长距离输水渠道地下软管变形复位装置的应用

赵多明

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

新疆北疆某输水渠道断面形式为梯形，总干渠渠深7.5 m，渠坡1∶2，渠底宽度4 m。衬砌形式为全断面预制板结构，防渗体为0.6 mm厚PE土工膜。因受当时投资和工程建设水平的制约，仅在少部分重要高填方渠段设置了排水体系。渠道经过近二十年的运行，防渗膜的破损老化逐年加剧，防渗能力也呈现下降趋势，渗水量逐年加大且不能得到有效导排，长期浸泡渠基，导致渠堤滑坡、冻胀变形，此外，因膜后积水引起衬砌结构受扬压力破坏现象也是愈演愈烈，极大地影响了工程输水能力和效益的发挥。

随着国家一带一路战略实施，新疆经济得到了空前的发展，输水工程输水能力已不能满足社会经济发展需求，北疆供水工程升级改造势在必行。2015年输水工程升级改造项目开工建设，工程输水能力由68 m3/s提高到120 m3/s。同时进行渠底排水体系改造，主要包括两部分，一是渠道纵横向排水管，二是渠道外侧集水井。渠道纵向排水管采用一根直径200 mm软式透水管和直径200 mm的PE管，收集渠道的渗水，将渗水汇集到渠底中央的集水池内。然后通过两根直径180 mm 的PVC横向排水管，输送到渠道外侧的集水井中。集水井内安装水泵，实时控制排出渗水，从而形成完备可靠的渠道排水系统，但在运行中出现了深埋地下软管变形、堵塞的问题[1]。

2 新型深埋地下软管变形复位装置的研制和应用

大开挖法“外创手术”、变形补偿预防法、内镜修复法等施工方法，均不能满足深埋地下软管长久正常运行的要求。针对这种情况，本工程采用了一种新型深埋地下软管变形复位装置，通过旋进锥来回拉动将变形部位修复，最后加以固定，对软管变形、堵塞位置进行物理处理，使软管道给排水正常，从而提高工程质量，改善工作环境，杜绝安全隐患的发生。

2.1 装置的结构构造

这种新型深埋地下软管变形复位装置，包括旋进锥和牵拉杆，旋进锥包括前端旋进锥、中段圆柱和后端旋进锥，旋进锥中部设有牵拉杆，牵拉杆两端设有圆形挂环。旋进锥设有若干层，中段圆柱中部设有圆孔，每层的圆孔表面设有螺丝沉头孔，圆孔中安装螺丝。如图1所示。

图1 深埋地下软管变形复位装置构造及操作

2.2 装置的使用方法及施工工艺

(1)将穿线器与钢丝绳固定牢固，从深埋地下软管道的一端穿入，利用穿线器将引入的钢丝绳从管道另一端拉出来。

(2)钢丝绳紧密连接前端旋进锥一端的圆形挂环，后端旋进锥一端的圆形挂环紧密连接另外一根钢丝绳，钢丝绳连接管道两端的拉动机构。

(3)从管道两端来回拖拉钢丝绳，使深埋地下软管变形复位装置在变形处反复冲扩，旋进锥按照直径由小到大的顺序依次通过，从而达到软管道复位的目的。

(4)最后用1根钢丝绳将内衬钢管拖拽至变形位置。

2.3 理论分析

2.3.1 理想状态下的理论值计算

几处假设与简化：

(1)旋进锥横截面为标准椭圆，且长轴为短轴的两倍。短轴直径为D，则长轴直径为2D。

(2)旋进锥与PE排水管底部有接触,产生摩擦力;与侧壁无接触,不产生摩擦力。

(3)横向阻力F的作用点与土压力合力P的作用点相同，如图2所示。

图2 旋进锥受力过程

旋进锥前半部分在牵引力的作用下进入到压陷区，后半球由于压陷区已经被前半球顶起，所以不与排水管接触。因此，土压力p作用在旋进锥上的可能最大区域为前半球。前半球在垂直于土压力p方向上的面积投影即为半个椭圆，面积为S=πD2/4，因此，作用在旋进锥上的最大土压力合力P如式(1)：

(1)

椭圆的短轴(y轴)半径为D/2，根据旋进锥形状估算，椭圆长轴约为短轴的2倍，因此，长轴(x轴)半径为D，因此，椭圆的方程如式(2)：

(2)

土压力合力P的作用点为半个椭圆的质心，半个椭圆的质心位于半径的4/3π倍处，沿着x轴的半径为D，因此OB的长度如式(3)：

(3)

将式(3)代入式(2)可得式(4)：

AB=0.453D,tanθ=OB/AB=0.937

(4)

