徐 毅，高士佩，趙 鋼，王茂枚，蔣寶華

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017；2.南通市清淤疏浚機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226404)

0 引 言

低壓管道輸水灌溉技術(shù)不僅節(jié)水、節(jié)能，與其他灌溉技術(shù)相比，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：可減少渠道占地，提高土地利用率；便于機(jī)耕和養(yǎng)護(hù)，耕作破壞和人為破壞大大減少；管道輸水速度明顯高于明渠，灌溉速度大大提高，可顯著提高灌水效率[1]。以管道代替明渠輸水，在灌區(qū)建立一個(gè)統(tǒng)一的輸配水管道網(wǎng)絡(luò)[2]，將是今后我國(guó)灌區(qū)進(jìn)行技術(shù)改造的一個(gè)方向性節(jié)水技術(shù)措施。

目前低壓管道輸水應(yīng)用的管材種類(lèi)很多，從材質(zhì)上分有地下瓦管、薄壁PVC管、預(yù)制混凝土管、現(xiàn)澆混凝土管等[3]。比較而言，現(xiàn)澆混凝土管的管道接頭少、整體性和穩(wěn)定性好、造價(jià)低、壽命長(zhǎng)、便于維護(hù)，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，其能否得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否具有技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、便于施工的管道現(xiàn)澆設(shè)備。在混凝土管道的現(xiàn)澆設(shè)備方面，美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)等國(guó)家技術(shù)較為先進(jìn)，先后研究出立式徑向擠壓法、立式振動(dòng)法等工法和氣囊振動(dòng)液壓成型等設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)建設(shè)、工礦企業(yè)建設(shè)及農(nóng)田水利建設(shè)中，取得了良好的效益[4]。我國(guó)在20世紀(jì)90年代先后引進(jìn)了上述工法和設(shè)備，并在大型長(zhǎng)距離鋼筋混凝土輸水暗渠工程中研制出了鋼模臺(tái)車(chē)等大型現(xiàn)澆設(shè)備[5]。但是這些工法、設(shè)備生產(chǎn)成本較高，目前主要應(yīng)用于工業(yè)、城建行業(yè)或是國(guó)家級(jí)大型重點(diǎn)工程，對(duì)于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱的廣大農(nóng)村地區(qū)并不具備大量推廣的條件。因地制宜地發(fā)展經(jīng)濟(jì)合理的現(xiàn)澆混凝土管道技術(shù)，才是符合我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)狀況的選擇。在這方面，我國(guó)一些地區(qū)在20世紀(jì)90年代分別研制出了針對(duì)農(nóng)業(yè)管道灌溉的現(xiàn)澆混凝土管道施工機(jī)具，例如河南許昌地區(qū)研制的WD-Ⅱ型制鋪機(jī)以及內(nèi)襯塑膜外包圬工材料管施工技術(shù)[6]，山東肥城地區(qū)研制的電動(dòng)滑模二次成型現(xiàn)澆管施工機(jī)具等，初步填補(bǔ)了我國(guó)在這一方面的施工技術(shù)空白，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)制管工藝過(guò)程[7]。但上述技術(shù)主要適用于內(nèi)徑400 mm及以下尺寸的小管徑管道澆筑，對(duì)于灌溉支渠、斗渠需要的大口徑管道澆筑則并不適用。

針對(duì)大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機(jī)具的研制需要，同時(shí)考慮機(jī)具的制造成本和施工效率，筆者單位在生產(chǎn)實(shí)踐中先后研制出牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具及在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具。

1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具

1.1 成管斷面設(shè)計(jì)

參照江蘇南通地區(qū)小型灌區(qū)支渠設(shè)計(jì)流量范圍1.0～1.5 m3/s、斗渠設(shè)計(jì)流量范圍0.5～1.0 m3/s，研制的大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機(jī)具滑模成管斷面面積在0.5～1.5 m2之間，根據(jù)不同灌溉要求采用不同的斷面規(guī)格?？紤]到本次研制的現(xiàn)澆暗渠機(jī)具澆筑的是素混凝土管道，管道結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，為提高管道的受力承載特性，將管道斷面形式由傳統(tǒng)的圓形改為豎橢圓形。管道設(shè)計(jì)成管參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 機(jī)具構(gòu)造

