北疆高寒区渠道抢险技术与装备

2020-09-26陈勃文

工程建设与设计 2020年17期

陈勃文

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000）

1 引言

地基土冻融作用产生的破坏是高寒区供水渠道主要破坏形式。在冻融作用影响下，极易出现冻融破坏、渗漏、滑坡等各类险情，目前，国内外渠道安全保障措施和研究方向仍是现场监测、预警、综合评价等，缺乏针对渠道险情处置工作标准。渠道运行期内一旦出现险情，将直接威胁输水安全，对区域工农业生产、社会经济稳定造成重大影响。

2 渠道抢险修复技术及设备现状

近年来，依托南水北调、北疆调水等重点工程，围绕渠道应急抢险要求，针对渠道的各类险情隐患及发生机制，形成了一批除险加固方法及配套设备。

2.1 渠道抢险方法

2.1.1 渗漏抢险

通常渠道的渗漏分为“有害渗漏”和“无害渗漏”2 种。渗漏抢险主要围绕管涌、流土、掏蚀等渗透破坏引起的“有害渗漏”险情开展。管涌抢修是按照“前堵后排”原则，主要有反滤围井法、反滤层压盖法、蓄水反压法等。

2.1.2 滑坡抢险

渠道滑坡类型及过程一般与运行工况、气候环境条件、坡面入渗情况、渠基土质有关；在膨胀土等不良地质渠段，渠道滑坡类型与土性和环境条件密切相关。防止与控制滑坡的核心思想主要是设法减少滑动力与增加抗滑力。常用的滑坡抢险处置措施包括排水、削方减载、回填压脚、抗滑桩、预应力锚索等。抗滑桩、锚杆（索）方法在南水北调中线部分渠段和其他一些特殊土渠段得到了应用【1】。

2.1.3 其他抢险

其他抢险主要是围绕地震、温度变化、洪水、人为破坏等因素引起破坏而开展的抢险。

2.2 渠道快速修复技术及设备

根据破坏程度，以及运行需要，渠道快速修复以原位修复和开挖恢复2 种方式为主。在针对渗透破坏的原位修复中，固结灌浆是较为有效的一种技术。当断面出现大面积损毁时，须采用开挖恢复方式。机械开挖、人工辅助回填是较常见的恢复方式。经比较，机械化的施工设备与技术在加快工程进度、提高工程质量、环保节能优化等方面优势明显。

渠道机械化施工技术与设备有近70a 的历史，美国在混凝土衬砌渠道建设方面已实现了全面的机械化施工。涵盖渠槽开挖、膜料铺设以及防护层布置等系列过程。近年来，我国渠道工程建设也从半机械化迈入了完全机械化施工作业的进程。表1 列举了国内外一些具有代表性的机械化衬砌施工专利。

表1 国内外有代表性的机械化衬砌施工专利

从表中可以看出，目前国内尚缺乏专门用于渠道抢险工作的机械化设备。

3 高寒区渠道抢险修复工作特点

3.1 工作要求

1）出现险情时及时组织抢险工作，确保年输水总量达到预定目标。

2）因渠道为冬季不供水的季节性渠道，可充分利用这一时段来进行修复工作突出时效性，以保证翌年输水任务。

3.2 工作内容

温度变化引起的冻融作用是高寒区渠道首要风险隐患。运行初期多为局部破坏，随时间增加发生滑坡、坍塌、渗透等大面积、大范围破坏概率大大增加。以北疆供水工程为例，2014 年前每年发生病害面积≤6 000m2，但2015 年当年增加1.2×104m2，2016 年达到 2×104m2且多为新滑坡，破坏时间多在秋春两季。2017 年年底仅总干渠累计滑坡28.5km。渠道破坏成因除受气温变化作用外，还受渠道冬季不输水渠基经历反复通水-停水，反复“湿-干-冻-融”耦合作用，渠基产生劣化效应。高寒区渠道的抢险修复不仅要处理冻胀、水胀、裂缝等局部破坏，还要应对滑坡、坍塌等整体破坏。