旋进锥在牵引过程中，主要受到4个力的作用，即牵引力T，下部摩擦力Fs，土压力合力P，以及在牵引过程中的横向阻力F。对O点求力矩见式(5)：

(5)

联立式(3)和式(5)可得，横向阻力F见式(6)：

(6)

在x轴方向，牵引力T与摩擦力Fs和横向阻力F保持平衡，即式(7)：

(7)

将tanθ=0.937代入到式(6)可得：

T=F+Fs=P(0.937+2.203μ)

(8)

根据《给水用聚乙烯(PE)管道系统 第2部分：管材》(GB/T 13663.2—2018)[2]，PE管(排水管)的静力摩擦系数为0.3，考虑到排水管的内部可能存在部分淤泥，增大了摩擦系数，因此，将摩擦系数μ放大到0.5。计算得到的理论牵引力T如表1 所示。其中，排水管最大埋深为11 m，上覆土层应力取为25 kPa/m，则11m埋深处的土压力为275 kPa。

2.3.2 操作过程中的实际值估算

计算示意图2做了很多假设和简化，实际上，在实际操作过程中，实际牵引力要大于理论牵引力，依据如下：

(1)排水管已经产生了压缩变形，因此，牵引力作用下旋进锥不仅要将上覆土层顶起，还应该包括促使排水管恢复原始形状的力。由于排水管是在土压力的作用下产生了压缩形变，因此，使得其恢复为原始形状的力至少要等于上覆土压力。因此，实际牵引力要在理论牵引力的基础上乘以2。

(2)牵引过程中钢丝与滑轮之间的摩擦力也很可观，应该计算到牵引力之中。一般而言，钢丝与滑轮之间的摩擦系数为0.1～0.3，此处取为最大值0.3，因此，实际牵引力要在理论牵引力基础上乘以一个放大系数1.3。

(3)综合(1)和(2)可得，实际牵引力至少要在理论牵引力的基础上乘以2.6的放大系数。计算值如表1所示。

表1 不同直径对应的牵引力

3 地下软管变形复位装置的优势

这种长距离大型输水渠道新型深埋地下软管变形复位装置，通过钢丝绳将旋进锥在变形处往返拖拽，使管道变形位置复位，再在复位位置安装内衬钢管，防止复位位置发生二次变形、堵塞，这种深埋地下软管变形复位装置的应用，对于提高给排水管道维修、疏通的施工质量有很重大的意义。通过钢丝绳拖拽软管变形复位装置往返在塑料软管变形处扩充，管道变形位置复位，形成第一道防线；再在复位位置安设内衬钢管，防止复位位置二次变形、堵塞形成第二道防线。彻底解决了软管道的变形、堵塞问题，优化了施工工艺技术，增强了软管变形处的抗变形能力，显著提高了塑料软管变形后复位的工程质量。

这种新型深埋地下软管变形复位装置的应用能够替代现有的修复装置及其施工工艺，新型变形复位装置不仅防变形效果好，而且节省了后期因再次变形带来的多次维修处理所产生的高额费用，显著降低了维修费用。同时，克服了常规施工工艺的种种缺陷，大大改善了施工进度，保障了管道的正常给排水，是一种节能环保的绿色工艺，符合当今社会倡导的科技发展方向和要求[3]。

4 效益分析和工程实例

4.1 传统工艺

深埋软管变形处采用大开挖更换需要土方约15 000 m3、一布一膜500 m2、膜下砂浆15 m3、预制板衬砌45 m3。费用合计为20.02万元。

4.2 新工艺

研制变形复位装置约4万元，一处深埋软管变形处人工费1万元。新工艺费用为5万元。

4.3 对比分析

新旧工艺对比，每处软管变形节省15.02万元。

截至目前，在新疆北疆某渠道共完成地下软管变形复位62处，制作变形复位装置5套，节约资金1221.24万元。

预计在后续的22处深埋软管变形复位中可节约2402.44万元。

这种新型深埋地下软管变形复位装置的应用能够替代现有的修复装置及其施工工艺，新型变形复位装置不仅防变形效果好，而且节省了后期因再次变形带来的多次维修处理所产生的高额费用，显著降低了维修费用。

5 结 语

这种新型深埋地下软管变形复位装置具有装拆简便，易操作，施工快捷等特点，施工工艺简单，使用周期短，维修费用低，无须任何机械，物理原理明确，易操作，无须人员培训，易于推广，有效解决了工程给排水施工领域急需解决的深埋地下管道变形、堵塞难题，具有显著的经济效益和社会效益。