大型輸水渠道改擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

陳勃文，黃英豪

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

新疆地處歐亞大陸腹地，屬于典型的干旱、半干旱地區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，存在嚴(yán)重的資源性缺水問(wèn)題。同時(shí)，新疆水資源時(shí)空分布極其不均衡，具有春旱、夏洪、秋缺、冬枯的特點(diǎn)，西部、北部地區(qū)水資源相對(duì)豐富，南部地區(qū)水資源相對(duì)稀少。特別是一些大城市，像克拉瑪依、烏魯木齊等地水資源非常緊張，制約了當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，影響了人民的生活水平[1-2]。針對(duì)新疆的水資源問(wèn)題，20 世紀(jì)90 年代末期以來(lái)，相繼開(kāi)工建設(shè)了一批長(zhǎng)距離輸水渠道工程和調(diào)節(jié)水庫(kù)。目前，新疆境內(nèi)已經(jīng)建設(shè)完成的長(zhǎng)距離輸水渠道工程超過(guò)1 000 km，極大緩解了水資源分布不均的矛盾[3-5]。

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施和“一帶一路”倡議的加速推進(jìn)，新疆迎來(lái)了發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的加速發(fā)展，使得水資源供需矛盾日益突出，成為制約新疆發(fā)展的主要瓶頸之一。根據(jù)區(qū)域水資源及工程規(guī)劃，為保證受水區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有效解決水資源短缺問(wèn)題，快速提升新疆水資源的開(kāi)發(fā)利用，須有效實(shí)施現(xiàn)有渠道的升級(jí)改造，進(jìn)一步提高北疆供水工程的供輸水能力[6-7]，徹底解決困擾已建輸水渠道工程多年的渠道病害[8]，開(kāi)發(fā)行之有效的渠道升級(jí)改造施工的成套技術(shù)、設(shè)備和工法，實(shí)現(xiàn)渠道改造技術(shù)革新升級(jí)，更大程度地調(diào)配水資源。

1 工程概況

北疆長(zhǎng)距離供水工程位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，是一項(xiàng)從額爾齊斯河引水，旨在解決烏魯木齊經(jīng)濟(jì)區(qū)、天山東部礦區(qū)、北疆油田城市和工業(yè)用水，并兼顧沿線農(nóng)牧業(yè)和生態(tài)用水的跨流域調(diào)水工程。北疆供水工程升級(jí)改造工程事關(guān)工程安全、供水保證率、輸水效率提升，是北疆供水工程綜合效益持續(xù)發(fā)揮的保證。其中，北疆總干渠工程屬二等大（Ⅱ）型工程，全長(zhǎng)133.6 km，渠道縱坡1/10 000～1/12 500，渠道斷面型式有梯形、弧形底梯形和弧形坡腳梯形，渠底寬4 m，邊坡比1∶2。改擴(kuò)建工程主要針對(duì)總干渠和南干渠，其中總干渠設(shè)計(jì)年輸水量18.0 億m3，設(shè)計(jì)輸水流量120 m3/s；南干渠設(shè)計(jì)年輸水量9.6 億m3，設(shè)計(jì)輸水流量57.0 m3/s?？偢汕?000 年8 月建成通水，戈壁明渠2005 年9 月建成通水，均為季節(jié)性供水渠道，輸水期主要在每年4 至9 月中旬，維修期在每年9 月中旬至10 月底和次年的3 月。

2 渠道改擴(kuò)建施工難點(diǎn)

北疆供水工程在供輸水帶來(lái)巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，渠道自身也承受著病害老化和超設(shè)計(jì)供水的危機(jī)。由于北疆供水工程跨越距離長(zhǎng)，沿線地質(zhì)和氣候情況異常復(fù)雜，使得渠道從建設(shè)期開(kāi)始就經(jīng)歷著嚴(yán)峻考驗(yàn)。例如，總干渠沿線膨脹泥巖分布廣泛，邊坡失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象每年發(fā)生且愈演愈烈；渠道整體屬于高緯度、高寒地區(qū)，冬季極端氣溫可達(dá)?40 ℃，凍害嚴(yán)重；部分地區(qū)地下水為咸水，渠道鹽脹致使混凝土襯砌板剝蝕；由于土工膜破損、老化，膜后積水嚴(yán)重，停水期“水脹”引起的混凝土襯砌破壞普遍發(fā)生。總之，北疆供水工程渠道經(jīng)過(guò)十余年的運(yùn)行，滲漏、滑坡等各種問(wèn)題頻現(xiàn)，實(shí)施改擴(kuò)建工程要針對(duì)并克服以下主要難題。

