輕型無動力架空載人交通工具技術研究

郭東方，孫京衛，劉 瑩，劉 越

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水利水電工程多地處自然條件惡劣的深山區，其前期地質勘測工作交通條件很差，尤其對于地勢陡峻的高山峽谷山區，作業人員過河、跨溝等交通問題往往成為制約工作進展的主要因素。隨著水利水電事業的發展，國家西部大開發戰略的不斷深入，西部青藏高原等偏遠地區的水利工程不斷增多。西部地區開發較晚，工程區自然條件、材料供應等條件越來越差，水利水電工程勘測作業過河、跨溝等交通問題愈發突出。因此有必要研究解決高山峽谷地區勘測作業中過河、跨溝等情況下安全可靠的交通工具。

1 概況

1.1 工程概況

黑河黃藏寺水利樞紐工程位于青海省祁連縣與甘肅省肅南縣交界的黑河上游東、西兩岔交匯處以下11km的黑河干流峽谷段，上距青海省祁連縣城約19km，下距鶯落峽80km左右。黃藏寺水利樞紐控制流域面積7648km2，多年平均天然流量12.59億m3，水庫總庫容4.06億m3。工程規模為大Ⅱ型。工程開發任務為合理調配中下游生態和經濟社會用水，提高黑河水資源綜合管理能力，兼顧發電等綜合利用，是黑河干流的骨干調蓄工程。

黑河黃藏寺水利樞紐工程地處青藏高原東北側的祁連山脈，該區以垂直升降運動為主，并受強烈的構造侵蝕剝蝕作用，河流下切，水系發育。山脈海拔高程一般在3600～3800m，高差一般在800m～1200m，最大達2000m。壩址區為深切河谷，地勢陡峻，黑河水流湍急，外部道路僅可抵達右岸，左右岸無路可通，左壩肩鉆孔布置在左岸距河床垂直高差約200m的山上。勘測人員到左岸作業必須跨越黑河，需安全可靠的過河交通工具。設備材料運輸可通過機動的單線過河纜直接運抵左岸勘測區。因過河纜兩端落差近200m，傾斜角近60°，直達的機動簡易單線過河纜用以載人跨河作業，風險太大，安全難以保障。

1.2 傳統過河交通工具現狀及分析

目前地質勘測工作采用較多的過河交通工具為架子管框架橋、油桶浮橋。

架子管框架橋和油桶浮橋雖然過河方式最便捷，無運行成本，但材料消耗較多，一次性投資數額較大，建造進度慢，晝夜需安排專人看護，維護成本高，對交通不便的工程區更增加成本，受水流條件的限制較大，當水流速度超過1.0m/s時不適用。遇洪水易被沖垮，安全性差。在深谷急流條件下的勘測區不僅加大了架設難度，而且便橋的強度也低，抗沖擊能力差，不宜使用。而且這兩種方式不適應跨溝的作業環境。

后經過學習吸收林業、礦山等其他行業的經驗，在水利水電勘測工作中開始采用架設機動(機械驅動)單線過河纜的方式解決器材及人員過河難題。

機動單線過河纜架設投資和維護成本相對前兩者較低，材料消耗較少，不受水流條件的影響，但其必須設置專業的運轉操作人員，運行成本高，機械驅動設備出現故障時亦存在一定的安全隱患，且在未開發的深山峽谷大型機械設備進場困難，因此該方法也受到地形條件的限制。

2 輕型無動力架空載人交通工具

2.1 設計思路

設計原則：安全可靠，技術可行，經濟高效。

考慮黃藏寺水庫工程勘測區峽谷較窄，規避山區汛期洪水等的影響，從安全性、可控性、技術性、經濟投入和建設周期等方面綜合考慮，較好的辦法是選擇架空交通的方式，采用人力牽引的架空過河纜繩，更貼近實際情況，且穩妥高效，只要架設精度達到要求，完全可行。為了盡量減小牽引力，架設精度要求高，纜繩兩端的相對高差要求盡量接近零，且兩條承載索要盡量平行。

綜合以上設計要求，充分論證人工條件下建造及運行等過程中的安全性、便捷性、易操作性，不斷地優化改進，最后具體設計、初步定型。

2.2 設計方案

輕型無動力架空載人交通工具是利用懸掛在半空中的兩條平行鋼索，承托載人吊籃，用登山繩作為牽引繩，靠過河人員人力拉動牽引繩使吊斗移動，用以載人往返兩岸通行的一種新型的交通工具。

輕型架空交通工具的示意圖如圖1所示，平面布置圖如圖2所示。

圖1 輕型無動力架空載人交通工具示意圖

圖2 輕型無動力架空載人交通工具平面布置圖

輕型架空交通工具建造流程：現場查勘→確定架設線路→設備、材料準備→選擇地錨位置→地錨施工→架設承載索→安裝牽引繩和吊斗。輕型架空交通工具建造所需材料見表1。地錨結構如圖3所示。

圖3 地錨結構示意圖

序號材料規格單位數量備注1鋼絲繩Φ16mmm1502登山繩Φ10mmm1003滑輪16個64鋼絲繩卡Φ16mm個505手拉葫蘆5t個26錨桿Φ25mm根67錨固劑kg108吊斗1m×1m×1.5m個19鑿巖機臺1

