農(nóng)田排水暗管系統(tǒng)施工裝備技術(shù)與裝備研究

農(nóng)田排水暗管系統(tǒng)施工裝備技術(shù)與裝備研究

0暗管系統(tǒng)的試驗研究農(nóng)業(yè)排水具有防洪、蓄水和鹽分排放等功能。它不僅可以增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民，還可以保持土壤肥力，防止環(huán)境退化。近幾十年以來，暗管系統(tǒng)施工方法、材料、裝備等方面的理論、技術(shù)和應(yīng)用取得許多突破，推動了暗管排水事業(yè)的進步。暗管系統(tǒng)的實施從完全人工安裝、人工結(jié)合機械安裝，發(fā)展到全機械化安裝大量事實證明，在暗管排水理論日臻完善和成熟的今天，暗管系統(tǒng)應(yīng)用的成敗很大程度上取決于施工1基本施工流程暗管排水系統(tǒng)利用人為埋入地下的孔管排除田間土壤中的多余水分，從而達到控制地下水位、調(diào)節(jié)水鹽平衡、改善土壤理化性狀的目的，其工作原理與應(yīng)用效果如圖1所示暗管排水系統(tǒng)的實施分4個階段:項目論證、項目技術(shù)組織管理與施工、項目移交及運行與維護。其中施工分為8個基本步驟:(1)開工前準備材料和設(shè)備，施工人員就位和土地平整;(2)依據(jù)施工要求和現(xiàn)場條件進行開溝作業(yè);(3)開溝直線度和坡降控制;(4)若使用砂礫濾料，首先覆蓋底砂;(5)鋪設(shè)暗管(陶管、水泥管、波紋塑料管等);(6)若使用砂礫濾料，鋪管后裹砂;(7)回填與壓實;(8)現(xiàn)場清理。質(zhì)量檢查貫穿整個施工過程。安裝前檢查材料質(zhì)量和數(shù)量，放線抄平是否符合設(shè)計要求，裝備是否符合規(guī)范;安裝期間及時檢查暗管高程、坡降、水平直線度、管接頭質(zhì)量和濾料包裹情況等;回填前復(fù)核暗管安裝質(zhì)量;回填后檢查回填和壓實情況、檢查井和集水井掩埋及端管安裝質(zhì)量。圖2以網(wǎng)絡(luò)計劃圖的方式，展示了需要建設(shè)集水井的二級暗管排水系統(tǒng)施工流程。2機械施工法或物理法在暗管排水系統(tǒng)的施工中應(yīng)用適當暗管系統(tǒng)施工方法有3種，即人工施工法、人工結(jié)合機械施工法和全機械化施工法，它們代表了不同的技術(shù)發(fā)展階段，但其間既存在替代關(guān)系，也在不同條件下相互補充。人工施工法雖勞動強度大、工具簡陋、作業(yè)環(huán)境惡劣且效率低下，但仍在暗管埋深淺、面積小和機器難以施展的條件下應(yīng)用。如果試驗區(qū)施工面積小、大型專用裝備難以進入、購買裝備不劃算或無法就近租賃裝備，則宜采用人工結(jié)合機械施工法。而暗管系統(tǒng)大面積施工必須依靠專業(yè)團隊，采用機械化施工設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和降低施工成本。為保證施工過程中正常排水，防止管溝積水和泥漿影響高程和坡降控制、鋪管和裹砂質(zhì)量，施工必須從暗管下游向上游方向推進。多級暗管排水系統(tǒng)須首先建設(shè)集水井和排水泵站，待其投入使用后，再由下游向上游方向施工。鋪管時應(yīng)保證管道直線性，高程和坡降應(yīng)嚴格遵循設(shè)計要求，避免水平和垂直方向產(chǎn)生彎曲，降低排水阻力和淤積傾向，有利于系統(tǒng)運行和維護。安裝集水暗管時還應(yīng)采取必要的措施，防止漂管。2.1人工安裝質(zhì)量與工人技能的關(guān)系在暗管技術(shù)發(fā)展初期，普遍采用人工開溝和鋪管，為此開發(fā)的多種專用工具(圖3)沿用至今此外，人工安裝質(zhì)量完全取決于工人技能。