（1）淺層膨脹性渠基土引起的渠道結(jié)構(gòu)破壞影響渠道長(zhǎng)期運(yùn)行安全。北疆供水工程運(yùn)行以來(lái)，工程總體狀況良好，但因受初期投資影響渠底未設(shè)縱橫向排水，此設(shè)計(jì)缺陷使渠水入滲渠道膜后水位得不到有效控制，渠床長(zhǎng)期處于高水位浸泡狀態(tài)，渠道通水期間，渠水入滲，渠道處于濕潤(rùn)狀態(tài)；停水期間，渠身內(nèi)的水回滲，渠道處于變干的非飽和狀態(tài)；而冬季氣溫降為負(fù)溫后，渠基土長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)；春天來(lái)臨，氣溫升高，渠基土處于融化狀態(tài)。因此，渠道每年經(jīng)歷了反復(fù)的“濕-干-凍-融”耦合作用，導(dǎo)致工程在運(yùn)行過(guò)程中部分渠段發(fā)生滑坡破壞，降低了輸水能力，影響了供水效益。北疆供水渠道所穿越地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，其中膨脹土渠段約占渠道總長(zhǎng)的1/3，加之凍脹現(xiàn)象，復(fù)雜地質(zhì)、氣候因素下的渠道邊坡失穩(wěn)與防控是一重要問(wèn)題[9]。蔡正銀等[10-13]的研究表明：“濕-干-凍-融”聯(lián)合作用加劇了膨脹性渠基的強(qiáng)度衰減和結(jié)構(gòu)損傷，在防滲層出現(xiàn)老化的前提下，北方高寒區(qū)季節(jié)性輸水渠道應(yīng)做好防滲，建立渠道滲漏水速排體系及時(shí)完成滲漏水抽排，減小“濕-干-凍-融”耦合邊界條件對(duì)膨脹土渠段渠堤穩(wěn)定性的影響。渠道在現(xiàn)有狀態(tài)下已經(jīng)運(yùn)行近20 年，趨向于平衡狀態(tài)，而渠道升級(jí)改造加高擴(kuò)建、渠道排水體系建設(shè)等必將打破這種平衡狀態(tài)，使渠道邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。傳統(tǒng)的縱向排水體系施工的開(kāi)挖與回填，均采用重型機(jī)械入渠操作，導(dǎo)致施工難度大、施工功效低、邊坡穩(wěn)定性差、集中荷載施壓下的縱向排水管安全性低等困難和潛在隱患。

