水下不分散混凝土渠道岸坡修复施工方案比选

曹会彬，冯瑞军，张文峰，申黎平

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

1 工程概况

南水北调中线一期工程总干渠从丹江口水库引水，自河南省淅川县陶岔枢纽开始，经河南省、河北省，全程可基本自流至北京、天津，输水总干渠全长1 432 km，自通水以来，累计输水200多亿m3，直接、间接惠及京津冀豫沿线近1亿居民。

南水北调中线一期工程总干渠陶岔渠首至北拒马河中支渠段采用明渠输水方式，渠道过水断面现浇混凝土衬砌，渠坡、渠底板厚一般为10、8 cm，混凝土强度等级为C20，抗冻等级F150，抗渗等级W6。渠道衬砌分缝间距4 m，通缝和半缝间隔布置，缝宽2 cm。分缝临水侧2 cm宽均采用聚硫密封胶封闭，下部均采用闭孔塑料泡沫板充填。

渠道过水断面一般采用铺设保温板进行防冻设计，采用复合土工膜对渠道衬砌断面进行防渗设计，采用集水暗管+逆止式排水器或抽排泵站对渠道进行排水设计。

2016年，辉县市遭遇历史极值暴雨后，南水北调总干渠辉县段某公路桥上游约52 m渠段渠道左岸一级马道出现纵向裂缝，后发展为靠近路缘石侧一级马道部分沥青路面沉陷，塌陷相应部位渠道混凝土衬砌滑塌、隆起，在水下排查时发现塌陷区域水下第一块渠坡衬砌板严重变形、隆起，最高隆起高度近50 cm（见图1）。经现场抢险和增加临时处理措施，实现“发生的局部渠坡失稳不再恶化，未出现新的渠坡失稳”的目标，但为避免遭遇类似暴雨时再次造成渠道破坏、总干渠停水等后果，需对该位置工程损害进行加固修复。

现状实际情况下，南水北调总干渠停水检修涉及面广，社会影响大，目前不具备停水维修维护的条件。因此，在总干渠不停水条件下，对该位置渠坡及衬砌采用水下不分散混凝土进行功能性恢复，保证南水北调总干渠正常安全输水运行。

图1 现场工程损害情况

2 水下不分散混凝土特点

水下不分散混凝土是在普通混凝土中掺入以纤维素系列或丙烯系列水溶性高分子物质为主要成分的絮凝剂，该外加剂的作用主要是使混凝土具有黏稠性，提高新拌混凝土的黏聚力，从而抑制水下施工时水泥和骨料分散，保证混凝土在水中自由下落时抗离析、抗分散[1]。

水下不分散混凝土与传统混凝土特点完全不同，具有抗分散性、自流平性与填充性、保水性与整体性、安全性等特性，可采用导管、泵送、吊灌等多种方法进行浇筑[1]。对应其特殊的性能，水下不分散混凝土是一种价格昂贵的混凝土，宜斟酌使用[1]。

3 渠道工程损害修复措施

目前总干渠正处于正常通水运行阶段，在不影响总干渠正常通水的前提条件下，对总干渠水下渠坡进行功能性恢复，主要措施如下。

首先采用逐步清理的方式挖（清）除松（扰）动土体和衬砌结构，然后在总干渠渠道采取排水措施降低渠道外地下水位，自张式机械锚杆锚固加强边坡稳定，在水下施工围挡防止施工污染渠道水质同时形成静水区的基础上，采用水下不分散混凝土进行回填，以替代原渠道换填土层和衬砌结构，见图2。

图2 水下不分散混凝土修复回填示意

4 水下不分散混凝土方案

为提高混凝土早期强度，并满足渠道混凝土衬砌强度等级要求，水下回填不分散混凝土强度等级采用C30。经过现场混凝土配合比试验，采用的配合比如下：水泥、砂、石、水、引气剂、UWB-Ⅱ絮凝剂用量分别为470、720、905、200、7、10 kg/m3，质量比为 1 ∶1.532∶1.926∶0.426∶0.015∶0.021，水胶比为0.426，砂率为44%，含气量为5.0%[2]。

