談北疆供水工程輸水能力提升改造

章再興

（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 研究背景

長(zhǎng)期以來(lái)，以新疆為代表的內(nèi)陸干旱區(qū)，存在著季節(jié)性缺水和資源性缺水共存的局面。特別是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用水量的劇增，資源性缺水將成為當(dāng)前水資源管理的主要矛盾，在開(kāi)展用水結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的同時(shí)，調(diào)豐補(bǔ)缺、跨流域調(diào)水是快速解決熱點(diǎn)地區(qū)資源性缺水的重要手段。

北疆供水工程運(yùn)行多年，渠道工程總體狀況良好，較好地發(fā)揮了工程效益。但在運(yùn)行過(guò)程中總干渠部分泥巖渠段發(fā)生滑坡破壞，南干渠戈壁明渠在停水期出現(xiàn)渠底襯砌“水脹”破壞。現(xiàn)有的輸水能力已經(jīng)不能滿足城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺已嚴(yán)重影響受水區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為保證受水區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有效化解水資源短缺的問(wèn)題，有效快速提升疆內(nèi)水資源開(kāi)發(fā)利用，須對(duì)干渠進(jìn)行升級(jí)改造擴(kuò)大規(guī)模，提高輸水能力，保證供水安全。

2 工程存在問(wèn)題

在輸水渠道工程帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，渠道自身也在承受著病害老化和超設(shè)計(jì)供水的危機(jī)。由于北疆輸水明渠跨越距離長(zhǎng)，沿線地質(zhì)和氣候情況異常復(fù)雜，使得渠道從建設(shè)初期就經(jīng)歷著嚴(yán)峻考驗(yàn)。總干渠沿線膨脹泥巖分布廣泛，邊坡失穩(wěn)滑坡現(xiàn)象每年發(fā)生而愈演愈烈；渠道整體屬于高緯度、高寒地區(qū)，冬季極端氣溫可達(dá)-40℃，渠道的凍害嚴(yán)重；部分地區(qū)地下水為咸水，使得渠道混凝土襯砌剝蝕；由于土工膜破損、老化，膜后積水嚴(yán)重，停水期滲透水產(chǎn)生的揚(yáng)壓力引起的混凝土襯砌破壞普遍發(fā)生。總之，北疆輸水工程渠道經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)行，滲漏、滑坡等各種問(wèn)題開(kāi)始凸顯（見(jiàn)圖1、圖2）。

3 解決方法

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)渠道防·排體系的建立，實(shí)現(xiàn)膜后水位有效管控，使膜后水位始終處于渠底以下，滲水不再浸入渠床土體，渠床土體中原有的滲水通過(guò)長(zhǎng)期固結(jié)排水，將浸入土體的水反滲導(dǎo)排，繼而實(shí)現(xiàn)渠床始終處于穩(wěn)定和干燥的狀態(tài)，防止渠道滑坡、凍脹、巖脹等破壞的出現(xiàn)。

由于工程處于高寒、干旱、多風(fēng)、干燥地區(qū)，絕大部分渠道穿越沙漠和戈壁，施工條件十分惡劣，每年的9 月底到次年的4 月底7 個(gè)月的停水期間，受雨雪、寒冷天氣的影響，有效的施工天數(shù)只有60d 左右，施工工期短、施工強(qiáng)度大，施工條件和自然條件惡劣。渠底白砂巖處于飽和狀態(tài)，施工期間存在嚴(yán)重的邊坡不穩(wěn)定因素，渠底安裝排水體系難度大。因此，只能采用機(jī)械化一體化流水快速作業(yè)方式快速完成干渠換填和包括混凝土襯砌、襯砌薄殼分塊、表面成型收光的圓弧梯形渠道襯砌施工，才能有效阻止渠道改造過(guò)程中不穩(wěn)定滑坡等問(wèn)題，保證渠道升級(jí)改造順利實(shí)施。