雖理論上可能在大深度、高地下水位和不穩(wěn)定的土壤條件下作業(yè)，但鑒于施工安全、質(zhì)量和效率等問題，不做推薦。采用該方法施工時，一般要求暗管埋深<1m，地下水位較深，但在土壤穩(wěn)定且季節(jié)性地下水位低于暗管埋深等特定條件下，可適當增大埋深。2.2回填表面施工人工結(jié)合機械施工法采用挖掘機開溝，人工將暗管鋪入溝底(圖4)。開溝時將約35cm厚的表土層單獨放置，待鋪管后回填在表面，以利施工后作物生長。該方法優(yōu)點在于挖掘機非常普遍，缺點是只能借助水準儀控制高程，很難開出坡降均勻的溝底。即使一些挖掘機裝有激光系統(tǒng)，但仍無法連續(xù)調(diào)節(jié)開溝深度，坡降精度完全取決于操作技能。此外，該方法只能在溝中無水和土壤穩(wěn)定時使用，幾乎無法在不穩(wěn)定的土壤中作業(yè)，否則會危及工人安全。2.3機械化施工組織暗管排水技術(shù)大規(guī)模實施的根本出路在于機械化。自20世紀70年代塑料波紋管出現(xiàn)以后，機械化施工迅速發(fā)展機械化施工要求合理組織、調(diào)度施工人員與裝備，并及時有效地供應(yīng)管材、外包濾料及其他輔助材料，避免停工待料(停機可導(dǎo)致溝底坡降變化)，保證機器連續(xù)有效運行，進而保障作業(yè)質(zhì)量和效率，降低作業(yè)成本。2.3.1暗管施工建設(shè)田間準備是施工作業(yè)的基礎(chǔ)，包括:(1)設(shè)置作業(yè)基準，即按指定高程設(shè)置標樁，明確暗管的走向和埋深;(2)采用推土機或平地機平整道路，在水渠或排渠上建設(shè)臨時道路，清除障礙，保證機械作業(yè)精度和高效通行;(3)設(shè)置田間貯料場和宿營地，用于臨時存放管材、濾料、檢查井、工具和設(shè)備等。2.3.2杯形刀開溝機構(gòu)鋪管作業(yè)既可采用開溝鋪管機，也可采用無溝鋪管機，二者各具特色。(1)開溝鋪管機。現(xiàn)代開溝鋪管機(圖5a)普遍采用刀鏈式開溝機構(gòu)，并配以溝箱，一次完成開溝、鋪管和裹砂作業(yè)，最大作業(yè)速度可達2kmue4d4h，日平均鋪管約1.5～2.5km。開溝機構(gòu)需要通過起始槽入土，起始槽既可自身開掘，也可采用挖掘機挖掘。開溝機構(gòu)入土后，利用鏈條上安裝的杯形刀具，循環(huán)轉(zhuǎn)動切削土壤，并將土壤提升至地面，螺旋排土器向兩側(cè)推移土壤。杯形刀可根據(jù)開溝寬度和土壤性質(zhì)進行更換和配置。開溝機構(gòu)后部設(shè)置的溝箱，用于鋪設(shè)暗管、裹覆外包濾料和保持管溝穩(wěn)定。波紋管成盤供應(yīng)，既可事先展開后平鋪于地面，也可裝載在機器卷軸上，通過多個輥輪導(dǎo)入溝箱，由溝箱出口的壓輥將其抵于溝底。(2)無溝鋪管機。無溝鋪管機利用犁體劈裂、推移和抬升土壤，管道通過犁體后部或內(nèi)部的導(dǎo)管鋪設(shè)至掀起的土壤下。無溝鋪管機分為心土犁式(圖5b)和V形犁式(圖5c)。心土犁式結(jié)構(gòu)簡單，但作業(yè)深度超過臨界值后，會將深處的土壤壓實，降低土壤透水性，從而增加暗管進水阻力(3)開溝與無溝鋪管法的比較。無溝鋪管機結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、不易磨損，維護和保養(yǎng)費用低，也適宜在含有石子的土壤中作業(yè)。作業(yè)無需回填，后勤保障簡單，效率是開溝鋪管機的2～3倍開溝鋪管機與無溝鋪管機各有利弊。