牽引滑模式大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機(jī)具由上半滑模、下半滑模和牽引裝置三大部分組成(圖1)，主要部件有：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)-成型導(dǎo)向段，用以控制管道成型的方向和內(nèi)模的位置；振動(dòng)部分-振實(shí)成型段，是安裝振動(dòng)器的模板，上半滑模是管道外模，下半滑模是管道內(nèi)模，尺寸形狀和需要澆筑的管道斷面相同；喂料機(jī)構(gòu)-包括漏斗和分料格板，將混凝土送至模具周緣部位；收面部分-抹光段，收抹成型的管道表面使之平滑，模具上設(shè)置的配重塊起到協(xié)助使?jié)仓幕炷帘砻鎵簩?shí)收平的作用；聯(lián)接部分-主機(jī)架，將上述各部分聯(lián)接為整體；牽引裝置-慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)或絞盤(pán)。

表1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)

1-下半滑模加料斗；2-下半滑模配重塊；3-下半滑模抹光段；4-下半滑模振實(shí)成型段；5-下半滑模成型導(dǎo)向段；6-上半滑模加料斗；7-上半滑模振動(dòng)器；8-上半滑模配重塊；9-上半滑模抹光段；10-上半滑模振實(shí)成型段；11-上半滑模成型導(dǎo)向段；12-輪軸；13-滾輪；14-槽鋼軌道；15-下半滑模振動(dòng)器；16-下半滑模內(nèi)模；17-下半滑模外擋板；18-下半管；19-上半管；20-氣囊；21-空氣；22-小跑車(chē)圖1 牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具構(gòu)造

1.3 機(jī)具工作原理

利用機(jī)具振實(shí)成型段的振動(dòng)，在機(jī)具行進(jìn)過(guò)程中對(duì)喂入的混凝土拌和物邊造型、邊振實(shí)。振實(shí)成型段上的振動(dòng)器根據(jù)機(jī)具行進(jìn)速度、混凝土振動(dòng)密實(shí)所必須的振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)力來(lái)配置，在構(gòu)造上能夠保證澆筑厚度的均一和避免機(jī)具的漂浮移位。使用時(shí)將機(jī)具安裝于開(kāi)挖好的暗渠基槽內(nèi)，將配制好的混凝土通過(guò)喂料機(jī)構(gòu)連續(xù)輸入機(jī)具滑模，通過(guò)振動(dòng)將混凝土振實(shí)成型為管道，通過(guò)牽引裝置連續(xù)前移機(jī)具，達(dá)到連續(xù)澆筑管道的目的。本機(jī)具澆筑暗渠管道是兩次成型，先澆筑下半管再澆筑上半管，從而形成混凝土管道暗渠。為了提高管道澆筑成型的質(zhì)量，特別是上半管的澆筑質(zhì)量，從受力角度考慮，先澆的下半管為成型管道的一大半，矢高約占全斷面的3/5，后澆的上半管占成型管道的一小半；待下半管混凝土經(jīng)初步凝固養(yǎng)護(hù)具備一定強(qiáng)度后，再澆筑上半管，上下半管澆筑面之間抹漿處理；為減少出現(xiàn)裂縫的可能，每隔20 m設(shè)一道寬約80 cm的微膨脹混凝土帶。

與施工機(jī)具配套的還有預(yù)先制作好的定型模具-拉模器。在管道澆筑前，開(kāi)挖好的施工基槽已通過(guò)拉模器預(yù)拉成型，其形狀尺寸與下半管的外表面一致。澆筑下半管時(shí)，施工基槽內(nèi)表面就起到了澆筑下半管的外模作用；而上半管則是采用氣囊內(nèi)模襯于上半滑模下方完成澆筑，并設(shè)有小跑車(chē)用于氣囊內(nèi)模的支托和前進(jìn)移位，見(jiàn)圖1。

1.4 其他技術(shù)參數(shù)

根據(jù)不同暗渠成管規(guī)格，對(duì)機(jī)具配用不同數(shù)量及功率的振動(dòng)器，以確保不同規(guī)格管道的混凝土密實(shí)度均能達(dá)到要求，見(jiàn)表1。

1.5 機(jī)具施工流程

1.5.1 基槽開(kāi)挖。

由于開(kāi)挖好的基槽面直接作為澆筑下半管的外模，因此對(duì)基槽開(kāi)挖的要求較高，具體要求是：渠線端直，斷面標(biāo)準(zhǔn)，誤差不超過(guò)0.5cm，嚴(yán)格防止超挖或欠挖。開(kāi)挖基槽的步驟一般分為取大土和修整土槽兩步。具體步驟如下：

(1)定好渠線中心樁，測(cè)量好高程，按暗渠尺寸灑好兩側(cè)灰線。

(2)先粗挖，取槽內(nèi)大土，將中心樁移到渠底，重新測(cè)量高程。

(3)修整土槽。該工序應(yīng)由具備一定操作技術(shù)的人員承擔(dān)。按標(biāo)準(zhǔn)斷面制作拉模器，在兩標(biāo)準(zhǔn)斷面間拉緊線繩水平移動(dòng)，邊移動(dòng)邊削取余土，沿線檢查基面是否合乎標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)修整，直至完全符合要求。

