郭东方，孙京卫，刘 莹，刘 越

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

水利水电工程多地处自然条件恶劣的深山区，其前期地质勘测工作交通条件很差，尤其对于地势陡峻的高山峡谷山区，作业人员过河、跨沟等交通问题往往成为制约工作进展的主要因素。随着水利水电事业的发展，国家西部大开发战略的不断深入，西部青藏高原等偏远地区的水利工程不断增多。西部地区开发较晚，工程区自然条件、材料供应等条件越来越差，水利水电工程勘测作业过河、跨沟等交通问题愈发突出。因此有必要研究解决高山峡谷地区勘测作业中过河、跨沟等情况下安全可靠的交通工具。

1 概况

1.1 工程概况

黑河黄藏寺水利枢纽工程位于青海省祁连县与甘肃省肃南县交界的黑河上游东、西两岔交汇处以下11km的黑河干流峡谷段，上距青海省祁连县城约19km，下距莺落峡80km左右。黄藏寺水利枢纽控制流域面积7648km2，多年平均天然流量12.59亿m3，水库总库容4.06亿m3。工程规模为大Ⅱ型。工程开发任务为合理调配中下游生态和经济社会用水，提高黑河水资源综合管理能力，兼顾发电等综合利用，是黑河干流的骨干调蓄工程。

黑河黄藏寺水利枢纽工程地处青藏高原东北侧的祁连山脉，该区以垂直升降运动为主，并受强烈的构造侵蚀剥蚀作用，河流下切，水系发育。山脉海拔高程一般在3600～3800m，高差一般在800m～1200m，最大达2000m。坝址区为深切河谷，地势陡峻，黑河水流湍急，外部道路仅可抵达右岸，左右岸无路可通，左坝肩钻孔布置在左岸距河床垂直高差约200m的山上。勘测人员到左岸作业必须跨越黑河，需安全可靠的过河交通工具。设备材料运输可通过机动的单线过河缆直接运抵左岸勘测区。因过河缆两端落差近200m，倾斜角近60°，直达的机动简易单线过河缆用以载人跨河作业，风险太大，安全难以保障。

1.2 传统过河交通工具现状及分析

目前地质勘测工作采用较多的过河交通工具为架子管框架桥、油桶浮桥。

架子管框架桥和油桶浮桥虽然过河方式最便捷，无运行成本，但材料消耗较多，一次性投资数额较大，建造进度慢，昼夜需安排专人看护，维护成本高，对交通不便的工程区更增加成本，受水流条件的限制较大，当水流速度超过1.0m/s时不适用。遇洪水易被冲垮，安全性差。在深谷急流条件下的勘测区不仅加大了架设难度，而且便桥的强度也低，抗冲击能力差，不宜使用。而且这两种方式不适应跨沟的作业环境。

后经过学习吸收林业、矿山等其他行业的经验，在水利水电勘测工作中开始采用架设机动(机械驱动)单线过河缆的方式解决器材及人员过河难题。

机动单线过河缆架设投资和维护成本相对前两者较低，材料消耗较少，不受水流条件的影响，但其必须设置专业的运转操作人员，运行成本高，机械驱动设备出现故障时亦存在一定的安全隐患，且在未开发的深山峡谷大型机械设备进场困难，因此该方法也受到地形条件的限制。

2 轻型无动力架空载人交通工具

2.1 设计思路

设计原则：安全可靠，技术可行，经济高效。

考虑黄藏寺水库工程勘测区峡谷较窄，规避山区汛期洪水等的影响，从安全性、可控性、技术性、经济投入和建设周期等方面综合考虑，较好的办法是选择架空交通的方式，采用人力牵引的架空过河缆绳，更贴近实际情况，且稳妥高效，只要架设精度达到要求，完全可行。为了尽量减小牵引力，架设精度要求高，缆绳两端的相对高差要求尽量接近零，且两条承载索要尽量平行。

综合以上设计要求，充分论证人工条件下建造及运行等过程中的安全性、便捷性、易操作性，不断地优化改进，最后具体设计、初步定型。

2.2 设计方案

轻型无动力架空载人交通工具是利用悬挂在半空中的两条平行钢索，承托载人吊篮，用登山绳作为牵引绳，靠过河人员人力拉动牵引绳使吊斗移动，用以载人往返两岸通行的一种新型的交通工具。

轻型架空交通工具的示意图如图1所示，平面布置图如图2所示。

图1 轻型无动力架空载人交通工具示意图

图2 轻型无动力架空载人交通工具平面布置图

轻型架空交通工具建造流程：现场查勘→确定架设线路→设备、材料准备→选择地锚位置→地锚施工→架设承载索→安装牵引绳和吊斗。轻型架空交通工具建造所需材料见表1。地锚结构如图3所示。

图3 地锚结构示意图

序号材料规格单位数量备注1钢丝绳Φ16mmm1502登山绳Φ10mmm1003滑轮16个64钢丝绳卡Φ16mm个505手拉葫芦5t个26锚杆Φ25mm根67锚固剂kg108吊斗1m×1m×1.5m个19凿岩机台1

