一種排水溝清理設備的研制與應用

陳鏈冰，李志明，吳 開，陳達隆，劉智科

（廣東能達高等級公路維護有限公司，廣東廣州 510030）

0 引言

路面排水是公路工程中一項重要的內容,排水是否暢通直接關系到路面、路基的穩定和養護、管理的質量[1]。高速公路兩側排水溝主要作用是疏通雨水作用，路基地面排水主要是通過全線貫通的邊溝來進行，一般采用漿砌片石砌筑[2]。排水溝主要有泥沙、漿土、枝條、雜草以及各種垃圾等，每年需要進行至少二次以上的全履蓋清疏作業，以保證排水溝具備良好的排水功能。現階段，排水溝的清理疏通工作主要以人工加小型機具的作業方式，無專用機械化作業體系，整體工效非常低，勞動強度非常大，市面上又無專業清理排水溝的機械設備[3-6]。因此，有必要通過設計一種代替人工清理排水溝的機械設備，逐步實現排水溝清理作業機械化，提高清理效率及節約成本。

1 輪式排水溝清理設備設計原理

本文作者設計一種輪式排水溝清理設備，主要工作原理為：工作裝置為前端旋轉刀頭，通過輪胎行走作業，后置汽油發動機提供動力。清理設備在行進過程中對水溝底部泥沙、雜草等進行切割，切割后的雜物隨刀頭旋轉慣性沿拋管排出水溝。

2 設備研制

2.1 設備結構

排水溝清理設備整機主要由動力系統（發動機）、控制系統（操作手柄）、工作裝置（旋轉式清理器）、其他輔助裝置（拋管）等組成，如圖1所示，主要部件包括有：

圖1 整機結構示意圖

（1）旋轉式清理設備整體設計為圓盤式，圓盤邊緣均勻分布共8片V鏟型刀片，圓盤高速旋轉時刀片對排水溝內雜草及泥沙等進行剪切，剪碎后的雜物隨刀片旋轉慣性，帶入拋管向外拋出排水溝。

（2）刀片焊接在清理器圓盤邊緣，采用耐磨合金鋼材質，強度高且不易磨損及斷裂。選用V鏟型刀片在剪切的過程中刀身與雜物接觸面積大，且V鏟型起到收攏雜物的作用，清理效率較高。

（3）旋轉清理器外殼設計為圓筒型，直徑40 cm，長30 cm，可避免清理器刀片斷裂崩出的危險，相比長方體型既節省材料，又能減少經過修剪后的雜物遺留在清理器內。

（4）拋管長70 cm，直徑15 cm，10 kg，螺絲緊固于旋轉清理器外殼頂部，且配合拋物的方向要求可旋轉調整角度約120°。

圖2為排水溝設備工作裝置結構示意圖。

圖2 工作裝置結構示意圖

2.2 設備技術特點

排水溝清理設備可進入排水溝（截面寬度大于55cm）內清理作業，通過人工控制操作手柄實現清理器的行進、轉向及作業，渦輪式清理器刀片高速旋轉將排水溝內雜草等切碎后帶入清理器外罩頂端拋管后拋出排水溝，拋管可在水平方向120°調整，達到清理、排出一體化的效果。清理厚度可達8～20 cm，清理寬度可達15～45 cm。

3 排水溝清理設備的應用

3.1 排水溝情況調查

通過對廣清、河惠粵贛、開陽、廣肇、佛開、湛江等多條高速公路排水溝的摸底了解，大部分的排水溝需要清理的雜物主要為砂土濕泥或是淺水雜物混合物。水溝的規格尺寸差異較大，下邊坡、水溝護坡的高差相差也較大。表1所示為排水溝結構情況。圖3-6為排水溝狀況。

3.2 測試情況

經過對排水溝現場調查后，最終選擇了廣清和開陽作為排水溝清理設備的測試路段，陸續開展了近20次的工作性能作業測試。

表1 各種排水溝尺寸數據

圖3 排水溝狀況a

圖4 排水溝狀況b

圖5 排水溝狀況c

圖6 排水溝狀況d

3.2.1 廣清路段測試情況

在廣清高速公路選取了古錢嶺收費站附近路段進行了測試，水溝寬度為60～85 cm，深度為80～110 cm，作業環境為干砂土作業環境和濕粘土作業環境。

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（1）干砂土作業環境（圖7）

水溝寬度為80～82 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約為15 cm，測試長度為50 m。清理物主要為干砂土及樹葉樹枝，并有直徑2～4 cm的石塊。設備在這種作業環境清理效果較好，設備行進速度穩定，清理工作性能良好。清理深度為13～15 cm，并能一次性清理到最底部，清理寬度為45～50 cm，行進速度約為45 m/min。