（2）渠道改造施工工期短、強(qiáng)度大，依靠傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型施工管理模式及傳統(tǒng)的混凝土攤鋪、成型、制縫等設(shè)備及工藝，無(wú)法滿足要求。北疆供水工程處于高寒、干旱、多風(fēng)、干燥地區(qū)，每年的9 月底到次年的4 月共7 個(gè)月為停水期，加上受雨雪、寒冷天氣的影響，每年可施工天數(shù)只有約60 d，工期短、強(qiáng)度大、自然條件極其惡劣。傳統(tǒng)的渠道施工中除土石方開(kāi)挖和填筑采用了大型機(jī)械施工，后續(xù)的渠道襯砌護(hù)面、結(jié)構(gòu)縫施工等主要工序仍然以人工為主。近些年來(lái)，配套混凝土機(jī)械化襯砌，渠道混凝土結(jié)構(gòu)縫的分格、嵌縫施工技術(shù)通過(guò)實(shí)踐創(chuàng)新，研究出實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工需求的技術(shù)與設(shè)備，與工程施工具有一定的匹配性和實(shí)用性，且操作相對(duì)靈活。機(jī)械化施工較傳統(tǒng)施工在單位勞動(dòng)成本、勞動(dòng)力素質(zhì)要求、勞動(dòng)強(qiáng)度、施工速度、施工質(zhì)量、施工效率適用工程規(guī)模等方面優(yōu)勢(shì)顯著。目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備并不能滿足北疆供水工程渠道改造工程施工要求，相關(guān)的技術(shù)設(shè)備和施工工藝尚屬空白，如：國(guó)內(nèi)的渠道混凝土機(jī)械化襯砌施工中成型設(shè)備只涵蓋混凝土攤鋪襯砌機(jī)、提漿抹面機(jī)等設(shè)備，后續(xù)的收面壓光、切割伸縮縫、清縫、界面劑涂抹、填充閉孔泡沫板、填充密封膠等各道施工工序還需大量人工，未形成滿足機(jī)械化襯砌各道工序的成套技術(shù)與設(shè)備。因此，開(kāi)發(fā)適合現(xiàn)狀的輕型、快速改造施工的成套設(shè)備，建立標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的管理模式，是行業(yè)發(fā)展必需，也是工程按期完工、工程運(yùn)行安全、輸水能力提升的必需。

（3）新老防滲膜性質(zhì)的顯著差異造成搭接困難，傳統(tǒng)焊接工藝難以適用。目前的防滲體主要采用塑膜或復(fù)合土工膜，渠道建設(shè)中防滲膜的連接多采用焊接的方式，這種采用焊接機(jī)熱熔焊接方式適用范圍小，環(huán)境要求高，受溫度、濕度、塵土、基層面平整度、坡度等因素影響，焊接后存在燒洞、局部強(qiáng)度過(guò)低等情況。尤其是北疆供水工程經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，渠道中原先的防滲膜由于溫度變化、水體環(huán)境等因素的影響已老化變脆，傳統(tǒng)的熱熔焊接不能滿足防滲要求，迫切需要研發(fā)新舊防滲體一體化連接技術(shù)，以滿足已長(zhǎng)期服役而需要升級(jí)改造的大型供水渠道建設(shè)。

（4）常規(guī)的大開(kāi)挖法等軟管變形修復(fù)方式存在成本高、工期長(zhǎng)、穿孔多等缺陷。通過(guò)現(xiàn)有工程運(yùn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，橫排系統(tǒng)建成后受回填碾壓、土體的不均勻沉降等因素的影響，70%的橫排管發(fā)生變形、堵塞，無(wú)法正常導(dǎo)排渠底膜后積水。需要研發(fā)新的更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的裝備及方法，通過(guò)對(duì)軟管變形、堵塞位置進(jìn)行物理處理，即可使軟管道給排水正常。

3 關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備的研究與應(yīng)用

為解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)渠道改擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)合理化、全過(guò)程機(jī)械化、人工投入最小化、效率效益最大化，北疆供水工程從“高質(zhì)高效高適應(yīng)的高匹配性”的需要出發(fā)，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)及設(shè)備的基礎(chǔ)上，積極開(kāi)展技術(shù)創(chuàng)新，成套設(shè)備的研發(fā)和組合，成功研發(fā)了渠道土方開(kāi)挖外運(yùn)的翻斗提升車(chē)，墊層砂礫料、反濾料填筑布料機(jī)；混凝土襯砌的半坡攤鋪機(jī)、多功能混凝土制縫機(jī)、多功能混凝土成型機(jī)。提出了渠道縱橫向排水、集水井開(kāi)挖、新舊膜焊接、渠道縱橫排深埋管堵塞疏通等施工工法。通過(guò)戈壁明渠試驗(yàn)段施工實(shí)踐和反復(fù)糾偏，完成了混凝土機(jī)械化襯砌設(shè)備的創(chuàng)新應(yīng)用，其原理和功能性檢測(cè)、設(shè)備優(yōu)化組合配套、渠道適應(yīng)性檢測(cè)、功效定額檢測(cè)等均滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地需求（表1）。

表1 混凝土機(jī)械化襯砌設(shè)備的應(yīng)用可行性檢測(cè)Tab.1 Application test of mechanized concrete lining equipment

