大型输水渠道改扩建关键技术及设备的研发与应用

陈勃文，黄英豪

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

新疆地处欧亚大陆腹地，属于典型的干旱、半干旱地区，降雨稀少，蒸发强烈，存在严重的资源性缺水问题。同时，新疆水资源时空分布极其不均衡，具有春旱、夏洪、秋缺、冬枯的特点，西部、北部地区水资源相对丰富，南部地区水资源相对稀少。特别是一些大城市，像克拉玛依、乌鲁木齐等地水资源非常紧张，制约了当地工农业生产，影响了人民的生活水平[1-2]。针对新疆的水资源问题，20 世纪90 年代末期以来，相继开工建设了一批长距离输水渠道工程和调节水库。目前，新疆境内已经建设完成的长距离输水渠道工程超过1 000 km，极大缓解了水资源分布不均的矛盾[3-5]。

随着我国西部大开发战略的深入实施和“一带一路”倡议的加速推进，新疆迎来了发展的战略机遇期，经济社会的加速发展，使得水资源供需矛盾日益突出，成为制约新疆发展的主要瓶颈之一。根据区域水资源及工程规划，为保证受水区社会、经济的可持续发展，有效解决水资源短缺问题，快速提升新疆水资源的开发利用，须有效实施现有渠道的升级改造，进一步提高北疆供水工程的供输水能力[6-7]，彻底解决困扰已建输水渠道工程多年的渠道病害[8]，开发行之有效的渠道升级改造施工的成套技术、设备和工法，实现渠道改造技术革新升级，更大程度地调配水资源。

1 工程概况

北疆长距离供水工程位于新疆维吾尔自治区北部，是一项从额尔齐斯河引水，旨在解决乌鲁木齐经济区、天山东部矿区、北疆油田城市和工业用水，并兼顾沿线农牧业和生态用水的跨流域调水工程。北疆供水工程升级改造工程事关工程安全、供水保证率、输水效率提升，是北疆供水工程综合效益持续发挥的保证。其中，北疆总干渠工程属二等大（Ⅱ）型工程，全长133.6 km，渠道纵坡1/10 000～1/12 500，渠道断面型式有梯形、弧形底梯形和弧形坡脚梯形，渠底宽4 m，边坡比1∶2。改扩建工程主要针对总干渠和南干渠，其中总干渠设计年输水量18.0 亿m3，设计输水流量120 m3/s；南干渠设计年输水量9.6 亿m3，设计输水流量57.0 m3/s。总干渠于2000 年8 月建成通水，戈壁明渠2005 年9 月建成通水，均为季节性供水渠道，输水期主要在每年4 至9 月中旬，维修期在每年9 月中旬至10 月底和次年的3 月。

2 渠道改扩建施工难点

北疆供水工程在供输水带来巨大社会经济效益的同时，渠道自身也承受着病害老化和超设计供水的危机。由于北疆供水工程跨越距离长，沿线地质和气候情况异常复杂，使得渠道从建设期开始就经历着严峻考验。例如，总干渠沿线膨胀泥岩分布广泛，边坡失稳滑塌现象每年发生且愈演愈烈；渠道整体属于高纬度、高寒地区，冬季极端气温可达−40 ℃，冻害严重；部分地区地下水为咸水，渠道盐胀致使混凝土衬砌板剥蚀；由于土工膜破损、老化，膜后积水严重，停水期“水胀”引起的混凝土衬砌破坏普遍发生。总之，北疆供水工程渠道经过十余年的运行，渗漏、滑坡等各种问题频现，实施改扩建工程要针对并克服以下主要难题。