土槽開(kāi)好后，應(yīng)經(jīng)過(guò)檢查驗(yàn)收，方能進(jìn)行混凝土管道澆筑工序，檢查的內(nèi)容包括：渠底高程復(fù)測(cè)；不合格的應(yīng)即補(bǔ)修。超挖過(guò)大的，可用草泥補(bǔ)填。如遇軟基、坑穴、石塊等，必須挖除后回填優(yōu)質(zhì)土并夯實(shí)，確保渠槽光滑、規(guī)則后，再將拉模器向前拉動(dòng)，切削下塊渠槽。

1.5.2 管道澆筑

(1)管道要求采用C25混凝土澆筑，混凝土水灰比控制在0.55～0.6，坍落度6～8 cm。

(2)滑模吊入基槽就位，用水平尺和鉛垂線分別校正其水平度和垂直度；開(kāi)啟機(jī)具，將配制好的混凝土通過(guò)喂料機(jī)構(gòu)連續(xù)輸入下半滑模，通過(guò)振動(dòng)將混凝土振實(shí)成型為管道，通過(guò)牽引裝置連續(xù)前移機(jī)具，首先澆筑完成下半管。

(3)對(duì)澆筑完成的下半管進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，局部人工整修，同時(shí)氣囊內(nèi)模及小跑車(chē)就位。

(4)上半滑模就位，對(duì)上、下半管結(jié)合面抹漿，開(kāi)啟機(jī)具，連續(xù)澆筑完成上半管。

(5)上半管養(yǎng)護(hù)6～8 h，移除上半管氣囊內(nèi)模，暗渠管道澆筑完成。

1.5.3 土方回填

暗渠管道兩側(cè)同時(shí)回填土。填土應(yīng)分層夯實(shí)，每層填土厚度不超過(guò)30 cm，填土干密度不小于1 550 kg/m3。

2 自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具

2.1 滑模的改進(jìn)研究

在施工實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具存在兩處明顯的不足：一是機(jī)具的自動(dòng)化程度較低，機(jī)具在澆筑施工中必須通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)或絞盤(pán)等外部牽引或輔助驅(qū)動(dòng)裝置牽引行進(jìn)，操作不夠簡(jiǎn)便；二是在澆筑成管斷面規(guī)格100 cm×130 cm及以上的壁厚較大管道時(shí)，即使在表1技術(shù)參數(shù)中配用振動(dòng)器的基礎(chǔ)上再增加內(nèi)模表面的振動(dòng)器數(shù)量及功率，混凝土的振動(dòng)密實(shí)度已不能有效提高，管道取樣的最大密度值維持在2 320 kg/m3以下。因此，在對(duì)機(jī)具系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)，對(duì)原有的牽引滑模進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)：一是改進(jìn)機(jī)具的動(dòng)力裝置，在滑模上增加柴油發(fā)電機(jī)組和液壓電氣系統(tǒng)，使滑模自帶動(dòng)力系統(tǒng)、在施工中自行走，取消卷?yè)P(yáng)機(jī)或絞盤(pán)等外部牽引或輔助驅(qū)動(dòng)裝置，從而減少對(duì)外接動(dòng)力電源的依賴(lài)，提高機(jī)具本身操作的簡(jiǎn)便性；二是利用液壓系統(tǒng)操縱活塞擠壓模具內(nèi)的混凝土，通過(guò)澆筑成型過(guò)程中機(jī)具對(duì)管道混凝土擠壓程度的增加來(lái)提高混凝土澆筑的密實(shí)程度、進(jìn)而提高管道強(qiáng)度。通過(guò)上述兩點(diǎn)改進(jìn)綜合，形成自帶動(dòng)力系統(tǒng)、依靠反推力行進(jìn)的自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具。

2.2 改進(jìn)后的機(jī)具構(gòu)造

如圖2所示，改進(jìn)后的自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具主要由三大部分組成。

(1)柴油發(fā)電機(jī)組。主要由一臺(tái)S1105(11 kW)柴油機(jī)和一臺(tái)10 kW發(fā)電機(jī)組成。

( 2)液壓電氣系統(tǒng)。主要由一個(gè)液壓站(包括一臺(tái)4 kW電機(jī)和一個(gè)16 MPa齒輪泵，液壓閥、管路等)和一個(gè)電氣控制柜組成。