要建立完備的防排設(shè)施，針對(duì)干渠渠道升級(jí)改造提升輸水能力的需求，基于已有研究成果和數(shù)據(jù)，通過(guò)工程調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析、示范驗(yàn)證等研究方法和手段，綜合運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)械制造、機(jī)械振動(dòng)理論、控制理論、混凝土流變理論、斜坡混凝土振動(dòng)密實(shí)成型理論等開(kāi)展包括現(xiàn)澆薄殼混凝土機(jī)械密實(shí)成型技術(shù)、分塊（格）分縫材料植入技術(shù)、表面整形成型一體化技術(shù)研究，研制渠道升級(jí)改造與維護(hù)以及新建所需的渠道混凝土防滲一體化施工設(shè)備及其施工工藝[1]。

通過(guò)研究新的施工工藝，具體形成包括渠道現(xiàn)澆混凝土襯砌機(jī)、置縫機(jī)、成型機(jī)高寒區(qū)渠道升級(jí)改造和維護(hù)所需的技術(shù)裝備。實(shí)現(xiàn)渠道混凝土襯砌、分塊（格）置縫、表面成型快速施工。為已建的長(zhǎng)距離渠道升級(jí)改造和規(guī)劃待建的高寒區(qū)渠道工程順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源高效綜合利用提供技術(shù)支撐；填補(bǔ)大面積薄殼混凝土襯砌分塊（格）置縫、表面成型機(jī)械一體化快速施工技術(shù)與設(shè)備方面的空白；解決高寒、多風(fēng)、干燥沙漠和戈壁地區(qū)輸水渠道在寒冷停水期間渠道升級(jí)改造所面臨的施工工期短、施工強(qiáng)度大以及勞動(dòng)力資源短缺問(wèn)題[2]。

圖1 渠道滑坡

4 改造技術(shù)難點(diǎn)

4.1 施工具有季節(jié)性

圖2 渠道揚(yáng)壓力破壞

新疆北部由于受氣候和渠道夏季輸水運(yùn)行雙重影響，導(dǎo)致渠道改造的有效施工時(shí)間只有60d 左右。

4.2 混凝土傳統(tǒng)切縫技術(shù)落后

混凝土傳統(tǒng)切縫技術(shù)使用切縫裝置進(jìn)行分縫，這種方法不僅人工成本高、能耗高、環(huán)境污染嚴(yán)重，還容易破壞防滲塑膜，造成渠道滲漏，產(chǎn)生揚(yáng)壓力破壞。

4.3 混凝土厚度控制和檢測(cè)困難

檢驗(yàn)成型混凝土厚度是否符合設(shè)計(jì)要求，普遍采用取芯或攤鋪過(guò)程分段抽查判斷厚度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)厚度檢測(cè)全時(shí)段全覆蓋。

5 施工工序

1）拆板：利用小型挖掘機(jī)，按照渠道設(shè)計(jì)斷面尺寸，拆除渠道預(yù)制板塊。

2）渠底置換泥巖挖運(yùn)：用挖掘機(jī)將泥巖挖裝至移動(dòng)式翻斗車裝料斗，利用移動(dòng)式翻斗車傳送系統(tǒng)將置換泥巖運(yùn)至馬道面，傾卸在渣土車車斗內(nèi)，渣土車將泥沙轉(zhuǎn)運(yùn)到渠外指定地點(diǎn)。

3）排水暗管、集水井安裝：置換泥巖挖運(yùn)的同時(shí)開(kāi)挖渠底縱向排水體矩形溝槽，溝槽上下口與挖掘機(jī)斗等寬1.2m，槽深1.35m～1.85m，溝槽成型后沿溝槽貼壁鋪設(shè)2 布1 膜，在溝底膜上布設(shè)φ200mm UPVC 打孔花管1 根，花管兩側(cè)平行布設(shè)φ200mm 軟式通水管2 根，沿渠道軸線方向每隔700m 間距設(shè)置1 個(gè)排水箱，并與渠道堤外集水井連通，集水井內(nèi)裝設(shè)隨渠底膜后，水位實(shí)時(shí)控制的排水泵，從而形成可靠的渠道排水系統(tǒng)。