不分散混凝土出站坍落度为210～240 mm[2]，保水性、黏聚性和流动性良好。试验检测显示，各项指标满足规范要求。

4.1 模袋混凝土辅助浇筑方案

试验初期，修复断面岸坡土方开挖清除深度较大，使得水下不分散混凝土回填用量较大，为减少单价较高的水下不分散混凝土的用量，同时便于水下不分散混凝土浇筑用模板架立，铺设了厚40 cm的水下模袋混凝土作为模板支设基础面，见图3。

图3 模袋混凝土铺设示意（尺寸单位：mm）

4.1.1 模袋混凝土浇筑

模袋混凝土浇筑修复混凝土示意见图4。模袋混凝土采用无排水点混凝土袋-CX型，厚度40 cm，单块模袋长21 m、宽4 m，设置2排8个灌注口。每块模袋四周设置系挂绳，方便铺设时将其紧固，同时上、下缘留有直径10 cm的管套，方便穿入钢管，以下缘钢管为轴将模袋卷成筒状，以便于施工中模袋的展铺。

铺设好模袋后，预先浇筑预埋渠堤模袋部分，利用这部分混凝土来拉住渠坡的模袋，防止模袋混凝土下滑。

模袋混凝土采用C20普通混凝土，根据邻近渠段模袋混凝土浇筑试验成果，模袋混凝土坍落度采用180～220 mm，确保模袋充灌流畅[3]。

图4 模袋混凝土浇筑修复混凝土示意（单位：mm）

4.1.2 充填灌浆

为了保证模袋混凝土与渠道基土接触面密实，防止产生不利结构面，模袋与基土之间采用预埋导管灌浆的方式，进行充填处理。

（1）采用PE管作为注浆导管，导管按照顺渠坡方向进行布置，相邻两根导管的间距为2 m，布设时，将注浆管从模袋的一侧弯出到模袋上面，布置完成后再铺设模袋。

（2）灌浆材料采用水泥浆，水泥为强度等级不低于42.5级普通硅酸盐水泥，水浆比为0.5∶1。

（3）灌浆压力为0.2 MPa，灌入率不大于1 L/min，持续30 min后停止灌浆。

4.1.3 岸坡模板安装

（1）模板定位。本次主要采用钢模板，模板采用厚3.5 mm钢板制作，模板上设置水平加劲肋。

为了保证模板安装平整度达到设计要求，堤前安装纵向滑槽，滑槽通过底部撑杆进行支撑，并在底部和顶部用锚筋进行临时固定，避免滑槽移位。滑槽底部撑杆设置成可调节撑杆，纵横间距为1.2 m，用于调整滑槽的高度，使滑槽按照设计坡比支立。滑槽安装示意见图5。

（2）模板安装。采用风钻在水下对模袋混凝土进行钻孔，孔间距60 cm，钻孔深度为20 cm，用于后期锚固模板拉杆，见图6。

模板利用锚杆固定，从模板上预留的螺栓孔内插入Φ18拉杆，拉杆需锚入之前预设的锚固孔内，并在孔内注入锚固剂锚固。拉杆顶端需预留15 cm套丝，顶部通过螺母将模板与锚杆固定。

图5 滑槽安装示意（单位：mm）

图6 面层模板安装示意（单位：mm）

侧面模板通过斜撑支立在模袋混凝土面上，并用水下快速封堵剂对侧模底部的缝隙进行堵漏，防止浇筑时跑浆。侧面模板与面层模板之间通过连接螺栓固定。

模板安装完成后，浇筑前采用焊接、吨包袋压重对薄弱部位进行加固，同时在岸边备用吨包袋以备应急处置。

4.1.4 水下不分散混凝土浇筑

水下不分散混凝土可采用导管、泵送、吊灌等多种方法进行浇筑，对于总干渠渠道修复部位，不分散混凝土浇筑模板需顺渠道坡面布置，且浇筑方量较大，宜采用泵送法浇筑，运用吊灌法或导管法局部补充浇筑。