（1）浅层膨胀性渠基土引起的渠道结构破坏影响渠道长期运行安全。北疆供水工程运行以来，工程总体状况良好，但因受初期投资影响渠底未设纵横向排水，此设计缺陷使渠水入渗渠道膜后水位得不到有效控制，渠床长期处于高水位浸泡状态，渠道通水期间，渠水入渗，渠道处于湿润状态；停水期间，渠身内的水回渗，渠道处于变干的非饱和状态；而冬季气温降为负温后，渠基土长期处于冻结状态；春天来临，气温升高，渠基土处于融化状态。因此，渠道每年经历了反复的“湿-干-冻-融”耦合作用，导致工程在运行过程中部分渠段发生滑坡破坏，降低了输水能力，影响了供水效益。北疆供水渠道所穿越地区地质条件复杂，其中膨胀土渠段约占渠道总长的1/3，加之冻胀现象，复杂地质、气候因素下的渠道边坡失稳与防控是一重要问题[9]。蔡正银等[10-13]的研究表明：“湿-干-冻-融”联合作用加剧了膨胀性渠基的强度衰减和结构损伤，在防渗层出现老化的前提下，北方高寒区季节性输水渠道应做好防渗，建立渠道渗漏水速排体系及时完成渗漏水抽排，减小“湿-干-冻-融”耦合边界条件对膨胀土渠段渠堤稳定性的影响。渠道在现有状态下已经运行近20 年，趋向于平衡状态，而渠道升级改造加高扩建、渠道排水体系建设等必将打破这种平衡状态，使渠道边坡产生失稳破坏。传统的纵向排水体系施工的开挖与回填，均采用重型机械入渠操作，导致施工难度大、施工功效低、边坡稳定性差、集中荷载施压下的纵向排水管安全性低等困难和潜在隐患。

（2）渠道改造施工工期短、强度大，依靠传统的劳动密集型施工管理模式及传统的混凝土摊铺、成型、制缝等设备及工艺，无法满足要求。北疆供水工程处于高寒、干旱、多风、干燥地区，每年的9 月底到次年的4 月共7 个月为停水期，加上受雨雪、寒冷天气的影响，每年可施工天数只有约60 d，工期短、强度大、自然条件极其恶劣。传统的渠道施工中除土石方开挖和填筑采用了大型机械施工，后续的渠道衬砌护面、结构缝施工等主要工序仍然以人工为主。近些年来，配套混凝土机械化衬砌，渠道混凝土结构缝的分格、嵌缝施工技术通过实践创新，研究出实现机械化施工需求的技术与设备，与工程施工具有一定的匹配性和实用性，且操作相对灵活。机械化施工较传统施工在单位劳动成本、劳动力素质要求、劳动强度、施工速度、施工质量、施工效率适用工程规模等方面优势显著。目前，国内外现有技术和设备并不能满足北疆供水工程渠道改造工程施工要求，相关的技术设备和施工工艺尚属空白，如：国内的渠道混凝土机械化衬砌施工中成型设备只涵盖混凝土摊铺衬砌机、提浆抹面机等设备，后续的收面压光、切割伸缩缝、清缝、界面剂涂抹、填充闭孔泡沫板、填充密封胶等各道施工工序还需大量人工，未形成满足机械化衬砌各道工序的成套技术与设备。因此，开发适合现状的轻型、快速改造施工的成套设备，建立标准化、精细化的管理模式，是行业发展必需，也是工程按期完工、工程运行安全、输水能力提升的必需。

（3）新老防渗膜性质的显著差异造成搭接困难，传统焊接工艺难以适用。目前的防渗体主要采用塑膜或复合土工膜，渠道建设中防渗膜的连接多采用焊接的方式，这种采用焊接机热熔焊接方式适用范围小，环境要求高，受温度、湿度、尘土、基层面平整度、坡度等因素影响，焊接后存在烧洞、局部强度过低等情况。尤其是北疆供水工程经过多年运行，渠道中原先的防渗膜由于温度变化、水体环境等因素的影响已老化变脆，传统的热熔焊接不能满足防渗要求，迫切需要研发新旧防渗体一体化连接技术，以满足已长期服役而需要升级改造的大型供水渠道建设。

（4）常规的大开挖法等软管变形修复方式存在成本高、工期长、穿孔多等缺陷。通过现有工程运行统计发现，横排系统建成后受回填碾压、土体的不均匀沉降等因素的影响，70%的横排管发生变形、堵塞，无法正常导排渠底膜后积水。需要研发新的更经济实用的装备及方法，通过对软管变形、堵塞位置进行物理处理，即可使软管道给排水正常。

