1、南水北调渠道带水运行缺陷处理施工技术赵信峡 陈敦刚摘 要：南水北调中线工程于 2014 年 12 月 12 日正式通水后，缓解了河南、河北、京津地区水资源危机。但南水北调中线渠道运行中沿线发现了一些小的质量缺陷，虽短期内不会对渠道运行造成危害，但从渠道长期运行方面考虑，仍需在渠道运行的同时，对存在的质量缺陷进行处理，以保证调水工程达到持久、可持续安全运行的目的。关键词：渠道缺陷处理 沉箱 修补材料1 概述南水北调渠道缺陷主要出现在渠道边坡混凝土防护面板部位，该面板的主要作用是对渠道全包土工布防水进行防护，在提高渠道运行耐久性，减少渠道边坡表面糙度在水流运行时的损失方面具有较好的作用。因此，对该
2、类缺陷及早发现和处理，是运行管理工作的一个重点。同时，南水北调渠道作为京津地区引水的大动脉，运行后对沿线城市和地区供水起到了不可替代的作用，因此，要求在渠道沿线缺陷的处理过程中保证调水运行的正常工作，对混凝土缺陷的处理提出了相应要求。为此，我公司承担了研发对渠道混凝土缺陷部位进行隔离，并使缺陷部位在修复过程中保持旱地作业条件设备的任务。展开了设备进出场转移和移动、设备制作、安装、固定等技术研究；同时，也展开了对渠道混凝土缺陷进行快速化处理，包括选用新型的修补材料及修补工艺的技术研究。根据现场调研，我公司在本工程缺陷修复中采用自制半封闭椭圆形箱体钢围堰用于渠道坡面隔绝水体，其底部设置柔性橡胶进行
3、止水，保证了渠道正常调水不受缺陷修复施工的干扰。为达到满意的止水效果，止水橡胶带采用变形能力强、柔软性好的橡胶制作，经液压推出后与混凝土衬砌板挤压密实，在箱体压重作用下，实现与混凝土板的紧密贴合起到止水作用，将渠道内的水与修复作业面隔离，使渠道缺陷修复处理实现了旱地作业，减少了工程施工难度。2 沉箱围堰设计2.1 构造设计沉箱由箱体、止水结构、浮力控制结构等组成，见图 1。2.1.1 箱体箱体由 10mm 厚钢板加工成一个半封闭的椭圆形箱体，整体宽度 4800mm（内空尺寸4600mm） ，迎水侧箱壁高 1550mm，顶部为吊装撑杆；周围加工浮桶固定卡扣，用于固定浮筒。图 1 沉箱结构2.1.
4、2 止水结构止水结构位于箱体底部，由止水带卡槽、充水带、止水带组成。止水带卡槽加工为楔形结构，高度 300mm，下口宽度 50mm，上部宽度 80mm。止水带由厂家用专用模具制作，高度 250mm，厚度 8050mm（与混凝土接触面厚为50mm） 。为了更好的使止水带和衬砌面板紧密贴合，达到止水效果，止水带由液压推出。即在卡槽内先安装一条柔性水带，水带直径 100mm，止水带由手压泵充水形成液压，将止水带推出。同时，止水带具有一定变形能力，能在混凝土衬砌板 30mm/2m 不平整度的情况下，经液压推出与混凝土衬砌板接触，在浮箱压重作用下，与混凝土板紧密贴合起到止水效果。2.1.3 浮力调节装置
5、考虑到箱体外浮力均衡，在箱体周围安装浮桶 12 个，箱体内外各 6 个固定在箱体预留的卡扣上，每个浮桶容积 200L。浮桶布置进水管与排水管，采用水泵对浮箱进行注水，采用压缩空气（利用小型空压机 3.5L，0.8MPa）将浮桶内的水进行外排。2.1.4 主要配套设备手动压水泵：型号 SY-5，额定压力 5MPa，流量 40ml/次。主要用于止水槽内的水带充水，用以推出止水带。空气压缩机：微型往复活塞空气压缩机，型号 V-/0.12/8，标称流量 0.12m3/min，排气压力 0.8MPa，额定功率 1.1kW。主要用于向浮箱充气排水。水泵：QD30-6 潜水泵，额定流量 30m3/h，扬程