3.1 多功能混凝土制縫機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

2012 年，北疆XSDY 渠道在新疆地區(qū)率先采用機(jī)械化襯砌渠道，但在襯砌混凝土分縫方面，施工初期依然采用的是手扶式路面切割機(jī)切割，由于其工作效率低、切刀易傷防滲膜、美觀效果差、環(huán)境污染大、費(fèi)時(shí)費(fèi)工等不足不能滿足施工需求，對(duì)此專(zhuān)門(mén)研制了混凝土聯(lián)合切縫機(jī)和混凝土水平切縫機(jī)，雖然其切縫的外觀質(zhì)量、切縫速度改進(jìn)了，但后期的清縫、埋設(shè)閉孔板、灌膠等工序還需投入大量人工成本。2014 年，借鑒機(jī)械襯砌混凝土的工作原理，通過(guò)對(duì)襯砌混凝土的級(jí)配、坍落度、攤鋪厚度及分縫阻力、擊振力等方面的綜合研究，設(shè)計(jì)了一款在混凝土攤鋪完成后同步完成混凝土的振搗分縫、制縫的機(jī)械，工作原理就是根據(jù)混凝土的縫寬研制出類(lèi)似冰刀的工具將剛攤鋪完的混凝土強(qiáng)行分開(kāi)，同時(shí)將閉孔板、止水橡皮置入混凝土中。如橫向誘導(dǎo)分縫機(jī)械化施工，首先開(kāi)動(dòng)制縫機(jī)將誘導(dǎo)縫制縫總成與設(shè)計(jì)位置重合并制定定位；其次人工輔助將分縫材料從振動(dòng)刀架穿出并固定始端；開(kāi)啟振動(dòng)電機(jī)和升降控制裝置，誘導(dǎo)縫制縫總成振動(dòng)向下移動(dòng)刀架插入混凝土至規(guī)定深度；最后啟動(dòng)制縫車(chē)移動(dòng)，牽引制縫刀前行，隨著制縫刀在混凝土內(nèi)的滑動(dòng)，分縫材料從刀倉(cāng)內(nèi)伸出，一次性連續(xù)不斷地將分縫材料植入混凝土內(nèi)部，同時(shí)振動(dòng)平板將分縫材料兩側(cè)的混凝土進(jìn)行振搗、復(fù)位、密實(shí)。2017 年4 月設(shè)備功能得以全部實(shí)現(xiàn)，滿足工程各項(xiàng)施工指標(biāo)，同年推廣應(yīng)用于總干渠、戈壁明渠渠道升級(jí)改造工程實(shí)踐中，如圖1 所示。2018 年，將原混凝土制縫機(jī)中誘導(dǎo)縫機(jī)具調(diào)整安裝至混凝土滑模襯砌機(jī)機(jī)體上，此優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)縫與襯砌機(jī)的同步施工，大大提高了制縫機(jī)的功效，大幅度提升了工程質(zhì)量。通過(guò)嵌入式置縫機(jī)的發(fā)明，與混凝土攤鋪機(jī)、多功能混凝土表面成型機(jī)配套應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了混凝土在塑性階段，攤鋪振搗、提漿整平、分格、嵌縫、收光抹面、表面成型等各道工序45 min 內(nèi)一次性完成，真正意義上實(shí)現(xiàn)了渠道混凝土機(jī)械化襯砌的快速施工。

圖1 多功能混凝土制縫機(jī)Fig.1 Multifunctional concrete seaming machine

3.2 多功能混凝土表面成型機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

傳統(tǒng)的圓盤(pán)式、鏈?zhǔn)交炷帘砻媸展鈾C(jī)只適用平面混凝土，不能滿足弧形渠底渠道，同時(shí)圓盤(pán)式混凝土表面收光機(jī)通過(guò)與混凝土表面大面積接觸，擠壓旋轉(zhuǎn)式的收光抹面，對(duì)已成型的制縫易產(chǎn)生位移影響。針對(duì)此問(wèn)題，2016 年在研發(fā)制縫機(jī)的同時(shí)配套開(kāi)發(fā)了多功能混凝土表面成型機(jī)，將混凝土表面收機(jī)進(jìn)行了全面升級(jí)。