(3)成型模具，分上半和下半滑模。上、下半滑模外模、內(nèi)模、導(dǎo)向柱、活塞、振動(dòng)泵、油泵、加料斗等組成。

2.3 改進(jìn)后的機(jī)具工作原理

改進(jìn)后的自行走滑模式大口徑暗渠機(jī)具增加了柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)，形成自帶動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)電器柜、液壓站操縱油缸進(jìn)行工作。在暗渠管道的澆筑施工中，機(jī)具通過(guò)高壓油缸的往復(fù)行走帶動(dòng)活塞來(lái)增加對(duì)混凝土拌和物的擠壓程度，混凝土密實(shí)成型由原來(lái)僅依靠振動(dòng)密實(shí)變?yōu)閿D壓、振動(dòng)雙重作用密實(shí)；利用活塞擠壓混凝土形成的反力，實(shí)現(xiàn)機(jī)具在施工中的自行進(jìn)，操作的簡(jiǎn)易性和效率明顯提高。

1-柴油機(jī)；2-發(fā)電機(jī)；3-加料斗；4-液壓站；5-電氣柜；6-滑模外擋板；7-油缸；8-導(dǎo)柱；9-活塞；10-振動(dòng)器；11-上半滑模外模；12-下半滑模內(nèi)模圖2 自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具構(gòu)造

3 兩代機(jī)具的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3.1 技術(shù)指標(biāo)

(1)管道混凝土的密實(shí)度及強(qiáng)度。為分析機(jī)具改進(jìn)對(duì)管道混凝土密實(shí)成型效果的影響，分別選取由不同機(jī)具澆筑成型的暗渠管道并取樣，通過(guò)分析取樣的密度指標(biāo)來(lái)比較管道混凝土的密實(shí)度、通過(guò)回彈儀現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)強(qiáng)度來(lái)比較管道混凝土的抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 不同機(jī)具成型的管道混凝土參數(shù)

從表2可見(jiàn)，由于改進(jìn)后的自行走滑模式大口徑暗渠機(jī)具對(duì)混凝土密實(shí)成型由原來(lái)僅依靠振動(dòng)密實(shí)變?yōu)閿D壓、振動(dòng)雙重作用密實(shí)，由其澆筑成型的管道混凝土密度指標(biāo)平均提高了約5.4%、強(qiáng)度指標(biāo)平均提高了約9.7%，可見(jiàn)改進(jìn)后的機(jī)具成管質(zhì)量有明顯提高。

(2)機(jī)具的施工效率。施工應(yīng)用表明，牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具的平均澆筑速度在0.5 m/min左右，而自行走滑模式機(jī)具由于采用了液壓電氣系統(tǒng)，平均澆筑速度提高至0.6 m/min左右；同時(shí)，由于自行走滑模式暗渠機(jī)具取消卷?yè)P(yáng)機(jī)或絞盤(pán)等外部牽引及輔助驅(qū)動(dòng)裝置，節(jié)省了牽引裝置的移位調(diào)整時(shí)間，因此實(shí)際施工效率提高約25%。

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

以成管規(guī)格為70 cm×90 cm×8.5cm的機(jī)具為例，牽引滑模式機(jī)具的制造成本在4萬(wàn)元左右，自行走滑模式機(jī)具增加了柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、電器柜、液壓站等設(shè)施，制造成本增加約1.5萬(wàn)元，制造成本增加了約38%；自行走滑模式機(jī)具由于設(shè)備重量的增加，施工能耗增加了約10%。但總體上看，由于自行走滑模式機(jī)具的自動(dòng)化程度較高，可節(jié)省施工中的人力成本，同時(shí)成管質(zhì)量及施工效率均優(yōu)于牽引滑模式機(jī)具，因此其總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)于牽引滑模式機(jī)具。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)大口徑現(xiàn)澆暗渠的施工需要，研制了采用豎橢圓斷面形式的牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，形成自帶動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具，利用活塞擠壓混凝土形成的反力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)具在施工中的自行進(jìn)；混凝土密實(shí)成型由原來(lái)僅依靠振動(dòng)密實(shí)變?yōu)閿D壓、振動(dòng)雙重作用密實(shí)，提高了密實(shí)度和澆筑質(zhì)量。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)兩代機(jī)具的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較分析，改進(jìn)后的自行走滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具在技術(shù)指標(biāo)和總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上均優(yōu)于牽引滑模式大口徑暗渠施工機(jī)具。

本文提出的大口徑現(xiàn)澆暗渠施工機(jī)具仍然是管道兩次澆筑成型，如施工控制不當(dāng)，有可能造成管道特別是上、下半管接澆處的強(qiáng)度不均勻等問(wèn)題，此外機(jī)具的總體自動(dòng)化程度也偏低。將機(jī)具進(jìn)一步改進(jìn)為管道一次澆筑成型，并增加機(jī)具削土成槽功能及提高機(jī)具導(dǎo)向控制的精確性，將是今后主要研究的方向。

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