大尺寸地下排水渠道非开挖修复工艺过水能力分析研究

许洪斌 樊亮亮 吴胜举 郑超文

针对某老旧排水渠存在的缺陷问题，通过理论计算及试验研究不同修复工法修复后过水能力，在满足结构性能要求下，进行四种工法施工工艺过水能力对比，螺旋缠绕施工过水流量最大，过水能力最强；模筑法和预制拼装法管、喷射法新材料管，过水流量比较接近，仅次于螺旋缠绕法，四种修复工法都提高了原渠道的过水能力，提高幅度在20%～60%之间。本文基于长沙市某老旧排水渠存在的管渠缺陷问题，对现有可行的四种针对大尺寸排水渠道非开挖修复工法修复后管渠过水能力进行分析，以期为城市地下大尺寸排水渠道的非开挖修复积累建设经验。

近年来，随着城市快速发展，地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，排水管网系统早已不堪重负。城市建成区内的众多给排水管道，随着服务年限的增长，将不可避免地带来大量的改造、更换、修缮需求，参照德国水协 DWA 的调查数据，排水管道系统中，相比管材更新，管道修理更为常见，且非开挖修复的比例逐年增加。本文基于长沙市某老旧排水渠存在的管渠缺陷问题，对现有可行的四种针对大尺寸排水渠道非开挖修复工法修复后管渠过水能力进行分析，以期为城市地下大尺寸排水渠道的非开挖修复积累建设经验。

一、工程概况

以长沙市某大尺寸老旧排水渠已实施实验修复段为研究背景，该实验段整体位于长沙市五一大道北侧晓园公园内，为该排水主渠段CK3+140 ～CK3+270，总长约130m。实验段现状渠道材质为浆砌片石侧墙+预制砼圆拱，断面尺寸为5000mm×1400mm+G1600mm，高差约1.80m，根据前期渠道检测结果，对渠道进行安全性等级鉴定，拟分为四种工法：“模筑法”45m、“喷射工艺”15m、“预制拼装”45m 以及“螺旋缠绕”15m，拟供排水渠全段加固修复时参考。

对于排水管道（涵）的修复加固工作不但要满足结构性能要求还需确保其排水能力的需求。笔者通过理论计算及试验手段，测试各甄选工法施工后，新管道（涵）的过水流速及流量，同时对不同非开挖工法施工工艺对排水管道进行修复后的过水能力进行对比分析，为管涵修复工程施工方案提供参考。

图1 试验段修复工艺分布示意图

二、施工工法

（1）“预制拼装”法是利用UHPC（超高性能砼）预制结构件进行机械拼装形成管渠内衬的工法，现场工期短，不破坏原有结构。

（2）喷射法施工主要包括施工准备、挂第1 层钢筋网、搅拌和输送、喷射第1 层UHPC、挂第2 层钢筋网、喷射第2 层UHPC 和受喷面饰面等工艺流程。

（3）螺旋缠绕技术的主要原理是：将可拆解的缠绕机在井下完成组装,随后将预制好的PVC-U 带状型材（带钢带）通过下料井不断输送到井下的缠绕机上；缠绕机将带状型材缠绕行进，通过型材边缘接缝的互锁最终在原管道内形成一条连续的、高强度的且具有良好水密性的钢塑加强型新管。

（4）模筑法就是支好轻型工具式模架模板后，向模板中泵送混凝土，养护成形、拆模的渠道修复施工方法。

三、研究方法及试验理论依据

根据本次试验研究任务和特点，拟进行概化模型试验。根据不同工法施工工艺的箱涵模型，通过理论计算和试验测量论证，对不同工法施工工艺箱涵过流能力进行对比分析。

根据《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》CJJ/T210-2014，管道内流量计算公式为：

式中：Q—管道的流量（m3/min）；

DE—原有管道平均内径（m）；

S—管道坡度；

n—管道的粗糙系数。

四、模型试验设计和制作

根据不同工法施工工艺制作的箱涵实物模型进行测试分析。箱涵模型尺寸根据实验室水槽供水能力进行确定，在尽可能减小模型尺寸的基础上，初拟箱涵断面为矩形断面。矩形断面尺寸0.37m（宽B）×0.47m（高H）；长度取15m ～20m，可以分节预制拼装成整体。