2.3 安全校核

承载索采用抗拉强度为1670MPa的6×19钢丝+纤维芯的16mm直径钢丝绳，缆绳跨度50m，牵引绳来回长度100m。载人吊斗重量50kg，要求最多承载2人，最大载荷重量为150kg，安全系数参照用于载人的升降机取14。

(1)求最大载荷时的计算载荷P计max

=1.34kN

式中，K冲—冲击系数，取1.31；Pmax—最大载荷重量，kN；P车—载人吊斗重量，kN；q牵—牵引绳每m重量，kN/m；L牵—牵引绳长度，m；n—平行承载索根数；α—两端地锚高差角，(°)。

(2)求无载荷时的水平张力T0

式中，S0—中央弛度比，取0.05；q承—承载索每米重量，kN/m；L承—承载索长度，m；

(3)求最大载荷时的水平张力Tb

Tb=6.7kN

式中，S承—承载索截面积，cm2；E承—承载索弹性模量，kN/cm2；L承—承载索长度，m；

(4)求最大载荷时的地锚处的最大张力Tmax

式中，H—两端地锚高差，m。

(5)承载索强度校核

式中，T破—承载索最小破断拉力，kN；K承—承载索安全系数。

因此，承载索选取Φ16mm钢丝绳满足各项受力要求。

左右岸地锚埋设完成，锚固剂强度增长满足时间要求后，进行逐根抗拉试验，利用10t(100kN)倒链进行全负荷抗拉试验24h。如果锚杆无松脱变形现象，锚杆四周山体没有出现裂隙等破坏形式，即可投入使用；如果出现松动变形或山体有开裂现象，需要重新加深埋设深度打孔埋设，试验合格后方能投入使用。

2.4 应用效果

在现场使用过程中，总体效果较好，存在的主要问题是偶见人力牵引困难，其原因是两条承载索平行度不够，下垂角度变大，造成导向滑轮受力不均衡与阻力增加。另外，因承载吊篮及人员的重力，对导向滑轮的安全性要求高，应采取加固措施。具体改进措施如下：

(1)调整钢丝绳松紧度和检查卡子的位置，减小承载索的下垂角度，使两条承载索平行。

(2)在每个导向滑轮上加设一道钢丝绳套，固定在吊篮上作为安全绳。

改进后承载索处于平行状态，可有效减轻阻力，导向滑轮加设安全绳后安全系数大大提高。

本文对各工区不同过河交通工具应用情况及特点进行了统计，见表2。

从表2中可看出本次研究的新型交通工具具备以下优势：

(1)建造速度快于其余三个交通工具，便捷高效，适用于工期要求紧的工程勘测项目。

(2)建造、运行、维护等几项成本远远低于其余三个交通工具，经济效益明显。

(3)不受河水流速、水深、山洪等的影响，适用于地形复杂的山区跨河跨沟。

3 创新性及特点

3.1 创新性

(1)创新了一种运送人员和材料过河(跨沟)的新型交通工具，解决了无交通条件的高山峡谷地带勘测人员过河(跨沟)通行问题。

(2)成功实现了无动力设备和无燃料消耗的情况下双向往复式人员交通往来，解决了勘测阶段进出大型设备不便的难题。

3.2 先进性

该轻型架空过河交通工具与其他类似过河交通工具相比，具有一定技术先进性：

(1)操作简单。本过河交通工具无需动力设备，没有燃料消耗，无需设专业的运转人员；运行时间灵活，不受驱动机械设备故障的局限，随时可以过河。

表2 几种过河交通工具特点对比

(2)可控性和安全性高。吊斗距离河面高度在15m以上，完全不受洪水影响；采用平行的两条钢丝绳作为承载索，承载力加倍；驱动滑轮达到4个，运行平稳度高；且采取了安全绳进行加固，安全可靠，不会出现脱钩掉道现象；人工牵引运行速度易控制，避免了驱动设备故障时的强拉安全隐患。

(3)适应性强。适用于100m以内的高山峡谷地区过河及跨沟等各种复杂情况。

(4)加工方便，成本较低。材料消耗少，仅需要钢丝绳等少量材料，不需要卷扬机等复杂设备，建造成本低，搭建速度快，尤其适用材料运输不便的山区。

(5)经济效益好。无需机械动力驱动，减少了专业运行人员和机械油料的投入，降低了施工成本，取得了良好的经济效益。

4 结语

综上所述，工作人员结合工程在施工前期、施工中存在的问题，研发了轻型无动力架空载人交通工具新技术。该轻型无动力架空载人载物交通工具能在宽度小于100m的高山峡谷地带的山谷和河谷进行工作，与其它交通方式相比，其建造工艺更加简单，器材更加轻便，同时投资、运行及维护成本低；能有效避免水流条件及山洪等的影响，安全性高，适用于交通不便的山区，但机械化程度低，偶见人力牵引困难的情况，可在今后的实践中予以改进完善。这种新型交通工具在类似地形条件下，特别在西部高原等地理自然、材料供应等条件恶劣的偏远山区，有着广泛的推广应用市场和前景。