多功能混凝土表面成型機(jī)總成為圓柱形輥式結(jié)構(gòu)，在圓形滾筒上布設(shè)多把抹刀，抹刀振動(dòng)提漿抹面垂直作用混凝土表面，工作時(shí)與混凝土表面呈線性接觸，只產(chǎn)生表面成型，它對(duì)伸縮縫和誘導(dǎo)縫中已布置的閉孔塑料板不會(huì)產(chǎn)生位移影響。同時(shí)能夠?qū)ζ矫娴角孢^(guò)渡，甚至是長(zhǎng)曲面的混凝土結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)連續(xù)成型作業(yè)，而且對(duì)已經(jīng)置入混凝土中的結(jié)構(gòu)縫材料實(shí)施了保護(hù)和順直整形，如圖2 所示。

圖2 多功能混凝土表面成型機(jī)Fig.2 Multifunctional concrete surface molding machine

多功能混凝土表面成型機(jī)通過(guò)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，2017 年4 月設(shè)備功能得以全部實(shí)現(xiàn)，滿足工程各項(xiàng)施工指標(biāo)，同年推廣應(yīng)用于總干渠、戈壁明渠渠道升級(jí)改造工程實(shí)踐中。2018 年為提高施工成效又將成型機(jī)刀片厚度由0.9 mm 改為1.1 mm，滾筒寬度由原來(lái)的1.1 m 提升至1.6 m，此優(yōu)化大大提高了成型機(jī)的功效，增強(qiáng)了與襯砌機(jī)及制縫機(jī)的匹配度，同時(shí)混凝土表面鏡面效應(yīng)的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)前期的混凝土滑模襯砌機(jī)、多功能混凝土制縫機(jī)、多功能混凝土表面成型機(jī)等單體專(zhuān)用裝備的研發(fā)，加上后期設(shè)備集成的工程實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)混凝土在塑性階段快速制縫，快速成型，如圖3 所示。

圖3 機(jī)械化設(shè)備的工程應(yīng)用Fig.3 Application of mechanical equipment integration

3.3 新舊塑膜焊接的研發(fā)與應(yīng)用

渠道防滲體主要是塑?；驈?fù)合土工膜，經(jīng)過(guò)多年溫度、水體環(huán)境的耦合作用，造成防滲體滲漏，在渠道升級(jí)改造過(guò)程中，舊防滲體與新防滲體連接采用熱熔焊接時(shí)，由于膜的厚度、損壞程度不同，加上環(huán)境氣溫的影響，熱熔焊接容易產(chǎn)生未焊透或過(guò)焊缺陷，因此，熱熔機(jī)焊接僅僅適用于新膜之間的連接；為了避免缺陷的產(chǎn)生，結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，通過(guò)選擇萬(wàn)能膠、瀝青、KS 膠以及套筒4 種連接方式，進(jìn)行物理力學(xué)、滲透性能及長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)，選取最優(yōu)的新舊防滲體連接材料用于渠道升級(jí)改造，如圖4 所示。

圖4 原材料不同溫度拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率關(guān)系Fig.4 Curve of tensile strength and elongation of raw materials at different temperatures

KS 膠在接頭/接縫效應(yīng)、浸水試驗(yàn)、低溫彎折、滲透試驗(yàn)等試驗(yàn)的具體結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，接頭/接縫強(qiáng)度和接頭/接縫效應(yīng)均為KS 膠>萬(wàn)能膠>瀝青>管卷式，表明KS 膠的連接強(qiáng)度最高；低溫彎折試驗(yàn)，KS 膠無(wú)裂紋，瀝青碎裂，萬(wàn)能膠脫膠，說(shuō)明耐低溫性KS 膠優(yōu)于瀝青和萬(wàn)能膠；滲透試驗(yàn)中各種連接方式在1.0 MPa 下均不透水，但浸水試驗(yàn)，KS 膠完成，瀝青分離。綜上，KS 膠在接頭/接縫效應(yīng)、浸水試驗(yàn)、低溫彎折、滲透試驗(yàn)均較其他3 種材料優(yōu)異，適合工程應(yīng)用。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Summary of test results