2.3 安全校核

承載索采用抗拉強度為1670MPa的6×19鋼絲+纖維芯的16mm直徑鋼絲繩，纜繩跨度50m，牽引繩來回長度100m。載人吊斗重量50kg，要求最多承載2人，最大載荷重量為150kg，安全系數參照用于載人的升降機取14。

(1)求最大載荷時的計算載荷P計max

=1.34kN

式中，K沖—沖擊系數，取1.31；Pmax—最大載荷重量，kN；P車—載人吊斗重量，kN；q牽—牽引繩每m重量，kN/m；L牽—牽引繩長度，m；n—平行承載索根數；α—兩端地錨高差角，(°)。

(2)求無載荷時的水平張力T0

式中，S0—中央弛度比，取0.05；q承—承載索每米重量，kN/m；L承—承載索長度，m；

(3)求最大載荷時的水平張力Tb

Tb=6.7kN

式中，S承—承載索截面積，cm2；E承—承載索彈性模量，kN/cm2；L承—承載索長度，m；

(4)求最大載荷時的地錨處的最大張力Tmax

式中，H—兩端地錨高差，m。

(5)承載索強度校核

式中，T破—承載索最小破斷拉力，kN；K承—承載索安全系數。

因此，承載索選取Φ16mm鋼絲繩滿足各項受力要求。

左右岸地錨埋設完成，錨固劑強度增長滿足時間要求后，進行逐根抗拉試驗，利用10t(100kN)倒鏈進行全負荷抗拉試驗24h。如果錨桿無松脫變形現象，錨桿四周山體沒有出現裂隙等破壞形式，即可投入使用；如果出現松動變形或山體有開裂現象，需要重新加深埋設深度打孔埋設，試驗合格后方能投入使用。

2.4 應用效果

在現場使用過程中，總體效果較好，存在的主要問題是偶見人力牽引困難，其原因是兩條承載索平行度不夠，下垂角度變大，造成導向滑輪受力不均衡與阻力增加。另外，因承載吊籃及人員的重力，對導向滑輪的安全性要求高，應采取加固措施。具體改進措施如下：

(1)調整鋼絲繩松緊度和檢查卡子的位置，減小承載索的下垂角度，使兩條承載索平行。

(2)在每個導向滑輪上加設一道鋼絲繩套，固定在吊籃上作為安全繩。

改進后承載索處于平行狀態，可有效減輕阻力，導向滑輪加設安全繩后安全系數大大提高。

本文對各工區不同過河交通工具應用情況及特點進行了統計，見表2。

從表2中可看出本次研究的新型交通工具具備以下優勢：

(1)建造速度快于其余三個交通工具，便捷高效，適用于工期要求緊的工程勘測項目。

(2)建造、運行、維護等幾項成本遠遠低于其余三個交通工具，經濟效益明顯。

(3)不受河水流速、水深、山洪等的影響，適用于地形復雜的山區跨河跨溝。

3 創新性及特點

3.1 創新性

(1)創新了一種運送人員和材料過河(跨溝)的新型交通工具，解決了無交通條件的高山峽谷地帶勘測人員過河(跨溝)通行問題。

(2)成功實現了無動力設備和無燃料消耗的情況下雙向往復式人員交通往來，解決了勘測階段進出大型設備不便的難題。

3.2 先進性

該輕型架空過河交通工具與其他類似過河交通工具相比，具有一定技術先進性：

(1)操作簡單。本過河交通工具無需動力設備，沒有燃料消耗，無需設專業的運轉人員；運行時間靈活，不受驅動機械設備故障的局限，隨時可以過河。

表2 幾種過河交通工具特點對比

(2)可控性和安全性高。吊斗距離河面高度在15m以上，完全不受洪水影響；采用平行的兩條鋼絲繩作為承載索，承載力加倍；驅動滑輪達到4個，運行平穩度高；且采取了安全繩進行加固，安全可靠，不會出現脫鉤掉道現象；人工牽引運行速度易控制，避免了驅動設備故障時的強拉安全隱患。

(3)適應性強。適用于100m以內的高山峽谷地區過河及跨溝等各種復雜情況。

(4)加工方便，成本較低。材料消耗少，僅需要鋼絲繩等少量材料，不需要卷揚機等復雜設備，建造成本低，搭建速度快，尤其適用材料運輸不便的山區。

(5)經濟效益好。無需機械動力驅動，減少了專業運行人員和機械油料的投入，降低了施工成本，取得了良好的經濟效益。

4 結語

綜上所述，工作人員結合工程在施工前期、施工中存在的問題，研發了輕型無動力架空載人交通工具新技術。該輕型無動力架空載人載物交通工具能在寬度小于100m的高山峽谷地帶的山谷和河谷進行工作，與其它交通方式相比，其建造工藝更加簡單，器材更加輕便，同時投資、運行及維護成本低；能有效避免水流條件及山洪等的影響，安全性高，適用于交通不便的山區，但機械化程度低，偶見人力牽引困難的情況，可在今后的實踐中予以改進完善。這種新型交通工具在類似地形條件下，特別在西部高原等地理自然、材料供應等條件惡劣的偏遠山區，有著廣泛的推廣應用市場和前景。