北疆高寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)技術(shù)與裝備

陳勃文

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000）

1 引言

地基土凍融作用產(chǎn)生的破壞是高寒區(qū)供水渠道主要破壞形式。在凍融作用影響下，極易出現(xiàn)凍融破壞、滲漏、滑坡等各類(lèi)險(xiǎn)情，目前，國(guó)內(nèi)外渠道安全保障措施和研究方向仍是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、綜合評(píng)價(jià)等，缺乏針對(duì)渠道險(xiǎn)情處置工作標(biāo)準(zhǔn)。渠道運(yùn)行期內(nèi)一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情，將直接威脅輸水安全，對(duì)區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定造成重大影響。

2 渠道搶險(xiǎn)修復(fù)技術(shù)及設(shè)備現(xiàn)狀

近年來(lái)，依托南水北調(diào)、北疆調(diào)水等重點(diǎn)工程，圍繞渠道應(yīng)急搶險(xiǎn)要求，針對(duì)渠道的各類(lèi)險(xiǎn)情隱患及發(fā)生機(jī)制，形成了一批除險(xiǎn)加固方法及配套設(shè)備。

2.1 渠道搶險(xiǎn)方法

2.1.1 滲漏搶險(xiǎn)

通常渠道的滲漏分為“有害滲漏”和“無(wú)害滲漏”2 種。滲漏搶險(xiǎn)主要圍繞管涌、流土、掏蝕等滲透破壞引起的“有害滲漏”險(xiǎn)情開(kāi)展。管涌搶修是按照“前堵后排”原則，主要有反濾圍井法、反濾層壓蓋法、蓄水反壓法等。

2.1.2 滑坡?lián)岆U(xiǎn)

渠道滑坡類(lèi)型及過(guò)程一般與運(yùn)行工況、氣候環(huán)境條件、坡面入滲情況、渠基土質(zhì)有關(guān)；在膨脹土等不良地質(zhì)渠段，渠道滑坡類(lèi)型與土性和環(huán)境條件密切相關(guān)。防止與控制滑坡的核心思想主要是設(shè)法減少滑動(dòng)力與增加抗滑力。常用的滑坡?lián)岆U(xiǎn)處置措施包括排水、削方減載、回填壓腳、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索等?？够瑯丁㈠^桿（索）方法在南水北調(diào)中線(xiàn)部分渠段和其他一些特殊土渠段得到了應(yīng)用【1】。

2.1.3 其他搶險(xiǎn)

其他搶險(xiǎn)主要是圍繞地震、溫度變化、洪水、人為破壞等因素引起破壞而開(kāi)展的搶險(xiǎn)。

2.2 渠道快速修復(fù)技術(shù)及設(shè)備

根據(jù)破壞程度，以及運(yùn)行需要，渠道快速修復(fù)以原位修復(fù)和開(kāi)挖恢復(fù)2 種方式為主。在針對(duì)滲透破壞的原位修復(fù)中，固結(jié)灌漿是較為有效的一種技術(shù)。當(dāng)斷面出現(xiàn)大面積損毀時(shí)，須采用開(kāi)挖恢復(fù)方式。機(jī)械開(kāi)挖、人工輔助回填是較常見(jiàn)的恢復(fù)方式。經(jīng)比較，機(jī)械化的施工設(shè)備與技術(shù)在加快工程進(jìn)度、提高工程質(zhì)量、環(huán)保節(jié)能優(yōu)化等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

渠道機(jī)械化施工技術(shù)與設(shè)備有近70a 的歷史，美國(guó)在混凝土襯砌渠道建設(shè)方面已實(shí)現(xiàn)了全面的機(jī)械化施工。涵蓋渠槽開(kāi)挖、膜料鋪設(shè)以及防護(hù)層布置等系列過(guò)程。近年來(lái)，我國(guó)渠道工程建設(shè)也從半機(jī)械化邁入了完全機(jī)械化施工作業(yè)的進(jìn)程。表1 列舉了國(guó)內(nèi)外一些具有代表性的機(jī)械化襯砌施工專(zhuān)利。