6、6m，功率 1.5kW。主要用于沉箱内排水，兼向浮箱内充水。发电机：汽油发电机，2.5kVA，向上述用电设备供电。3 沉箱运行止水带卡槽3.1 运行程序总体运行程序：沉箱就位排干积水，形成处理条件缺陷处理养护完成后移除沉箱。3.2 沉箱就位3.2.1 沉箱吊装采用随车吊将箱体运至渠道现场，吊放在需要处理的边坡衬砌面板附近水中。吊放时，安排专人指挥，避免箱体磕碰混凝土造成新的缺陷。吊装过程中，人工在渠岸上拉动缆绳精确定位，并将缆绳固定在渠岸，防止水流将沉箱冲走。3.2.2 沉箱沉放箱体放入水中，此时由于浮箱浮力，整体处于漂浮状态。采用水泵抽取渠水（水泵放在沉箱内部） ，向浮箱充水，使沉箱缓慢下沉
7、，直至沉到混凝土面板上。3.2.3 沉箱密封考虑到渠道衬砌面板局部不平整，箱体贴压倒混凝土面板后，止水带和衬砌面板之间局部存在漏水现象。继续抽排沉箱内积水，漏水量可以通过沉箱内水位下降情况观测。采用两种措施实现密封：（1）采用手压泵往止水槽内水带压水，通过水带内压力将止水带缓慢推出，使止水带外露长度加大，增大变形量，使之与混凝土面板不平整度产生的间隙相匹配。推出到位后，关闭进水阀门，保持压力，防止止水带回缩漏水。（2）继续向浮箱充水，增加密封止水带压重，使止水带和渠道衬砌面板紧密貼合，达到密封效果。3.3 沉箱排水继续排水，此过程和上述密封过程相辅相成，如果密封效果良好，则水位下降较快，如有渗
8、漏情况，重复密封过程，直至密封良好。排除积水，箱内剩余少量水泵无法抽排积水，采用真空吸水设备，或人工用铁勺舀至胶皮桶内，倒至渠道外部，最后用棉纱擦干，直至无渗漏具备缺陷处理条件。具体见图2、图3。3.4 沉箱移除缺陷处理完成，并养护到位、检测合格后，拆除沉箱及附件上的工具、杂物，清扫干净后移除沉箱。（1）打开止水槽内的水带注水阀门泄压，使止水带回缩。（2）打开空压机，向浮箱内充气，使浮箱排水，使浮箱逐步上浮，直至浮出水面。采用随车吊将箱体吊至汽车上，运至下一处处理部位。4 缺陷修补工艺4.1 修补材料选择选用中国水电十一局郑州科研设计有限公司研制的 NE 型水泥基聚合物干粉砂浆。该产品精选优质
9、胶凝材料、细骨料、超细活性填料等无机材料组成刚性骨架体系，利用柔性高图 2 沉箱下沉及排水 图 3 止水效果良好分子聚合物材料在骨架体系中的均匀分布进行改进作用，辅以其他功能性外加剂复合而成的高性能聚合物修复材料。产品主要特点如下：（1）无机粉体材料，不燃、不爆，对人和环境无毒害；（2）使用方便，加水即可，操作时间可调；（3）粘结强度高，低自收缩；（4）防水抗渗效果好；（5）抗冻性好 。其主要技术指标见表 1。4.2 施工工艺流程施工工艺流程见图 1 冻融破坏混凝土缺陷处理施工工艺流程。4.3 基面处理凿除缺陷部位松散砼。先对拟处理部位周边划定处理边界线，处理边界呈矩形，即横平竖直。采用角磨机
10、沿边界线切割边界，界面稍向外倾，形成倒楔形，利于修补砂浆与母体混凝土结合紧密。采用尖錾子等工具对修补面冻融破坏混凝土凿除，直至密实混凝土部位，清除松动颗粒 ，然后用清水冲洗干净，采用钢丝刷和棕毛刷进行洁净处理。基面进行洁净处理之后，在混凝土基面上洒水湿润，在涂刷界面剂之前使基面达到吸水饱和的潮湿状态，且基面无明水、无积水。基面处理完后并经验收合格（周边混凝土密实，湿润，无松动颗粒、粉尘、水泥净浆层、起砂、起皮等）后，进行下道工序作业。4.4 界面剂的拌制和涂刷界面剂涂刷前，应再次用毛刷蘸水涂刷混凝土基面，以确保基面处于湿润饱和状态。表 1 NE 型水泥基聚合物干粉砂浆技术指标序号 项目 技术要