为防止模板在浇筑水下不分散混凝土时因压力变形而出现跑模、胀模现象，本次试验水下不分散混凝土浇筑方式为：沿边坡自下而上浇筑，共分为5仓，各仓沿坡面长度分别为 3.0、4.5、4.5、3.4、2.1 m。 层间结合面插筋：Φ28钢筋，间距0.5 m，单根长度0.8 m，插入深度0.4 m，单排布置于混凝土界面中心部位。

浇筑过程中出现了局部胀模，经现场分析，胀模原因主要有：组合模板之间卡扣没扣，拉杆没拉；浇筑速度过快；浇筑过程中没有及时拔管。处理措施：采取槽钢满焊，再用吨包袋压重，解决模板卡扣与拉杆问题，同时微调不分散混凝土浇筑速度等，顺利完成水下不分散混凝土浇筑。

经过现场生产性试验，浇筑40 cm厚水下模袋混凝土作为模板支设基础面，立模后可实现渠坡修复水下不分散混凝土回填浇筑。

4.1.5 浇筑效率

由于缺少南水北调总干渠渠道修复水下不分散混凝土浇筑施工经验，模板定位、安装及加固速度较慢，因此导致混凝土浇筑效率很低。12 m长渠道边坡修复水下模袋混凝土和水下不分散混凝土的浇筑时长为30 d，其中混凝土浇筑6 d、模板制作安装及加固时长达24 d，主要原因为模袋混凝土与模板连接锚固螺栓较多，水下钻孔、水下进行模板孔与锚固螺栓准确对位安装较为困难，虽然采取模板样架定位钻孔，扩大模板钻孔孔径（孔径由2 cm增大为8 cm），加垫片，同时将4块定型模板在陆上拼装完成后一并安装，但安装效率仍不理想。

4.2 工字钢桁架梁辅助浇筑方案

试验中后期，修复断面岸坡土方开挖清除厚度较小，约0.5 m。以水下模袋混凝土为基础架立模板方案已不能满足现场施工浇筑要求，故采用沿坡面布设工字钢钢梁以实现模板架立，工字钢钢梁顶部与原渠道混凝土衬砌面齐平，见图7。

4.2.1 工字钢钢梁基础

渠坡底部采用水下不分散混凝土浇筑齿槽，增加预埋件，以满足工字钢钢梁和模板支设的需要。

渠坡顶部，浇筑混凝土地梁位于设计水位以上，纵向通长布置，采用C30现浇钢筋混凝土。

图7 工字钢钢梁位置

4.2.2 工字钢钢梁

将20#工字钢焊接为长24 m的整体型钢，为提高其刚度，在型钢两侧及下部采用5 cm×5 cm角钢焊接成桁架型式。

钢梁间距3.03 m，钢梁底部与齿槽内20#槽钢和预埋件焊接，顶部与地梁预埋的20#槽钢焊接，从而实现工字钢钢梁的固定。

型钢顶部正中位置焊接 Φ18高强螺栓，高18 mm，间距0.6 m，用于水下固定模板，见图8。工字钢钢梁两端固定后，采用8#槽钢进行钢梁之间的连接，顺坡方向间距4 m，增加整体稳定性。

图8 钢梁细部结构

4.2.3 岸坡模板安装及支护

（1）水下盖膜拼装。单块钢模板尺寸为1.2 m×1.5 m，在陆上将钢模板拼装成尺寸1.2 m×3.0 m与尺寸2.4 m×3.0 m，拼装的钢模板用配套卡扣进行牢固连接，并为增加钢模板的刚度，在钢模板背面增设10#槽钢与钢模板进行焊接，见图9。

塔吊与潜水员配合进行水下钢模板的吊装就位，并用12#槽钢与钢梁上的螺杆进行连接，从而实现钢模板的水下吊装就位与固定。

图9 模板固定安装示意

（2）水下侧模拼装。用5 cm×5 cm角钢焊接成长度1.5 m、高度0.3 m的矩形支架，焊接在钢梁外侧，顶部齐平。并在5 cm×5 cm角钢矩形支架上焊接Φ18螺杆，间距1.5 m。