在地表附著力好、土壤透水性良好的條件下，鋪設(shè)埋深≤2m的小直徑塑料波紋管，宜用無溝鋪管機。由于無溝鋪管施工成本低，歐洲超過80%的暗管采用V形犁式無溝鋪管機鋪設(shè)，美國則廣泛采用結(jié)構(gòu)更加簡單的拖拉機牽引式心土犁鋪管。2.3.3轉(zhuǎn)運車及砂濾料的使用外包濾料具有穩(wěn)定管位、提高透水性、阻止土壤顆粒進入暗管3大功能，材料分為礦物材料(如級配砂礫)、有機材料(如椰絨)和合成材料(如土工布)砂礫外包濾料需要使用轉(zhuǎn)運車從貯料場送入鋪管機溝箱。轉(zhuǎn)運車料斗容量2～10m裝載機用于將堆放在田間貯料場的砂礫裝入轉(zhuǎn)運車。其容量越大，裝載速度越快，裝滿時間越短。裝載機時切勿將混有雜質(zhì)的砂礫濾料裝入轉(zhuǎn)運車，保證裝載機鏟斗始終高于原始地面，以免帶土。直接敷設(shè)砂礫濾料容易導(dǎo)致暗管錯位(圖7a)，溝箱中的砂礫料箱能夠使砂礫通過導(dǎo)管滑入管溝，保證濾料正確就位(圖7b)。無溝鋪管機受空間限制，砂礫濾料容易卡住，而且無法完全包裹暗管，故很少使用。2.3.4暗管安裝回填方法對系統(tǒng)的正常工作至關(guān)重要，應(yīng)嚴格避免土塊在管溝內(nèi)形成架空，致使泥漿直接流入暗管，損害外包濾料，甚至堵塞暗管。因此，回填一般分覆土、完全回填和壓實3個步驟完成。覆土是用鐵鍬或溝箱上的刮刀，小心地將溝頂表土刮落，將0.15～0.30m厚的原土覆蓋在暗管上部和周圍，迅速固定暗管，防止完全回填時錯位。完全回填既要充實又不過于致密，以免形成直通暗管的管涌?；靥詈髴?yīng)高于地表，以便補償土壤沉降?；靥钛b備形式多樣，既有帶推土鏟或平地鏟的拖拉機、平地機等裝備，也有中間帶有缺口的V形推土鏟(圖8a)、缺口圓盤耙(圖8b)等特制裝備。作業(yè)前必須合理設(shè)置刮鏟高度，不得觸及地表原土。作業(yè)時若同時回填管溝兩側(cè)的土壤，容易導(dǎo)致對沖，形成架空。對于干土回填，在暗管安裝后立即將堆放在管溝兩側(cè)的土壤先后兩次分別推入管溝，使土壤有時間在管溝內(nèi)沉降，避免架空。對于濕土回填，待挖出的土壤干燥數(shù)日，耙碎土塊后，將管溝一側(cè)土壤推入管溝，過幾天再將另一側(cè)土壤推入管溝。回填后駕駛拖拉機或其他裝備在管溝上方行駛，完成壓實，防止水流快速通過疏松的回填土壤，導(dǎo)致侵蝕。2.4安裝臨時暗管在暗管排水系統(tǒng)實施過程中，難免會遇到一些特殊的土壤條件，從而增加施工難度。對此，應(yīng)在標準施工方法的基礎(chǔ)上，采取特殊對策(1)在積水的田間安裝時，應(yīng)提前數(shù)日開挖淺溝，排除安裝路線上的地表積水，等候表土干燥后作業(yè)，以防作業(yè)時混有泥漿的地表水流入暗管，避免機器下陷或打滑。(2)在松軟地面條件下，應(yīng)減小開溝寬度和深度，盡量使用預(yù)包濾料，避免鋪管機后部對地面壓力過大造成塌陷。同時，相應(yīng)降低作業(yè)速度，避免開溝機構(gòu)發(fā)生大幅度俯仰而影響高程精度。(3)在地下水位較高的土壤中作業(yè)時，首先考慮在干燥和地下水位較低的季節(jié)施工。若地下水位常年較高，可先在大于設(shè)計埋深的土壤中鋪設(shè)較細的臨時暗管，降低地下水位后，再按照原方案施工。(4)在沒有黏結(jié)力、飽和時呈液態(tài)的不穩(wěn)定土或流砂中安裝時，需要提高開溝鋪管機速度，使用專門的管道喂入和裹砂機構(gòu)，在土壤變成液態(tài)或塌壁前，使暗管迅速正確就位，然后立即覆土。同時避免長時間停機造成沉降，導(dǎo)致高程失控。(5)在含有石子的土壤中作業(yè)時，建議采用更加耐磨的無溝鋪管機。