同時(shí)經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，提出了在不同邊界條件下防滲塑膜連接的關(guān)鍵技術(shù)，能廣泛推廣應(yīng)用于不同領(lǐng)域、各種環(huán)境的防滲塑膜連接施工工程中。一是環(huán)境溫度5 ℃以上時(shí)，新膜與新膜之間采用焊膜機(jī)進(jìn)行施工，新舊防滲膜間采用KS 熱熔膠粘接技術(shù)。其施工對(duì)膜的要求不高，只要保持處理表面干燥，對(duì)膜厚、兩側(cè)膜的性能不要求一致，對(duì)膜的形狀也沒(méi)有要求，適合任意形狀拼接，粘接速度快，宜操作。同時(shí)經(jīng)實(shí)踐對(duì)比，采用常規(guī)熱熔機(jī)焊接，當(dāng)膜厚度較小或環(huán)境溫度變化時(shí)，易產(chǎn)生燒洞或粘結(jié)強(qiáng)度偏低，為解決傳統(tǒng)熱熔焊接工藝造成新舊膜焊接不牢、漏點(diǎn)多等問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)研發(fā)了防滲膜粘接壓膜裝置以加強(qiáng)粘接效果，采用該新裝置克服了溫度、環(huán)境、膜厚的影響，此外該設(shè)備具有施工速度快，適合任意形狀拼接，尤其適合新舊防滲體修補(bǔ)等特點(diǎn)。二是溫度5 ℃以下低溫狀態(tài)時(shí)，采用套管內(nèi)旋固膜關(guān)鍵技術(shù)將新舊膜連接在一起，借助內(nèi)管掛膜、外管固膜，通過(guò)兩管各自的可旋轉(zhuǎn)性，使新老膜緊密擠壓在一起，以提高防滲性能。這種旋轉(zhuǎn)擠壓方法對(duì)老膜無(wú)破損作用。同時(shí)為進(jìn)一步加強(qiáng)連接強(qiáng)度和防滲能力，可在套管內(nèi)注入防滲材料。

研發(fā)的新舊土工膜熱熔膠粘接+焊接技術(shù)在北疆供水工程加高工程中推廣應(yīng)用120 km，解決了渠道加高過(guò)程中新老土工膜搭接的技術(shù)難題，有效防止了因防滲膜搭接造成的滲漏問(wèn)題。

3.4 深埋軟管變形復(fù)位裝置的研發(fā)與應(yīng)用

北疆供水工程通過(guò)縱橫排體系排水暗管的有效運(yùn)行，將膜后水位控制在渠堤附近，使渠床基礎(chǔ)始終處于干燥狀態(tài)，有效減少滑坡破壞、停水期揚(yáng)壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)破壞及凍脹破壞的發(fā)生。根據(jù)渠道實(shí)際情況按500～800 m 設(shè)置一處橫向排水系統(tǒng)，僅總干渠沿線設(shè)置橫向排水系統(tǒng)61 處，運(yùn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，橫排系統(tǒng)建成后受回填碾壓、土體的不均勻沉降等因素的影響，70%的橫排管發(fā)生變形、堵塞，無(wú)法正常導(dǎo)排渠底膜后積水。常用的修復(fù)方法，主要是大開(kāi)挖法和管壁內(nèi)腔修復(fù)法，具體操作方法和優(yōu)缺點(diǎn)如表3 所示。

表3 傳統(tǒng)修復(fù)方法的操作流程和缺點(diǎn)Tab.3 Operation process and disadvantages of traditional repair methods

為解決傳統(tǒng)處理方法的缺點(diǎn)，深埋軟管變形復(fù)位裝置應(yīng)運(yùn)而生，為工程改造提供了一種深埋地下塑料管變形復(fù)位裝置，通過(guò)牽引鋼絲將不同直徑的仿錐型木球串聯(lián)起來(lái)，來(lái)回拉動(dòng)將排水管壓陷區(qū)變形處進(jìn)行擴(kuò)腔整形修復(fù)，同時(shí)同步跟進(jìn)鋼管片等硬支架予以加固，如圖5 所示。這種對(duì)塑料管變形、堵塞位置進(jìn)行的物理處理，投資少、易操作、整形復(fù)位快，從而提高了工程質(zhì)量，改善工作環(huán)境，杜絕安全隱患的發(fā)生，對(duì)類(lèi)似工程塑料管修復(fù)領(lǐng)域具有廣泛的適用性。