由于输水箱涵输水流量不同时，其水流流动型态不同，水流水头损失影响因素不同，因此选取不同设计流量（初拟大、中、小三个流量等级），对箱涵过流能力进行试验和分析。模型整体由进水池、稳水栅、矩形箱涵、量水堰、退水池等组成。模型试验平面布置示意图见图2，实际模型整体布置图见图3。

图2 模型试验平面布置示意图

图3 模型试验整体布置

五、各工法施工工艺过水能力

根据各工法采用的材料，粗糙系数如表1。模筑法和预制拼装法模板形成管，与普通混凝土管的形成相同，故这两种情况，粗糙系数取普通混凝土管的粗糙系数。原渠道材质为浆砌片石侧墙+预制砼圆拱，与过水有关的侧墙为砌体，故原渠道粗糙系数取砖砌管的粗糙系数。

表1 各工法管材粗糙系数

由于一般情况下，排水渠道（涵）满负荷运行的情况非常少，且在修复后，虽各工法施工造成的内衬管厚度不一样，管道内径有一定差别，但基本差别很小，特别是对于像红旗渠宽5m 的管涵，相差几厘米的内径基本可以忽略。

这里，根据试验模型尺寸DE=0.37m，假设坡度S为0.04，根据下式计算各工法过水能力。

（1） 砖砌管粗糙系数n=0.016， 过水流量Q=0.275m3/min；

（2）普通混凝土管粗糙系数n=0.013，过水流量Q=0.339m3/min；

（3）螺旋缠绕内衬管粗糙系数n=0.010，过水流量Q=0.44m3/min；

（4）喷射法施工工艺材料管粗糙系数n=0.0133，过水流量Q=0.331m3/min。

六、试验结果论证及分析

1.模型试验具体布置

模型整体由进水池、稳水栅、矩形箱涵、量水堰、退水池等组成。其中，矩形箱涵总长15m，箱涵高47cm，宽37cm，纵向底坡设计为平坡。箱涵模型由水泵自动循环供水，水流进入进水池后，首先通过稳水栅，然后进入矩形箱涵，之后通过循环渠道和三角形量水堰，最后流入退水池，进入模型出水口。

2.模型试验设计参数

模型采用的材料为，一个箱涵模型是喷射法材料，另外一个箱涵模型是普通材料。模型一节为3.05 米，每种材料做了5 节，即全长3.05×5=15.25 米，模型净宽37cm，净高47cm。为保证箱涵内水流平稳，进水口和出水口的水位测点，均向内侧偏移1.8 米，则两水头测试点之间的距离为：15.25－1.8×2=11.65 米，见示意图4。

图4 模型测点示意图

3.模型试验工况

本次分别对普通混凝土和喷射法工艺新材料的两种混凝土箱涵进行分组放水试验，分别测量了三种工况，对应的测量数据见表2。

表2 不同工况下的三角堰水头差及测压管水头差测量数据

4.试验结论

本次试验的流量由退水池出口的三角形薄壁堰进行测量，本次采用的三角形堰口顶角约为45 度，其流量实际计算公式（也称为Kindsvater-Shen 公式）为：

根据上述公式，本次试验三种工况下的流量分别见表3。

表3 不同工况下的流量

从上表可以得出模筑法、预制拼装法与喷射法（工艺新材料）过水流量差别不大，也论证了上述理论的计算结果。

七、结论

综上，几种工法在满足结构性能要求下，几种工法施工工艺过水能力对比结果如下。

（1）螺旋缠绕施工过水流量最大，过水能力最强。

（2）模筑法和预制拼装法管、喷射法新材料管，过水流量比较接近，仅次于螺旋缠绕法。

（3）原渠道相对于四种加固修复技术后的渠道过水流量最小，过水能力最弱。

（4）四种修复工法都提高了原渠道的过水能力，提高幅度在20%～60%之间。