北疆高寒區渠道搶險技術與裝備

陳勃文

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000）

1 引言

地基土凍融作用產生的破壞是高寒區供水渠道主要破壞形式。在凍融作用影響下，極易出現凍融破壞、滲漏、滑坡等各類險情，目前，國內外渠道安全保障措施和研究方向仍是現場監測、預警、綜合評價等，缺乏針對渠道險情處置工作標準。渠道運行期內一旦出現險情，將直接威脅輸水安全，對區域工農業生產、社會經濟穩定造成重大影響。

2 渠道搶險修復技術及設備現狀

近年來，依托南水北調、北疆調水等重點工程，圍繞渠道應急搶險要求，針對渠道的各類險情隱患及發生機制，形成了一批除險加固方法及配套設備。

2.1 渠道搶險方法

2.1.1 滲漏搶險

通常渠道的滲漏分為“有害滲漏”和“無害滲漏”2 種。滲漏搶險主要圍繞管涌、流土、掏蝕等滲透破壞引起的“有害滲漏”險情開展。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 滑坡搶險

渠道滑坡類型及過程一般與運行工況、氣候環境條件、坡面入滲情況、渠基土質有關；在膨脹土等不良地質渠段，渠道滑坡類型與土性和環境條件密切相關。防止與控制滑坡的核心思想主要是設法減少滑動力與增加抗滑力。常用的滑坡搶險處置措施包括排水、削方減載、回填壓腳、抗滑樁、預應力錨索等。抗滑樁、錨桿（索）方法在南水北調中線部分渠段和其他一些特殊土渠段得到了應用【1】。

2.1.3 其他搶險

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

2.2 渠道快速修復技術及設備

根據破壞程度，以及運行需要，渠道快速修復以原位修復和開挖恢復2 種方式為主。在針對滲透破壞的原位修復中，固結灌漿是較為有效的一種技術。當斷面出現大面積損毀時，須采用開挖恢復方式。機械開挖、人工輔助回填是較常見的恢復方式。經比較，機械化的施工設備與技術在加快工程進度、提高工程質量、環保節能優化等方面優勢明顯。

渠道機械化施工技術與設備有近70a 的歷史，美國在混凝土襯砌渠道建設方面已實現了全面的機械化施工。涵蓋渠槽開挖、膜料鋪設以及防護層布置等系列過程。近年來，我國渠道工程建設也從半機械化邁入了完全機械化施工作業的進程。表1 列舉了國內外一些具有代表性的機械化襯砌施工專利。

表1 國內外有代表性的機械化襯砌施工專利

從表中可以看出，目前國內尚缺乏專門用于渠道搶險工作的機械化設備。

3 高寒區渠道搶險修復工作特點

3.1 工作要求

1）出現險情時及時組織搶險工作，確保年輸水總量達到預定目標。

2）因渠道為冬季不供水的季節性渠道，可充分利用這一時段來進行修復工作突出時效性，以保證翌年輸水任務。

3.2 工作內容

溫度變化引起的凍融作用是高寒區渠道首要風險隱患。運行初期多為局部破壞，隨時間增加發生滑坡、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 年前每年發生病害面積≤6 000m2，但2015 年當年增加1.2×104m2，2016 年達到 2×104m2且多為新滑坡，破壞時間多在秋春兩季。2017 年年底僅總干渠累計滑坡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歷反復通水-停水，反復“濕-干-凍-融”耦合作用，渠基產生劣化效應。高寒區渠道的搶險修復不僅要處理凍脹、水脹、裂縫等局部破壞，還要應對滑坡、坍塌等整體破壞。