圖7 廣清段干砂作業環境清理前后對比

（2）濕粘土作業環境（圖8）

測試的水溝寬度為80～82 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約25 cm，測試長度為50 m，清理物為濕潤性較大的粘土及樹枝殘渣。設備清理效果一般，由于粘土的粘性較大，清理過程中清溝器行走會出現打滑，影響到行進速度，并工作裝置會殘留有粘土難以甩出，清理深度為8～10 cm，清理寬度為30～35cm，行進速度約為13m/min。3.2.2開陽路段測試情況

結合在廣清路段試驗的情況，即在濕粘土作業環境中殘留有粘土難以甩出，根據拋物線的角度對工作刀頭的拋物角度作了調整，工作刀頭的外殼為了操作的靈活性，在尺寸上也作了小型化的改變。選擇了干砂土作業環境、濕粘土作業環境、淺水混合作業環境3種較有代表性的作業工況做測試。

圖8 廣清段濕粘土作業環境清理前后對比

（1）干砂土作業環境（圖9）

選取了上行樁號3171+600的水溝進行測試，水溝寬度為56～58 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約15 cm，測試長度為50 m。清理物為干砂土及樹葉樹枝殘渣，并有直徑3 cm左右的石塊。設備在這種作業環境清理效果較好，設備行進速度穩定，清理工作性能良好。清理深度為10～15 cm，并能一次性清理到最底部，清理寬度為35～40 cm，行進速度約為43 m/min。

圖9 開陽段干砂作業環境清理前后對比

（2）濕粘土作業環境（圖10）

圖10 開陽段濕粘土作業環境清理前后對比

（3）淺水混合作業環境（圖11）

選取了下行樁號3164+100的水溝進行測試，水溝寬度為58～60 cm，水溝高度為80 cm，需清理物厚度約20 cm，水深約8～10 cm，測試長度為50 m。清理物為水砂土及樹葉樹枝殘渣。清理效果良好，設備清理行進能平緩順暢，清理深度為15～20 cm，清理寬度約為50～55 cm，行進速度約為28 m/min，并能實現一次性把水溝基本清理干凈。

圖11 開陽段淺水混合作業環境清理前后對比

3.3 測試數據

根據以上測試數據分析，在通過不同工況的多次測試后，所研制排水溝清理設備對于處理淺水混合作業環境、干砂土作業環境具備良好的作業效果。

4 應用評價

（1）作業方式。配置一輛小型貨車運載清溝器，并在車輛上安裝一臺小型吊臂裝置，便于裝卸清溝器至工作地點；作業班組一般配1名駕駛員和2名操作員，2名操作員輪流操作清溝器；清溝作業前對水溝內體積超過6 cm的石頭等大件雜物，需要采用人工預先清撿；或者在設備工作時，采用避開的方式作業；作業時，可以采取二臺清理設備一前一后搭配作業的方式進行，這樣可以提升清理效果。

（2）作業速度。應用排水溝清理設備進行清理作業時，作業速度可達20～30 m/min，比人工清理速度大大提高。

（3）經濟效益對比。高速公路排水溝清理成本約為600元/km，比人工修剪模式降低成本約60%。

（4）工作效率對比。通過實際工作對比，高速公路排水溝清理工作采用機械化清理模式，勞動人數、勞動時間和耗用工日都得到明顯降低，作業效率顯著提高。

（5）安全效益評價。作業區路段作業人員人數從10人降低到2-4人，相當于單位密集度降低約60%，且作業時間縮短，安全系數大為提高。

表2 排水溝清理設備測試數據表

5 結束語

高速公路排水溝清理設備可廣泛應用于高速公路各種排水溝淤積雜物的清理作業，實現了機械化養護作業目標；提高了施工工效，減少了作業投入；降低安全隱患及作業人員勞動強度。在廣東省多條高速公路上使用，實際使用效果證明，設備實用有效，值得推廣和應用