長距離輸水渠道地下軟管變形復位裝置的應用

趙多明

(新疆額爾齊斯河投資開發(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

新疆北疆某輸水渠道斷面形式為梯形，總干渠渠深7.5 m，渠坡1∶2，渠底寬度4 m。襯砌形式為全斷面預制板結構，防滲體為0.6 mm厚PE土工膜。因受當時投資和工程建設水平的制約，僅在少部分重要高填方渠段設置了排水體系。渠道經過近二十年的運行，防滲膜的破損老化逐年加劇，防滲能力也呈現下降趨勢，滲水量逐年加大且不能得到有效導排，長期浸泡渠基，導致渠堤滑坡、凍脹變形，此外，因膜后積水引起襯砌結構受揚壓力破壞現象也是愈演愈烈，極大地影響了工程輸水能力和效益的發揮。

隨著國家一帶一路戰略實施，新疆經濟得到了空前的發展，輸水工程輸水能力已不能滿足社會經濟發展需求，北疆供水工程升級改造勢在必行。2015年輸水工程升級改造項目開工建設，工程輸水能力由68 m3/s提高到120 m3/s。同時進行渠底排水體系改造，主要包括兩部分，一是渠道縱橫向排水管，二是渠道外側集水井。渠道縱向排水管采用一根直徑200 mm軟式透水管和直徑200 mm的PE管，收集渠道的滲水，將滲水匯集到渠底中央的集水池內。然后通過兩根直徑180 mm 的PVC橫向排水管，輸送到渠道外側的集水井中。集水井內安裝水泵，實時控制排出滲水，從而形成完備可靠的渠道排水系統，但在運行中出現了深埋地下軟管變形、堵塞的問題[1]。

2 新型深埋地下軟管變形復位裝置的研制和應用

大開挖法“外創手術”、變形補償預防法、內鏡修復法等施工方法，均不能滿足深埋地下軟管長久正常運行的要求。針對這種情況，本工程采用了一種新型深埋地下軟管變形復位裝置，通過旋進錐來回拉動將變形部位修復，最后加以固定，對軟管變形、堵塞位置進行物理處理，使軟管道給排水正常，從而提高工程質量，改善工作環境，杜絕安全隱患的發生。

2.1 裝置的結構構造

這種新型深埋地下軟管變形復位裝置，包括旋進錐和牽拉桿，旋進錐包括前端旋進錐、中段圓柱和后端旋進錐，旋進錐中部設有牽拉桿，牽拉桿兩端設有圓形掛環。旋進錐設有若干層，中段圓柱中部設有圓孔，每層的圓孔表面設有螺絲沉頭孔，圓孔中安裝螺絲。如圖1所示。

圖1 深埋地下軟管變形復位裝置構造及操作

2.2 裝置的使用方法及施工工藝

(1)將穿線器與鋼絲繩固定牢固，從深埋地下軟管道的一端穿入，利用穿線器將引入的鋼絲繩從管道另一端拉出來。

(2)鋼絲繩緊密連接前端旋進錐一端的圓形掛環，后端旋進錐一端的圓形掛環緊密連接另外一根鋼絲繩，鋼絲繩連接管道兩端的拉動機構。

(3)從管道兩端來回拖拉鋼絲繩，使深埋地下軟管變形復位裝置在變形處反復沖擴，旋進錐按照直徑由小到大的順序依次通過，從而達到軟管道復位的目的。

(4)最后用1根鋼絲繩將內襯鋼管拖拽至變形位置。

2.3 理論分析

2.3.1 理想狀態下的理論值計算

幾處假設與簡化：

(1)旋進錐橫截面為標準橢圓，且長軸為短軸的兩倍。短軸直徑為D，則長軸直徑為2D。

(2)旋進錐與PE排水管底部有接觸,產生摩擦力;與側壁無接觸,不產生摩擦力。

(3)橫向阻力F的作用點與土壓力合力P的作用點相同，如圖2所示。

圖2 旋進錐受力過程

旋進錐前半部分在牽引力的作用下進入到壓陷區，后半球由于壓陷區已經被前半球頂起，所以不與排水管接觸。因此，土壓力p作用在旋進錐上的可能最大區域為前半球。前半球在垂直于土壓力p方向上的面積投影即為半個橢圓，面積為S=πD2/4，因此，作用在旋進錐上的最大土壓力合力P如式(1)：

(1)

橢圓的短軸(y軸)半徑為D/2，根據旋進錐形狀估算，橢圓長軸約為短軸的2倍，因此，長軸(x軸)半徑為D，因此，橢圓的方程如式(2)：

(2)

土壓力合力P的作用點為半個橢圓的質心，半個橢圓的質心位于半徑的4/3π倍處，沿著x軸的半徑為D，因此OB的長度如式(3)：

(3)