3 关键技术及设备的研究与应用

为解决上述问题，实现渠道改扩建方案设计合理化、全过程机械化、人工投入最小化、效率效益最大化，北疆供水工程从“高质高效高适应的高匹配性”的需要出发，在国内外现有技术及设备的基础上，积极开展技术创新，成套设备的研发和组合，成功研发了渠道土方开挖外运的翻斗提升车，垫层砂砾料、反滤料填筑布料机；混凝土衬砌的半坡摊铺机、多功能混凝土制缝机、多功能混凝土成型机。提出了渠道纵横向排水、集水井开挖、新旧膜焊接、渠道纵横排深埋管堵塞疏通等施工工法。通过戈壁明渠试验段施工实践和反复纠偏，完成了混凝土机械化衬砌设备的创新应用，其原理和功能性检测、设备优化组合配套、渠道适应性检测、功效定额检测等均满足现场实地需求（表1）。

表1 混凝土机械化衬砌设备的应用可行性检测Tab.1 Application test of mechanized concrete lining equipment

3.1 多功能混凝土制缝机的研发与应用

2012 年，北疆XSDY 渠道在新疆地区率先采用机械化衬砌渠道，但在衬砌混凝土分缝方面，施工初期依然采用的是手扶式路面切割机切割，由于其工作效率低、切刀易伤防渗膜、美观效果差、环境污染大、费时费工等不足不能满足施工需求，对此专门研制了混凝土联合切缝机和混凝土水平切缝机，虽然其切缝的外观质量、切缝速度改进了，但后期的清缝、埋设闭孔板、灌胶等工序还需投入大量人工成本。2014 年，借鉴机械衬砌混凝土的工作原理，通过对衬砌混凝土的级配、坍落度、摊铺厚度及分缝阻力、击振力等方面的综合研究，设计了一款在混凝土摊铺完成后同步完成混凝土的振捣分缝、制缝的机械，工作原理就是根据混凝土的缝宽研制出类似冰刀的工具将刚摊铺完的混凝土强行分开，同时将闭孔板、止水橡皮置入混凝土中。如横向诱导分缝机械化施工，首先开动制缝机将诱导缝制缝总成与设计位置重合并制定定位；其次人工辅助将分缝材料从振动刀架穿出并固定始端；开启振动电机和升降控制装置，诱导缝制缝总成振动向下移动刀架插入混凝土至规定深度；最后启动制缝车移动，牵引制缝刀前行，随着制缝刀在混凝土内的滑动，分缝材料从刀仓内伸出，一次性连续不断地将分缝材料植入混凝土内部，同时振动平板将分缝材料两侧的混凝土进行振捣、复位、密实。2017 年4 月设备功能得以全部实现，满足工程各项施工指标，同年推广应用于总干渠、戈壁明渠渠道升级改造工程实践中，如图1 所示。2018 年，将原混凝土制缝机中诱导缝机具调整安装至混凝土滑模衬砌机机体上，此优化实现了诱导缝与衬砌机的同步施工，大大提高了制缝机的功效，大幅度提升了工程质量。通过嵌入式置缝机的发明，与混凝土摊铺机、多功能混凝土表面成型机配套应用，实现了混凝土在塑性阶段，摊铺振捣、提浆整平、分格、嵌缝、收光抹面、表面成型等各道工序45 min 内一次性完成，真正意义上实现了渠道混凝土机械化衬砌的快速施工。

图1 多功能混凝土制缝机Fig.1 Multifunctional concrete seaming machine

3.2 多功能混凝土表面成型机的研发与应用

传统的圆盘式、链式混凝土表面收光机只适用平面混凝土，不能满足弧形渠底渠道，同时圆盘式混凝土表面收光机通过与混凝土表面大面积接触，挤压旋转式的收光抹面，对已成型的制缝易产生位移影响。针对此问题，2016 年在研发制缝机的同时配套开发了多功能混凝土表面成型机，将混凝土表面收机进行了全面升级。

多功能混凝土表面成型机总成为圆柱形辊式结构，在圆形滚筒上布设多把抹刀，抹刀振动提浆抹面垂直作用混凝土表面，工作时与混凝土表面呈线性接触，只产生表面成型，它对伸缩缝和诱导缝中已布置的闭孔塑料板不会产生位移影响。同时能够对平面到曲面过渡，甚至是长曲面的混凝土结构表面实现连续成型作业，而且对已经置入混凝土中的结构缝材料实施了保护和顺直整形，如图2 所示。