圖5 深埋地下塑料管變形復(fù)位裝置Fig.5 Deformation reset device of deeply buried plastic pipe

4 工程應(yīng)用效果

北疆長(zhǎng)距離大型輸水渠道改擴(kuò)建項(xiàng)目將技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備優(yōu)化和工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)翻斗提升車(chē)、墊層砂礫料和反濾料填筑布料機(jī)、混凝土襯砌的半坡攤鋪機(jī)、多功能混凝土制縫機(jī)、多功能混凝土成型機(jī)等成套設(shè)備的研發(fā)組合，渠道縱橫向排水、新舊膜焊接、渠道縱橫排深埋管堵塞疏通等技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使得工序簡(jiǎn)化、工效增強(qiáng)、工藝提升，降低成本、節(jié)能環(huán)保。利用新一代的混凝土機(jī)械化襯砌設(shè)備和工藝，在保證質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目進(jìn)度的顯著提升。原北疆供水工程同等規(guī)模的渠道工程建設(shè)需要7 000～8 000 人，現(xiàn)在由系列機(jī)械化組合配套施工僅需200～300 人。

渠道改擴(kuò)建施工工法及技術(shù)裝備的成功應(yīng)用，保障了北疆供水工程累計(jì)195.6 km 渠道改造得以順利推進(jìn)，僅2017—2018 年在渠道停供水間歇，在有效工期只有100 d 左右的時(shí)間內(nèi)，累計(jì)完成60 km 的渠道升級(jí)改造，這是傳統(tǒng)工藝設(shè)備難以企及的目標(biāo)。

深埋軟管變形復(fù)位裝置與傳統(tǒng)大開(kāi)挖工藝對(duì)比，經(jīng)測(cè)算每處軟管變形復(fù)位可節(jié)省費(fèi)用約15.0 萬(wàn)元，僅總干渠段就節(jié)約資金1 000 多萬(wàn)元。機(jī)械化襯砌與傳統(tǒng)襯砌工藝對(duì)比，依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行定額和機(jī)城化項(xiàng)目產(chǎn)量定額計(jì)價(jià)辦法，通過(guò)對(duì)總干渠、南干渠改擴(kuò)建投資測(cè)算比較，傳統(tǒng)工藝（不含橫向排水）每千米渠道平均投資269 萬(wàn)元，機(jī)械化襯砌（不含橫向排水）每千米渠道平均投資224 萬(wàn)元，每千米節(jié)約投資45 萬(wàn)元，同時(shí)降低勞力投入80%，累計(jì)降低成本20%，工程進(jìn)度提速400%。

5 結(jié)語(yǔ)

北疆長(zhǎng)距離輸水渠道改擴(kuò)建工程，工期緊，任務(wù)重，針對(duì)工程中的諸多技術(shù)難題，研發(fā)了多功能混凝土制縫機(jī)、表面成型機(jī)等渠道一體化施工設(shè)備，極大提升了工程施工效率、確保了工程質(zhì)量，大幅縮減了人工。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)示范開(kāi)發(fā)了KS 熱熔膠粘接和套管內(nèi)旋固膜技術(shù)，保障了新老防滲膜的高效連接。研發(fā)了深埋地下軟管的變形復(fù)位裝置，通過(guò)該裝置可以無(wú)創(chuàng)傷地將渠基排水體的淤堵進(jìn)行快速疏通，避免了大開(kāi)挖，為渠道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了支撐。上述成套新設(shè)備和系列新技術(shù)在北疆供水改擴(kuò)建工程中得到大規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，確保了北疆供水工程的供水效率和工程安全，對(duì)于國(guó)內(nèi)類(lèi)似大型輸水渠道的改擴(kuò)建工程具有重要參考指導(dǎo)價(jià)值。