4）渠底反濾料、砂礫料填筑。

5）新舊防滲膜的連接。采用KS 熱熔膠，可實(shí)現(xiàn)渠道防滲新膜與舊膜快速可靠連接。

6）膜后砂漿鋪裝。膜下砂漿施工、2 布1 膜鋪設(shè)。

7）混凝土襯砌。為增強(qiáng)渠道抗變形能力，將人工襯砌的梯形渠底，改為機(jī)械化現(xiàn)澆混凝土圓弧角梯形渠底。

（1）混凝土攤鋪：渠道振搗振動(dòng)滑模襯砌機(jī)，進(jìn)行混凝土振搗攤鋪、布料時(shí)根據(jù)老渠變形情況適當(dāng)調(diào)整襯砌機(jī)上下液壓腿高度，以保證布料厚度、布料均勻。在局部缺料的位置，要人工補(bǔ)料，并與攤鋪面順接平順。混凝土塌落度控制在9～11mm。（2）置縫：在襯砌混凝土初凝之前，利用多功能混凝土置縫機(jī)與襯砌機(jī)同步完成襯砌混凝土薄殼的分塊分縫的施工。混凝土多功能置縫機(jī)的研發(fā)使用，從根本上解決了傳統(tǒng)機(jī)械切縫過(guò)程防滲塑膜易破損，噪聲大、環(huán)境污染大、能耗高，混凝土厚度控制和檢測(cè)難、施工進(jìn)度慢、各道工序不能連續(xù)實(shí)施、斷點(diǎn)間隔時(shí)間長(zhǎng)、混凝土裂縫控制難，混凝土結(jié)構(gòu)縫防滲能力低，施工質(zhì)量不穩(wěn)定、成本較高等一系列突出問(wèn)題。（3）成型機(jī)整形：渠道混凝土表面多功能成型機(jī)跟隨襯砌機(jī)、置縫機(jī)同步工作，襯砌混凝土表面成型實(shí)現(xiàn)了襯砌混凝土表面整形與表面成型收光機(jī)械一體化施工。

8）養(yǎng)護(hù)：混凝土凝固后用養(yǎng)護(hù)膜覆蓋封閉養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)膜接頭處要搭接壓好，緊貼混凝土表面，安排專人進(jìn)行補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)。

9）成品保護(hù)：已施工好的混凝土面要保護(hù)好，在鋪設(shè)軌道時(shí)要人工搬運(yùn)，不得隨意拋扔，避免損傷混凝土表面。

渠道改造快速施工設(shè)備及技術(shù)成功研發(fā)實(shí)踐，將勢(shì)必解決長(zhǎng)期困擾混凝土工程因施工成本高、工期長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)成本高、質(zhì)量不易保證、裂縫控制難等一系列技術(shù)難題，將推動(dòng)混凝土機(jī)械化襯砌施工的發(fā)展，為混凝土機(jī)械化襯砌施工工藝帶來(lái)一場(chǎng)革命，為類似工程建設(shè)提供借鑒和參考，對(duì)促進(jìn)混凝土工程施工科技進(jìn)步有重要意義。

6 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)、輔助設(shè)備的科學(xué)選型，形成了大型渠道機(jī)械化施工設(shè)備體系和施工工藝，實(shí)現(xiàn)了平面和曲面混凝土一次性完成攤鋪成縫、表面成型等各道工序的連續(xù)施工，實(shí)時(shí)檢測(cè)混凝土厚度，有效地控制了混凝土裂縫的發(fā)生，填補(bǔ)了混凝土在塑形階段立體結(jié)構(gòu)縫成縫和表面成型技術(shù)與設(shè)備的空白，實(shí)現(xiàn)了渠道襯砌機(jī)械一體化的快速施工。

2）通過(guò)對(duì)高寒區(qū)渠道排水體系一體化快速施工工法的研究，實(shí)現(xiàn)了渠底縱向排水體的開(kāi)挖，反濾料分層填筑的快速流水作業(yè)。可大大縮短工期、降低工程造價(jià)，有效地避免了排水體開(kāi)挖對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定性的破壞。