表1 國(guó)內(nèi)外有代表性的機(jī)械化襯砌施工專(zhuān)利

從表中可以看出，目前國(guó)內(nèi)尚缺乏專(zhuān)門(mén)用于渠道搶險(xiǎn)工作的機(jī)械化設(shè)備。

3 高寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)修復(fù)工作特點(diǎn)

3.1 工作要求

1）出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)及時(shí)組織搶險(xiǎn)工作，確保年輸水總量達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

2）因渠道為冬季不供水的季節(jié)性渠道，可充分利用這一時(shí)段來(lái)進(jìn)行修復(fù)工作突出時(shí)效性，以保證翌年輸水任務(wù)。

3.2 工作內(nèi)容

溫度變化引起的凍融作用是高寒區(qū)渠道首要風(fēng)險(xiǎn)隱患。運(yùn)行初期多為局部破壞，隨時(shí)間增加發(fā)生滑坡、坍塌、滲透等大面積、大范圍破壞概率大大增加。以北疆供水工程為例，2014 年前每年發(fā)生病害面積≤6 000m2，但2015 年當(dāng)年增加1.2×104m2，2016 年達(dá)到 2×104m2且多為新滑坡，破壞時(shí)間多在秋春兩季。2017 年年底僅總干渠累計(jì)滑坡28.5km。渠道破壞成因除受氣溫變化作用外，還受渠道冬季不輸水渠基經(jīng)歷反復(fù)通水-停水，反復(fù)“濕-干-凍-融”耦合作用，渠基產(chǎn)生劣化效應(yīng)。高寒區(qū)渠道的搶險(xiǎn)修復(fù)不僅要處理凍脹、水脹、裂縫等局部破壞，還要應(yīng)對(duì)滑坡、坍塌等整體破壞。

3.3 工作難點(diǎn)

1）渠道多位于北方無(wú)人區(qū)，渠道線(xiàn)路長(zhǎng)，各類(lèi)險(xiǎn)情無(wú)法及時(shí)發(fā)覺(jué)。搶險(xiǎn)修復(fù)作業(yè)組織協(xié)調(diào)難度較大，大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)困難。

2）渠道穿越茫茫戈壁、雪原，搶險(xiǎn)修復(fù)作業(yè)環(huán)境條件惡劣。

3）由于“濕-干-凍-融”作用，即便破壞斷面搶險(xiǎn)修復(fù)，也不能保證今后該斷面險(xiǎn)情不再出現(xiàn)。存在長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。

4 高寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)修復(fù)技術(shù)

渠道滑坡?lián)岆U(xiǎn)及修復(fù)的技術(shù)難點(diǎn)主要在停水期的修復(fù)技術(shù)方面，往往工期緊，任務(wù)重，常規(guī)施工方法速度慢，人員投入多，質(zhì)量難保證。其主要由修復(fù)設(shè)備和工藝組成。設(shè)備包括移動(dòng)式翻斗提升機(jī)、下運(yùn)膠帶輸送機(jī)。提升機(jī)由翻斗、主機(jī)架、滑道、卷?yè)P(yáng)部件等組成。翻斗本體上設(shè)有與主機(jī)架滑道配合的2 個(gè)行走輪組；翻斗滑道包括與所述主機(jī)架滑道位于同一平面上的2 條相交滑道Ⅰ和滑道Ⅱ，滑道Ⅰ的有效長(zhǎng)度與兩滑道外端點(diǎn)之間的間距長(zhǎng)度均等于所述兩行走輪組之間的間距；卷?yè)P(yáng)部件，包括鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪和卷筒，鋼絲繩一端先與所述翻斗本體連接，再穿過(guò)所述導(dǎo)向滑輪后至所述卷筒，卷筒在卷?yè)P(yáng)電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可收緊鋼絲繩。如圖1 所示。

圖1 移動(dòng)式翻斗式提升機(jī)施工過(guò)程圖

該設(shè)備可將渠底帶采出的巖土等向上提升至一定高度后，借助翻斗的自動(dòng)翻轉(zhuǎn)將巖土等直接傾倒在自卸汽車(chē)的車(chē)斗上。為實(shí)現(xiàn)主機(jī)架1 橫向移動(dòng)的目的，在主機(jī)架1 的兩端設(shè)有1 行走部件，行走部件既可采用現(xiàn)有技術(shù)中的軌道、行走輪式行走部件，也可采用履帶式行走部件替代。履帶式行走部件包括履帶電機(jī)，主動(dòng)履帶輪在履帶電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)履帶帶動(dòng)從動(dòng)履帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整機(jī)行走。履帶式行走部件不僅不需鋪設(shè)滑軌，還可有效降低橫向移動(dòng)時(shí)的沖擊和振動(dòng)，降低施工中的噪聲。使用步驟如下：

