透水钢围堰在输水渠道工程中的应用

石泰

科技创新

透水钢围堰在输水渠道工程中的应用

石泰

以更换南水北调中线总干渠衬砌板为例，介绍透水钢围堰在输水渠道中的应用，使水下施工达到相对静水作业条件，透水钢围堰由可拼装的钢骨架和内置的钢筋网片构成，具有安装便捷、可重复使用等优点，为输水渠道水下作业提供便利。

输水渠道；透水钢围堰；衬砌板

南水北调中线总干渠运行过程中衬砌板存在隆起，现以总干渠桩号72+644～72+668段衬砌板修复为例，介绍透水钢围堰在总干渠衬砌板修复中的应用。透水钢围堰以槽钢为骨架，填充内置土工布的钢筋网片，使施工在相对静水中作业，同时可以有效阻止作业区域污水进入总干渠，可为输水渠道维修加固提供借鉴与参考。

1.工程概况

南水北调中线总干渠永年县段设计流量230m3/s，加大流量250m3/s，渠道横断面为梯形断面，过水断面边坡1∶1.0，设计底宽23m，一级马道宽5m（实际路面宽度4m）。渠坡、渠底采用现浇混凝土衬砌，渠坡衬砌厚度为15cm，渠底12cm，衬砌混凝土等级为C30F150。永年县段桩号72+644～72+738段4块衬砌板向渠道内侧隆起变形，工程对发生隆起变形的衬砌板采用水下现浇混凝土方式进行修复，处理范围为桩号72+644～72+668，衬砌板长度6m（顺水流方向），宽度10.5m，累计处理长度24m。永年县总干渠加大过流水深为6.4m，由于施工期间不得断水，且需保证渠道衬砌板安全，衬砌板修复难以实现干场作业，工程施工采用了透水钢围堰，并在应用过程中达到了预期效果。

2.施工围堰布置

总干渠设计流速为1m/s，该流速下水潜水作业受到水流强烈干扰，无法进行水下常规作业，同时衬砌板修复施工会对总干渠水质造成影响，因此衬砌板修复需要搭设围堰降低施工区域内水流速度，使之接近静水条件，同时需满足施工区域的浑浊水污水不污染总干渠的要求。

围堰拟采用透水钢围堰，围堰布置见图1。

3.围堰结构设计

透水钢围堰骨架采用槽钢结构，中间填充预制格栅，预制格栅尺寸3m×2m，格栅四周为10#槽钢骨架，中部为两层钢筋网片夹2层400g/m2土工布。透水钢围堰与混凝土接触面选用20#槽钢，上部竖向骨架选用16#槽钢，竖向槽钢之间填充预制格栅，如图2所示，该结构外水可直接进入基坑，基坑内水经过2层土工布过滤、吸附后可进入总干渠，确保总干渠水质不受施工影响。为了防止基坑内水进入总干渠，透水围堰超高取0.3m，设计钢围堰高度为6.7m，由于预制格栅高度2m，因此透水钢围堰高度为8m。

图1 透水钢围堰平面布置图（mm）

表1 抗滑稳定计算过程表

表2 抗倾覆稳定计算过程表

表3 施工导流工程量

图2 透水钢围堰立面、剖面图（mm）

单节透水钢围堰长度为3m，与混凝土接触面槽钢为“工”字型，如图2、图3，每节钢围堰之间采用螺栓连接。单节钢围堰的两侧竖向槽钢顶部采用连接杆连接固定，防止因水流冲击在水中晃动。

按照总干渠衬砌板修复类似工程经验，围堰安装完毕后内外水水头差约20cm，参考《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）对透水钢围堰进行抗滑稳定计算：

式中：

KC—槽钢沿基混凝土面的抗滑稳定安全系数，取0.5；

∑G—作用于基底全部竖向荷载之和，(kN)；

∑H—作用于底板基底全部水平向荷载之和，(kN)；

其中水平向荷载动水压力计算参考《给排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）公式：

式中：

Fdw,k—流水压力标准值，（kN）；

nd—淹没影响系数，对于非淹没式取值为1.0；

Kf—水流力系数；

vw—水流速度，（m/s）；

g—重力加速度，（m/s2）；

A—阻水面积，（m2），应计算至冲刷线处。

抗滑稳定计算过程表见表1。

水下钢材与混凝土衬砌板之间摩擦系数一般在0.3～0.7之间，国内尚无相关规定，为了保证工程安全，本项目按照低限取值，计算=1.11gt;[1.05]，抗滑稳定满足参考规范要求。

抗倾覆稳定计算。参考《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）进行透水钢围堰的抗倾覆稳定计算：

式中：

K0—抗倾覆稳定安全系数；

∑MV—对基底前趾的抗倾覆力矩，（kN·m）；

∑MH—对基底前趾的倾覆力矩，（kN·m）；

计算结果=3.49>[1.40]，满足抗倾覆稳定要求。抗倾覆稳定计算过程表见表2。

4.围堰施工措施

透水钢围堰各部位在工厂预制完成后分块运至现场拼装，每节透水钢围堰在现场拼装后采用吊车整体吊装至预定位置，每节透水钢围堰重量约2.0t，吊车在一级马道吊装钢围堰，经查询汽车吊参数表，选用25T汽车起重机吊装，25T汽车起重机外形尺寸（长×宽×髙）为12750mm×2500mm×3225mm。

每节钢围堰吊装就位后由潜水员进行水下螺栓连接。衬砌板修复完毕后由潜水员拆除螺栓，汽车起重机吊出。钢围堰安拆期间由潜水员进行配合进行水下混凝土模板安拆、排水管安拆等，估算每处衬砌板修复需水下作业20班组（按照每班组3～5人，每天工作8h计算）。

图3 渠道边坡透水钢围堰立面图（mm）

衬砌板修复完毕后，围堰拆除前，施工区域内浑浊污水通过离心泵抽排出总干渠，直至基坑内全部为清水为止，抽排污水过程中，应注意基坑内外水头差不得大于20cm，水泵排水抽排至左侧截流沟。

水泵选用PW50-65型污水泵（Q=25m3/h、H=32m、P=7.5kW），初步估算每处衬砌板修复需抽排水16台时。

根据施工导流布置图，围堰长度为59m，工程量见表3。

围堰安装完成后，采用臂长13～16m液压岩石破碎机破碎衬砌板，衬砌板破碎渣料主要采用长臂挖掘机挖除，局部由潜水员人工清除，破碎过程尽可能控制衬砌板破碎成大块，便于整体挖除。

衬砌板修复采用水下自密实混凝土，混凝土浇筑前在所浇筑衬砌板两侧搭设导轨，导轨选用20#工字钢，由标准钢模板组装成大模板，通过卷扬机整体从导轨滑入水下，潜水员水下检查模板就位情况，检验合格后立即进行混凝土浇筑，混凝土浇筑采用导管法。为了便于模板拆除，模板表层均匀涂抹脱模剂，待混凝土初凝即可抖动模板，便于后期顺利拉升模板。

5.结论与建议

南水北调中线工程已运行多年，衬砌板隆起现象时有发生，采用透水钢围堰可实现输水渠道中相对静水作业，并能实现基坑内污水不泄入至总干渠，确保总干渠水质安全。透水钢围堰自身满足稳定要求，且单延米钢材用量较少，格栅更换土工布后可重复利用，可有效节省工程投资。透水钢围堰可实现分片拼装，具有运输、安装简单灵活等特点，具有推广和实用价值，也为有静水作业需求工程提供了借鉴与参考。

2022-04-13

石泰，男，汉族，河北省水利规划设计研究院有限公司，高级工程师。