图2 多功能混凝土表面成型机Fig.2 Multifunctional concrete surface molding machine

多功能混凝土表面成型机通过反复的现场试验，2017 年4 月设备功能得以全部实现，满足工程各项施工指标，同年推广应用于总干渠、戈壁明渠渠道升级改造工程实践中。2018 年为提高施工成效又将成型机刀片厚度由0.9 mm 改为1.1 mm，滚筒宽度由原来的1.1 m 提升至1.6 m，此优化大大提高了成型机的功效，增强了与衬砌机及制缝机的匹配度，同时混凝土表面镜面效应的目标得以实现。通过前期的混凝土滑模衬砌机、多功能混凝土制缝机、多功能混凝土表面成型机等单体专用装备的研发，加上后期设备集成的工程实践，实现混凝土在塑性阶段快速制缝，快速成型，如图3 所示。

图3 机械化设备的工程应用Fig.3 Application of mechanical equipment integration

3.3 新旧塑膜焊接的研发与应用

渠道防渗体主要是塑模或复合土工膜，经过多年温度、水体环境的耦合作用，造成防渗体渗漏，在渠道升级改造过程中，旧防渗体与新防渗体连接采用热熔焊接时，由于膜的厚度、损坏程度不同，加上环境气温的影响，热熔焊接容易产生未焊透或过焊缺陷，因此，热熔机焊接仅仅适用于新膜之间的连接；为了避免缺陷的产生，结合工程应用实际，通过选择万能胶、沥青、KS 胶以及套筒4 种连接方式，进行物理力学、渗透性能及长期耐久性试验，选取最优的新旧防渗体连接材料用于渠道升级改造，如图4 所示。

图4 原材料不同温度拉伸强度、伸长率关系Fig.4 Curve of tensile strength and elongation of raw materials at different temperatures

KS 胶在接头/接缝效应、浸水试验、低温弯折、渗透试验等试验的具体结果如表2 所示。可以看出，接头/接缝强度和接头/接缝效应均为KS 胶>万能胶>沥青>管卷式，表明KS 胶的连接强度最高；低温弯折试验，KS 胶无裂纹，沥青碎裂，万能胶脱胶，说明耐低温性KS 胶优于沥青和万能胶；渗透试验中各种连接方式在1.0 MPa 下均不透水，但浸水试验，KS 胶完成，沥青分离。综上，KS 胶在接头/接缝效应、浸水试验、低温弯折、渗透试验均较其他3 种材料优异，适合工程应用。

表2 试验结果汇总Tab.2 Summary of test results

同时经过工程实践，提出了在不同边界条件下防渗塑膜连接的关键技术，能广泛推广应用于不同领域、各种环境的防渗塑膜连接施工工程中。一是环境温度5 ℃以上时，新膜与新膜之间采用焊膜机进行施工，新旧防渗膜间采用KS 热熔胶粘接技术。其施工对膜的要求不高，只要保持处理表面干燥，对膜厚、两侧膜的性能不要求一致，对膜的形状也没有要求，适合任意形状拼接，粘接速度快，宜操作。同时经实践对比，采用常规热熔机焊接，当膜厚度较小或环境温度变化时，易产生烧洞或粘结强度偏低，为解决传统热熔焊接工艺造成新旧膜焊接不牢、漏点多等问题，专门研发了防渗膜粘接压膜装置以加强粘接效果，采用该新装置克服了温度、环境、膜厚的影响，此外该设备具有施工速度快，适合任意形状拼接，尤其适合新旧防渗体修补等特点。二是温度5 ℃以下低温状态时，采用套管内旋固膜关键技术将新旧膜连接在一起，借助内管挂膜、外管固膜，通过两管各自的可旋转性，使新老膜紧密挤压在一起，以提高防渗性能。这种旋转挤压方法对老膜无破损作用。同时为进一步加强连接强度和防渗能力，可在套管内注入防渗材料。