3.3 工作难点

1）渠道多位于北方无人区，渠道线路长，各类险情无法及时发觉。抢险修复作业组织协调难度较大，大型机械设备进场困难。

2）渠道穿越茫茫戈壁、雪原，抢险修复作业环境条件恶劣。

3）由于“湿-干-冻-融”作用，即便破坏断面抢险修复，也不能保证今后该断面险情不再出现。存在长期风险。

4 高寒区渠道抢险修复技术

渠道滑坡抢险及修复的技术难点主要在停水期的修复技术方面，往往工期紧，任务重，常规施工方法速度慢，人员投入多，质量难保证。其主要由修复设备和工艺组成。设备包括移动式翻斗提升机、下运胶带输送机。提升机由翻斗、主机架、滑道、卷扬部件等组成。翻斗本体上设有与主机架滑道配合的2 个行走轮组；翻斗滑道包括与所述主机架滑道位于同一平面上的2 条相交滑道Ⅰ和滑道Ⅱ，滑道Ⅰ的有效长度与两滑道外端点之间的间距长度均等于所述两行走轮组之间的间距；卷扬部件，包括钢丝绳、导向滑轮和卷筒，钢丝绳一端先与所述翻斗本体连接，再穿过所述导向滑轮后至所述卷筒，卷筒在卷扬电机带动下转动，当其逆时针转动时，可收紧钢丝绳。如图1 所示。

图1 移动式翻斗式提升机施工过程图

该设备可将渠底带采出的岩土等向上提升至一定高度后，借助翻斗的自动翻转将岩土等直接倾倒在自卸汽车的车斗上。为实现主机架1 横向移动的目的，在主机架1 的两端设有1 行走部件，行走部件既可采用现有技术中的轨道、行走轮式行走部件，也可采用履带式行走部件替代。履带式行走部件包括履带电机，主动履带轮在履带电机带动下转动，并通过履带带动从动履带轮的转动，进而实现整机行走。履带式行走部件不仅不需铺设滑轨，还可有效降低横向移动时的冲击和振动，降低施工中的噪声。使用步骤如下：

1）将渠底待弃岩土装至翻斗车内。

2）逆向旋转的卷筒收紧钢丝绳，钢丝绳带动翻斗沿着主机架滑道逐渐上升。

3）待运行至翻斗滑道处时，翻斗的行走轮组Ⅰ先沿滑道Ⅰ运行至滑道Ⅰ的右端点处，此时行走轮组Ⅱ位于两滑道交点。

4）卷筒继续旋转，在钢丝绳带动下，行走轮组Ⅱ沿着滑道Ⅱ继续上行，而行走轮组Ⅰ保持不动，由此可使翻斗本体开始偏转，当翻斗本体偏转角度足够大，翻斗翻转，其内容物自卸至位于其下的自卸汽车上，一次输送过程完成。

下运胶带输送机，由上部机（桁）架、皮带，走车轮组，驱动装置等组成，可用于在断面恢复作业时，向作业面输送砂砾料、混凝土、砂浆、反滤料等，输送带线速度可达1.25m/s。该皮带机构造合理，工作不受气候、环境变化制约，可将混凝土料运输至大型施工机械不宜作业的区域，提升了布料效率。基本构造如图2 所示。

所研发的移动式翻斗式提升机、下运胶带输送机具有装运便利、适应性广、运送效率高等优点，能满足大型渠道的改造和新建的机械化施工要求。2019 年秋季，北疆供水渠道某渠段发生大规模垮塌险情需全断面恢复。当年冬季，北疆供水渠道管理单位在恢复作业期间使用了自主研发的移动式翻斗式提升机和下运胶带输送机。

图2 下运胶带输送机

实践表明，将移动式翻斗式提升机、下运胶带输送机应用在渠道抢险修复技术中后，在同工程量情况下，工期缩短12d。此外，该技术配合混凝土多功能成型机、制缝机等专利成套技术的联合使用，使得工序简化、工效增强、工艺提升，降低成本、节能环保不断优化，能够使每千米渠道恢复作业节约资金45 万元。同时降低劳动力投入80%，累计降低成本20%，工程进度提速400%。