3.3 工作難點

1）渠道多位于北方無人區，渠道線路長，各類險情無法及時發覺。搶險修復作業組織協調難度較大，大型機械設備進場困難。

2）渠道穿越茫茫戈壁、雪原，搶險修復作業環境條件惡劣。

3）由于“濕-干-凍-融”作用，即便破壞斷面搶險修復，也不能保證今后該斷面險情不再出現。存在長期風險。

4 高寒區渠道搶險修復技術

渠道滑坡搶險及修復的技術難點主要在停水期的修復技術方面，往往工期緊，任務重，常規施工方法速度慢，人員投入多，質量難保證。其主要由修復設備和工藝組成。設備包括移動式翻斗提升機、下運膠帶輸送機。提升機由翻斗、主機架、滑道、卷揚部件等組成。翻斗本體上設有與主機架滑道配合的2 個行走輪組；翻斗滑道包括與所述主機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的有效長度與兩滑道外端點之間的間距長度均等于所述兩行走輪組之間的間距；卷揚部件，包括鋼絲繩、導向滑輪和卷筒，鋼絲繩一端先與所述翻斗本體連接，再穿過所述導向滑輪后至所述卷筒，卷筒在卷揚電機帶動下轉動，當其逆時針轉動時，可收緊鋼絲繩。如圖1 所示。

圖1 移動式翻斗式提升機施工過程圖

該設備可將渠底帶采出的巖土等向上提升至一定高度后，借助翻斗的自動翻轉將巖土等直接傾倒在自卸汽車的車斗上。為實現主機架1 橫向移動的目的，在主機架1 的兩端設有1 行走部件，行走部件既可采用現有技術中的軌道、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，主動履帶輪在履帶電機帶動下轉動，并通過履帶帶動從動履帶輪的轉動，進而實現整機行走。履帶式行走部件不僅不需鋪設滑軌，還可有效降低橫向移動時的沖擊和振動，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內。

2）逆向旋轉的卷筒收緊鋼絲繩，鋼絲繩帶動翻斗沿著主機架滑道逐漸上升。

3）待運行至翻斗滑道處時，翻斗的行走輪組Ⅰ先沿滑道Ⅰ運行至滑道Ⅰ的右端點處，此時行走輪組Ⅱ位于兩滑道交點。

4）卷筒繼續旋轉，在鋼絲繩帶動下，行走輪組Ⅱ沿著滑道Ⅱ繼續上行，而行走輪組Ⅰ保持不動，由此可使翻斗本體開始偏轉，當翻斗本體偏轉角度足夠大，翻斗翻轉，其內容物自卸至位于其下的自卸汽車上，一次輸送過程完成。

下運膠帶輸送機，由上部機（桁）架、皮帶，走車輪組，驅動裝置等組成，可用于在斷面恢復作業時，向作業面輸送砂礫料、混凝土、砂漿、反濾料等，輸送帶線速度可達1.25m/s。該皮帶機構造合理，工作不受氣候、環境變化制約，可將混凝土料運輸至大型施工機械不宜作業的區域，提升了布料效率。基本構造如圖2 所示。

所研發的移動式翻斗式提升機、下運膠帶輸送機具有裝運便利、適應性廣、運送效率高等優點，能滿足大型渠道的改造和新建的機械化施工要求。2019 年秋季，北疆供水渠道某渠段發生大規模垮塌險情需全斷面恢復。當年冬季，北疆供水渠道管理單位在恢復作業期間使用了自主研發的移動式翻斗式提升機和下運膠帶輸送機。

圖2 下運膠帶輸送機

實踐表明，將移動式翻斗式提升機、下運膠帶輸送機應用在渠道搶險修復技術中后，在同工程量情況下，工期縮短12d。此外，該技術配合混凝土多功能成型機、制縫機等專利成套技術的聯合使用，使得工序簡化、工效增強、工藝提升，降低成本、節能環保不斷優化，能夠使每千米渠道恢復作業節約資金45 萬元。同時降低勞動力投入80%，累計降低成本20%，工程進度提速400%。

5 結語

圍繞高寒區渠道搶險任務、要求、工作難點，通過技術革新，研發的輕型移動式斗式提升機和下運皮帶輸送機實現了土方的快速開挖、運輸和各種填料的快速回填，渠道搶險的新技術、新工藝、新裝備的突破，為高寒區渠道搶險與修復工作提供了前沿技術支撐。