G′-F′浮=1.98 kN/m，配重重量为200 kg/m。

3.1.3 围挡型式

为提高围挡施工效率，采用装配式结构。渠底采用标准件（每组1.5 m），如图2所示。边坡采用定制件（每组1.8 m），且底座坡比可调，满足不同比例边坡的安装要求。围挡采用钢模板（6015型或9015型），架体由底座、导槽和斜撑构成。底座采用槽钢制作，设置一根导向槽，导向槽为槽钢双拼成工字型钢。导向槽两侧设置斜撑，增加刚度，防止变形；迎水面围挡架立在边坡上，底层挡流模板高度根据边坡的高度调整，且底座坡比与渠道边坡保持一致。

3.1.4 钢模板围挡安装

围挡在一级马道上进行焊接拼装，在渠道两岸设置牵引系统，将架体缓慢牵引入水，依次进行安装。安装使用水上作业平台运输，在水面上沿导向支架槽下放钢模板，确保导流板下放到底。围挡安装完毕后须在围挡上布设缆绳，固定于两岸的混凝土锚桩上，确保稳定。

3.2 水下衬砌板拆除施工

3.2.1 准备工作

制作水上作业平台，配置空压机系统、起吊装置、监视器及其他必要的水下作业设备设施，并保证水上作业平台浮力满足预制板拆除及安装等要求，对潜水员进行安全技术交底。

3.2.2 衬砌板分割

潜水员采用水下液压圆盘锯（或其他水下作业工具）进行水下分割，切割深度为9 cm，沿衬砌板中间切割成2.0 m×2.0 m块；再利用气动钻机在衬砌板上钻孔锚固膨胀螺栓，每块衬砌板设置2～3个吊点，避免在水下破碎，造成污染。

3.2.3 板膜剥离

首先将衬砌板与下部土工膜剥离。混凝土衬砌面板和下部土工膜经过长时间的运行，结合较为紧密，分离所用的负荷较大。经多次现场试验和方案优化，在水上移动作业平台上采用电动葫芦配合潜水员进行分段剥离作业，尽量避免复合土工膜二次破坏。

3.3 基础处理施工

衬砌板拆除后，潜水员对渠坡基础进行水下检查。基础隆起部位首先采用液压风镐进行松动，然后装至定制的铲运斗中，由起重机吊装至运输车辆并运至指定弃渣点。基础沉陷部位填筑土工布（400 g/m2）缝制的砂石袋，分层填筑，上层用砂袋找平，保证填筑密实、无缝隙，平整度误差控制在10 mm以内。

3.4 土工膜及保温板铺设

3.4.1 土工膜铺设

主要有2种情况：①基础隆起造成土工膜破坏的，在开挖区域边界保留20～30 cm土工膜；②大面积土工膜敷设破坏的，在修复区域边界保留20～30 cm土工膜。土工膜铺设前按照损坏部位面积提前裁好，利用改造的钢管轴卷起，由潜水员在水下铺设，搭接处铺设2道（10 mm×5 mm）SR塑性止水材料，搭接宽度不小于20 cm。

3.4.2 保温板铺设

比如，浙江医院总院利用现有RIS/PACS服务器端软硬件系统，通过光纤专线与三墩分院区实现连接，所有服务器软件均使用总院的原有系统。总院及分院的放射科统一采用分布式模式调用RIS/PACS系统影像和报告[19]。同一医院不同院区间的医学影像共享促使RIS/PACS系统走向区域化，成为不同医院间甚至在区域医疗体系内实现影像共享的基石。

对于已经损坏的保温板，分块拆除，将更换的保温板（按原设计规格）提前粘贴在预制板下面，随预制板同步铺设完成，保温板粘贴采用挤塑板专用胶，保证粘贴牢固。

3.5 钢筋混凝土板施工

3.5.1 混凝土预制板结构型式

预制板混凝土等级采用C35W6F150，结构尺寸为0.99 m×1.99 m×0.1 m，四周设置梯形连接锁扣。根据连锁位置的不同，预制板共分6种型式，如图3所示。

图3 混凝土预制板结构

3.5.2 钢筋制安

钢筋为直径10 mmHRB400级，属单层钢筋，间距15 cm，位置距底部1/3处。预制板设置隐形吊环，吊环选用直径10 mmHPB300级，将吊环与钢筋绑扎连接。

3.5.3 模板工程

3.5.4 混凝土浇筑

混凝土采用自拌或商品混凝土，振捣采用定制振动式平台，既保证了混凝土振捣密实，也大大减少了混凝土气泡，满足规范要求。

3.5.5 结构缝设计

为增强防渗效果，在预制板四周中间设置弧形凹槽，既减少了混凝土气泡，又保证缝隙填充密封胶的牢固性，满足了设计要求。

3.5.6 预制混凝土板水下安装施工

（1）预制板吊装及运输。在靠近渠道一级马道6 m范围的预制板直接采用起重机吊装就位，超出此范围外的预制板吊装由水上作业平台配合起重机吊装就位。

（2）预制板安装。潜水员在水下负责混凝土板位置的摆正及拼装角度调整，通过水下通信、视频监控系统与岸上人员及时沟通。混凝土板吊放到位后潜水员进行吊装带的解扣工作，其安装顺序自下而上逐层进行。

（3）预制板找平。混凝土板全部铺装到位后，潜水员进行水下录像和复查，进一步细微调整，确保混凝土板铺设平整度不大于5 mm；同时，调整结构缝宽度，保证缝宽均匀。

3.6 结构缝处理

SR塑性止水材料是为混凝土面板坝接缝止水而研制的嵌缝、封缝止水材料，以非硫化丁基橡胶、有机硅等高分子材料为主要原料，经纳米材料改性而成，具有塑性高、接缝变形适应性强、与混凝土基面粘结力强、耐老化性能优异、抗渗性能突出、可施工性能好等特点。SR塑性止水材料指标，详见表1。

表1 SR塑性止水材料指标

预制板安装完成后，潜水员采用低压水枪对预制板之间的拼接缝进行水下冲洗清理，冲洗出缝隙中的杂质，确保缝隙内洁净。清理作业完成后，潜水员用SR塑性止水材料填充对接缝，利用专用工具捣实，保证缝隙填充饱满、无空隙。

4 结语

水下衬砌板修复技术的研究和应用，在正常通水的工况下完成水下衬砌板修复工作，修复效果满足了渠道边坡过水断面尺寸、防渗及糙率的原设计要求，同时为国内类似工程提供了技术支持和借鉴经验。目前，该项技术正在南水北调中线工程全线推广应用，在应用中将进一步标准化、规范化修复技术工艺，对关键控制指标和质量标准不断优化，形成一套完整的、系统的、科学的技术标准，并在不同工程和不同工况条件下推广应用。