11、求 性能指标初凝/min 45 1721 凝结时间终凝/h 24 7.52 抗渗压力（涂层试件）/MPa 7d 0.5 0.57d 1.0 1.03 抗渗压力（砂浆试件）/MPa28d 1.5 1.54 抗压强度/MPa 28d 24.0 42.95 抗折强度/MPa 28d 8.0 8.66 柔韧性（横向变性能力） /mm 28d 1.0 1.27d 1.0 1.17 粘结强度/MPa28d 1.2 2.28 耐碱性 无开裂剥落 无开裂剥落9 耐热性 无开裂剥落 无开裂剥落10 抗冻性 无开裂剥落 无开裂剥落11 吸水率 % 4.0 3.412 收缩率 % 0.15 0.12基面处理涂刷界拌
12、制界面剂 A 组分水泥 、 水涂刷界涂刷聚合物砂浆拌制聚合物砂浆修补养护聚合物砂浆水图 1 冻融破坏混凝土缺陷处理施工工艺流程界面剂的配制：先将称量好的 A 组分倒入广口容器（如小盆）中，再按给定的配比将相应量的水泥、水倒入容器中进行搅拌，直至搅拌均匀（材料颜色均匀一致）后方可施工使用。为避免浪费，界面剂每次不宜拌和太多，具体情况视施工速度以及施工温度而定，界面剂的耗材量为 0.51.0kg/m 2。界面剂拌制后，用毛刷均匀地涂在基面上，要求界面剂刷得尽可能薄而均匀、不流淌、不漏刷。界面剂拌制现拌现用，避免时间过长影响涂刷质量，造成材料浪费和粘结质量降低。同时涂刷界面剂和涂抹聚合物砂浆交叉进行
13、，以确保施工进度和施工质量。拌好的界面剂如出现暴聚，凝胶等现象时，应废弃重新拌制。界面剂涂刷后静停至手触有粘稠现象，方可涂抹聚合物砂浆。涂刷后的界面剂出现固化现象（不粘手）时，需要清除干净，再次涂刷界面剂后，才能涂抹聚合物砂浆。4.5 聚合物砂浆的拌制和涂抹4.5.1 聚合物砂浆的拌制先把称量好的聚合物砂浆放入广口低身容器中，再把按给定的配比称量出水的质量，混合搅拌均匀（颜色均匀一致）后，即可施工使用（大规模拌和也可采用专用拌和机进行拌和） ，其中水的加入量根据现场拌合物的施工要求，在给定的用水量范围进行调整。聚合物砂浆现拌现用，当拌和好的聚合物砂浆出现凝结、发硬等现象时，应废弃重新拌制。每次
14、拌和的砂浆量视施工速度以及施工温度而定。4.5.2 聚合物砂浆的修补砂浆摊铺前，应检查基底是否符合基底处理的要求，摊铺完毕立即压抹，注意向一个方向抹平，操作速度要快，如遇气泡要挑破压紧，保证表面密实，尤其是边角接缝处要反复压实，避免出现空洞或缝隙。聚合物砂浆的涂抹厚度一般每层不超过 15mm，对于厚层修补，采取分层施工，层与层施工时间间隔以 1272h 为宜，再次涂抹聚合物砂浆之前还需要涂刷界面剂。4.6 养护聚合物砂浆终凝后约 12h24h 应及时养护，养护温度不低于 5和高于 40，并保持水泥砂浆湿润状态，养护时间不少于 7d。聚合物水泥砂浆未达到硬化状态时，不得浇水养护或直接受雨水冲刷，在潮湿环境中，可在自然条件下养护。养护期间防止人踏、车压、硬物撞击等。季节性施工要求：聚合物砂浆防水层不宜在雨天施工。冬季施工时，气温不宜低于5，基层表面温度应保持 0以上，并做好采暖和保温措施。夏季施工时，不宜在 35以上或烈日照射下施工，并做好防晒及砂浆养护工作。5 结 语中国水利水电第十一工程局有限公司在荥阳段渠道冻融破坏处理成功研制了第一代沉箱钢围堰，并采用中国水电十一局郑州科研设计有限公司研制的 NE 型水泥基聚合物干粉砂浆进行南水北调渠道混凝土缺陷处理。第一代钢围堰可用于水面以下 1.2m 范围内混凝土缺陷处理施工，荥阳段渠道已处理 26 块衬砌板表面冻融缺陷，效果良好。