1）將渠底待棄巖土裝至翻斗車(chē)內(nèi)。

2）逆向旋轉(zhuǎn)的卷筒收緊鋼絲繩，鋼絲繩帶動(dòng)翻斗沿著主機(jī)架滑道逐漸上升。

3）待運(yùn)行至翻斗滑道處時(shí)，翻斗的行走輪組Ⅰ先沿滑道Ⅰ運(yùn)行至滑道Ⅰ的右端點(diǎn)處，此時(shí)行走輪組Ⅱ位于兩滑道交點(diǎn)。

4）卷筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在鋼絲繩帶動(dòng)下，行走輪組Ⅱ沿著滑道Ⅱ繼續(xù)上行，而行走輪組Ⅰ保持不動(dòng)，由此可使翻斗本體開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，當(dāng)翻斗本體偏轉(zhuǎn)角度足夠大，翻斗翻轉(zhuǎn)，其內(nèi)容物自卸至位于其下的自卸汽車(chē)上，一次輸送過(guò)程完成。

下運(yùn)膠帶輸送機(jī)，由上部機(jī)（桁）架、皮帶，走車(chē)輪組，驅(qū)動(dòng)裝置等組成，可用于在斷面恢復(fù)作業(yè)時(shí)，向作業(yè)面輸送砂礫料、混凝土、砂漿、反濾料等，輸送帶線(xiàn)速度可達(dá)1.25m/s。該皮帶機(jī)構(gòu)造合理，工作不受氣候、環(huán)境變化制約，可將混凝土料運(yùn)輸至大型施工機(jī)械不宜作業(yè)的區(qū)域，提升了布料效率?；緲?gòu)造如圖2 所示。

所研發(fā)的移動(dòng)式翻斗式提升機(jī)、下運(yùn)膠帶輸送機(jī)具有裝運(yùn)便利、適應(yīng)性廣、運(yùn)送效率高等優(yōu)點(diǎn)，能滿(mǎn)足大型渠道的改造和新建的機(jī)械化施工要求。2019 年秋季，北疆供水渠道某渠段發(fā)生大規(guī)?？逅U(xiǎn)情需全斷面恢復(fù)。當(dāng)年冬季，北疆供水渠道管理單位在恢復(fù)作業(yè)期間使用了自主研發(fā)的移動(dòng)式翻斗式提升機(jī)和下運(yùn)膠帶輸送機(jī)。

圖2 下運(yùn)膠帶輸送機(jī)

實(shí)踐表明，將移動(dòng)式翻斗式提升機(jī)、下運(yùn)膠帶輸送機(jī)應(yīng)用在渠道搶險(xiǎn)修復(fù)技術(shù)中后，在同工程量情況下，工期縮短12d。此外，該技術(shù)配合混凝土多功能成型機(jī)、制縫機(jī)等專(zhuān)利成套技術(shù)的聯(lián)合使用，使得工序簡(jiǎn)化、工效增強(qiáng)、工藝提升，降低成本、節(jié)能環(huán)保不斷優(yōu)化，能夠使每千米渠道恢復(fù)作業(yè)節(jié)約資金45 萬(wàn)元。同時(shí)降低勞動(dòng)力投入80%，累計(jì)降低成本20%，工程進(jìn)度提速400%。

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞高寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)任務(wù)、要求、工作難點(diǎn)，通過(guò)技術(shù)革新，研發(fā)的輕型移動(dòng)式斗式提升機(jī)和下運(yùn)皮帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)了土方的快速開(kāi)挖、運(yùn)輸和各種填料的快速回填，渠道搶險(xiǎn)的新技術(shù)、新工藝、新裝備的突破，為高寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)與修復(fù)工作提供了前沿技術(shù)支撐。