將式(3)代入式(2)可得式(4)：

AB=0.453D,tanθ=OB/AB=0.937

(4)

旋進錐在牽引過程中，主要受到4個力的作用，即牽引力T，下部摩擦力Fs，土壓力合力P，以及在牽引過程中的橫向阻力F。對O點求力矩見式(5)：

(5)

聯立式(3)和式(5)可得，橫向阻力F見式(6)：

(6)

在x軸方向，牽引力T與摩擦力Fs和橫向阻力F保持平衡，即式(7)：

(7)

將tanθ=0.937代入到式(6)可得：

T=F+Fs=P(0.937+2.203μ)

(8)

根據《給水用聚乙烯(PE)管道系統 第2部分：管材》(GB/T 13663.2—2018)[2]，PE管(排水管)的靜力摩擦系數為0.3，考慮到排水管的內部可能存在部分淤泥，增大了摩擦系數，因此，將摩擦系數μ放大到0.5。計算得到的理論牽引力T如表1 所示。其中，排水管最大埋深為11 m，上覆土層應力取為25 kPa/m，則11m埋深處的土壓力為275 kPa。

2.3.2 操作過程中的實際值估算

計算示意圖2做了很多假設和簡化，實際上，在實際操作過程中，實際牽引力要大于理論牽引力，依據如下：

(1)排水管已經產生了壓縮變形，因此，牽引力作用下旋進錐不僅要將上覆土層頂起，還應該包括促使排水管恢復原始形狀的力。由于排水管是在土壓力的作用下產生了壓縮形變，因此，使得其恢復為原始形狀的力至少要等于上覆土壓力。因此，實際牽引力要在理論牽引力的基礎上乘以2。

(2)牽引過程中鋼絲與滑輪之間的摩擦力也很可觀，應該計算到牽引力之中。一般而言，鋼絲與滑輪之間的摩擦系數為0.1～0.3，此處取為最大值0.3，因此，實際牽引力要在理論牽引力基礎上乘以一個放大系數1.3。

(3)綜合(1)和(2)可得，實際牽引力至少要在理論牽引力的基礎上乘以2.6的放大系數。計算值如表1所示。

表1 不同直徑對應的牽引力

3 地下軟管變形復位裝置的優勢

這種長距離大型輸水渠道新型深埋地下軟管變形復位裝置，通過鋼絲繩將旋進錐在變形處往返拖拽，使管道變形位置復位，再在復位位置安裝內襯鋼管，防止復位位置發生二次變形、堵塞，這種深埋地下軟管變形復位裝置的應用，對于提高給排水管道維修、疏通的施工質量有很重大的意義。通過鋼絲繩拖拽軟管變形復位裝置往返在塑料軟管變形處擴充，管道變形位置復位，形成第一道防線；再在復位位置安設內襯鋼管，防止復位位置二次變形、堵塞形成第二道防線。徹底解決了軟管道的變形、堵塞問題，優化了施工工藝技術，增強了軟管變形處的抗變形能力，顯著提高了塑料軟管變形后復位的工程質量。

這種新型深埋地下軟管變形復位裝置的應用能夠替代現有的修復裝置及其施工工藝，新型變形復位裝置不僅防變形效果好，而且節省了后期因再次變形帶來的多次維修處理所產生的高額費用，顯著降低了維修費用。同時，克服了常規施工工藝的種種缺陷，大大改善了施工進度，保障了管道的正常給排水，是一種節能環保的綠色工藝，符合當今社會倡導的科技發展方向和要求[3]。

4 效益分析和工程實例

4.1 傳統工藝

深埋軟管變形處采用大開挖更換需要土方約15 000 m3、一布一膜500 m2、膜下砂漿15 m3、預制板襯砌45 m3。費用合計為20.02萬元。

4.2 新工藝

研制變形復位裝置約4萬元，一處深埋軟管變形處人工費1萬元。新工藝費用為5萬元。

4.3 對比分析

新舊工藝對比，每處軟管變形節省15.02萬元。

截至目前，在新疆北疆某渠道共完成地下軟管變形復位62處，制作變形復位裝置5套，節約資金1221.24萬元。

預計在后續的22處深埋軟管變形復位中可節約2402.44萬元。

這種新型深埋地下軟管變形復位裝置的應用能夠替代現有的修復裝置及其施工工藝，新型變形復位裝置不僅防變形效果好，而且節省了后期因再次變形帶來的多次維修處理所產生的高額費用，顯著降低了維修費用。

5 結 語

這種新型深埋地下軟管變形復位裝置具有裝拆簡便，易操作，施工快捷等特點，施工工藝簡單，使用周期短，維修費用低，無須任何機械，物理原理明確，易操作，無須人員培訓，易于推廣，有效解決了工程給排水施工領域急需解決的深埋地下管道變形、堵塞難題，具有顯著的經濟效益和社會效益。