研发的新旧土工膜热熔胶粘接+焊接技术在北疆供水工程加高工程中推广应用120 km，解决了渠道加高过程中新老土工膜搭接的技术难题，有效防止了因防渗膜搭接造成的渗漏问题。

3.4 深埋软管变形复位装置的研发与应用

北疆供水工程通过纵横排体系排水暗管的有效运行，将膜后水位控制在渠堤附近，使渠床基础始终处于干燥状态，有效减少滑坡破坏、停水期扬压力对衬砌结构破坏及冻胀破坏的发生。根据渠道实际情况按500～800 m 设置一处横向排水系统，仅总干渠沿线设置横向排水系统61 处，运行统计发现，横排系统建成后受回填碾压、土体的不均匀沉降等因素的影响，70%的横排管发生变形、堵塞，无法正常导排渠底膜后积水。常用的修复方法，主要是大开挖法和管壁内腔修复法，具体操作方法和优缺点如表3 所示。

表3 传统修复方法的操作流程和缺点Tab.3 Operation process and disadvantages of traditional repair methods

为解决传统处理方法的缺点，深埋软管变形复位装置应运而生，为工程改造提供了一种深埋地下塑料管变形复位装置，通过牵引钢丝将不同直径的仿锥型木球串联起来，来回拉动将排水管压陷区变形处进行扩腔整形修复，同时同步跟进钢管片等硬支架予以加固，如图5 所示。这种对塑料管变形、堵塞位置进行的物理处理，投资少、易操作、整形复位快，从而提高了工程质量，改善工作环境，杜绝安全隐患的发生，对类似工程塑料管修复领域具有广泛的适用性。

图5 深埋地下塑料管变形复位装置Fig.5 Deformation reset device of deeply buried plastic pipe

4 工程应用效果

北疆长距离大型输水渠道改扩建项目将技术创新、设备优化和工程实践有机结合起来，通过翻斗提升车、垫层砂砾料和反滤料填筑布料机、混凝土衬砌的半坡摊铺机、多功能混凝土制缝机、多功能混凝土成型机等成套设备的研发组合，渠道纵横向排水、新旧膜焊接、渠道纵横排深埋管堵塞疏通等技术的创新应用，使得工序简化、工效增强、工艺提升，降低成本、节能环保。利用新一代的混凝土机械化衬砌设备和工艺，在保证质量的前提下，实现了项目进度的显著提升。原北疆供水工程同等规模的渠道工程建设需要7 000～8 000 人，现在由系列机械化组合配套施工仅需200～300 人。

渠道改扩建施工工法及技术装备的成功应用，保障了北疆供水工程累计195.6 km 渠道改造得以顺利推进，仅2017—2018 年在渠道停供水间歇，在有效工期只有100 d 左右的时间内，累计完成60 km 的渠道升级改造，这是传统工艺设备难以企及的目标。

深埋软管变形复位装置与传统大开挖工艺对比，经测算每处软管变形复位可节省费用约15.0 万元，仅总干渠段就节约资金1 000 多万元。机械化衬砌与传统衬砌工艺对比，依据国家现行定额和机城化项目产量定额计价办法，通过对总干渠、南干渠改扩建投资测算比较，传统工艺（不含横向排水）每千米渠道平均投资269 万元，机械化衬砌（不含横向排水）每千米渠道平均投资224 万元，每千米节约投资45 万元，同时降低劳力投入80%，累计降低成本20%，工程进度提速400%。

5 结语

北疆长距离输水渠道改扩建工程，工期紧，任务重，针对工程中的诸多技术难题，研发了多功能混凝土制缝机、表面成型机等渠道一体化施工设备，极大提升了工程施工效率、确保了工程质量，大幅缩减了人工。通过室内试验和现场示范开发了KS 热熔胶粘接和套管内旋固膜技术，保障了新老防渗膜的高效连接。研发了深埋地下软管的变形复位装置，通过该装置可以无创伤地将渠基排水体的淤堵进行快速疏通，避免了大开挖，为渠道的长期安全运行提供了支撑。上述成套新设备和系列新技术在北疆供水改扩建工程中得到大规模应用，产生了巨大的社会经济效益，确保了北疆供水工程的供水效率和工程安全，对于国内类似大型输水渠道的改扩建工程具有重要参考指导价值。