用另一块已焊接好的矩形角钢支架（在其外侧对角线方向对称加焊3根5 cm×5 cm角钢，增加刚度、强度，起到对侧模的支撑作用）通过螺杆与焊接在钢梁上的角钢支架连接，将侧模固定在2个支架中间，实现侧模在钢梁上的固定。

（3）模板加固。模板安装完成后，为防止模板在浇筑水下不分散混凝土时因压力变形而出现跑模、胀模现象，采用吨包袋盖模和侧模进行压重加固，同时在岸边备用吨包袋以备应急处置。

4.2.4 岸坡水下不分散混凝土浇筑试验

水下不分散混凝土分多仓浇筑开展试验，考虑工字钢桁架梁、槽钢连系梁、水面上地梁及齿槽混凝土预埋件在浇筑过程中逐步形成整体，浇筑方式为：上下游分为两个施工单元，各单元沿边坡自下而上浇筑，共分为3仓，各仓沿坡面长度分别为3.5、5.0、9.0 m。水下不分散混凝土浇筑方式初期基本一致。

经过现场生产性试验，以岸坡地梁与坡脚齿槽预埋件为主要支撑点，焊接工字钢桁架梁作为模板支撑，立模后可实现渠坡修复水下不分散混凝土回填浇筑。

4.2.5 浇筑效率

由于采用工字钢桁架梁通过提前焊接的钢梁螺杆与12#槽钢紧固对盖模板进行固定，锚固螺杆数量锐减，且为单一的线性对接，因此混凝土浇筑效率较初期明显提高。该方案初期20 m长渠道边坡水下不分散混凝土浇筑时长21 d，其中地梁混凝土浇筑2 d、水下不分散混凝土浇筑4 d、模板制作安装及加固15 d（含钢梁设计与制作安装8 d）；该方案后期20 m长渠道边坡水下不分散混凝土浇筑时长13 d，其中地梁混凝土浇筑2 d、水下不分散混凝土浇筑4 d、模板制作安装及加固7 d（含钢梁制作安装2 d）。

工字钢桁架梁、槽钢连系梁、水面上地梁及地梁锚固桩、齿槽混凝土预埋件与水下不分散混凝土在浇筑过程中逐步形成整体，因此水下不分散混凝土浇筑分仓自下向上首仓方量最小，后续可逐步提高单仓浇筑方量。

拆模后，工字钢桁架梁上焊接螺栓需进行切割磨平，工字钢桁架梁在衬砌顶面出露，但岸坡整体糙率满足原设计要求。

5 结 语

通过现场水下不分散混凝土浇筑的生产性试验，经立模可实现渠坡修复大体积水下不分散混凝土和薄壁结构水下不分散混凝土回填浇筑，同时满足总干渠渠道结构和正常输水的各项要求。其中，模袋混凝土辅助浇筑方案可减少水下不分散混凝土的用量，减少工程投资，但模板安装施工复杂，浇筑效率相对较低；工字钢桁架梁辅助浇筑方案可大幅提高模板支设效率，还可减少渠坡水下不分散混凝土浇筑仓数，大大提高了水下不分散混凝土的整体浇筑速度。

综上，一方面工字钢桁架梁辅助水下不分散混凝土浇筑方案因施工相对简单、浇筑效率高，更适用于南水北调总干渠渠道岸坡水下回填修复；另一方面可利用水下预先浇筑模袋混凝土，减少水下不分散混凝土的用量，节省工程投资。

受限于现场实际情况，陆续对两种水下不分散混凝土浇筑方案进行了单独试验，建议后续类似工程在进行大体积混凝土回填浇筑时，综合两种浇筑方案的优点（快速浇筑，节省水下不分散混凝土的用量），进行进一步的验证与总结。鉴于钢梁辅助浇筑水下不分散混凝土拆模后工字钢桁架梁在衬砌表面出露，与混凝土表面不协调，同时存在锈蚀隐患，建议进一步调整模板制作安装及混凝土浇筑工艺，如提前预留并采用二期混凝土浇筑钢梁顶部位置遮盖钢梁，或提前对工字钢桁架梁表面进行处理，使其颜色与混凝土基本一致，同时具有无毒、防锈功能。