若只有開溝鋪管機，可將杯形刀具更換為斗齒形刀具，并適當降低作業(yè)速度。3提前設(shè)置交通基準以服務(wù)于探索建立可維護性的生物基暗管安裝直線性、高程和坡降精度，事關(guān)系統(tǒng)的工作性能、工程壽命和可維護性，乃至系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。早期施工需提前設(shè)置參考基準(標樁或鋼絲等)，由駕駛員控制直線性、高程和坡降，作業(yè)速度慢、精度低。自動控制技術(shù)的應(yīng)用，從根本上解決了這些問題。3.1機器配置機載控制指鋪管機依據(jù)機載傳感器信號判斷自身狀態(tài)，自主做出相應(yīng)調(diào)整。3.1.1調(diào)整行駛泵批量機器左右行走馬達均裝有轉(zhuǎn)速傳感器，機載行走控制器通過計算轉(zhuǎn)速差，調(diào)整行走泵排量，從而消除速差，保證左右馬達轉(zhuǎn)速一致，實現(xiàn)直線行走，如圖9所示。此方法無需借助其他輔助設(shè)備，但未考慮馬達轉(zhuǎn)速與實際車速的偏差，故僅適用于土壤質(zhì)地均勻、附著條件良好的平整地表。3.1.2開溝機構(gòu)的垂直位置鋪管機在斜坡上作業(yè)時，必須保證開溝機構(gòu)始終處于垂直位置，否則將導(dǎo)致高程和坡降控制失準，而且開溝機構(gòu)還會承受機器自重導(dǎo)致的彎矩，造成損壞3.1.3繁起停，影響排水管及動力系統(tǒng)排水管安裝機器作業(yè)所需功率隨土壤條件、作業(yè)深度等變化。當輸出功率小于功率需求時，可導(dǎo)致發(fā)動機過載停機。機器頻繁起停，不但嚴重影響排水管埋深和坡降控制精度和作業(yè)效率，而且還會增加駕駛員的勞動強度，損害切削部件和動力系統(tǒng)。相反，如果輸出功率大于機器作業(yè)功率需求，則造成整機功率浪費。對此，功率自適應(yīng)控制系統(tǒng)可根據(jù)機器工況，自動“按需”動態(tài)分配開溝和行走功率，調(diào)節(jié)機器行走速度與開溝刀鏈切削速度，在高效利用機器輸出功率的同時，保證施工質(zhì)量和效率3.2標準控制高程基準在排水項目設(shè)計階段確定，是機器基于“設(shè)計坡降”控制排水管高程(埋深)的基礎(chǔ)。3.2.1高程誤差、誤差19世紀60年代，美國針對無溝鋪管機作業(yè)需要，開發(fā)了激光坡降控制系統(tǒng)，于1967年投入使用，現(xiàn)已成為鋪管機的標準配置激光控制雖技術(shù)成熟、使用方便和分辨率高，但激光信號容易受到樹木和建筑物等遮擋，而且受發(fā)射器有效工作半徑限制，在一條管溝施工過程中，有時需多次移動發(fā)射器，容易導(dǎo)致累計偏差，進而影響高程控制精度。同時，發(fā)射器架設(shè)在田間，易受強風(fēng)和施工機械引起的土壤振動的影響，導(dǎo)致機器隨信號變化發(fā)生強烈抖動，產(chǎn)生高程偏差。此外，激光信號還容易受雷達、高壓線路的磁場干擾，導(dǎo)致信號不穩(wěn)定。激光光束在霧霾天氣下會發(fā)生散射，陽光和高溫也可導(dǎo)致激光分辨率下降，致使有效工作半徑縮小。3.2.2鋪管機控制系統(tǒng)設(shè)計近年來，精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展推動了衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)的廣泛應(yīng)用。載波相位差分技術(shù)(RTK)采用流動站電臺同時接受基準站信號和衛(wèi)星信號，進行實時差分解算，將定位精度提高到2～3cm，完全滿足暗管排水系統(tǒng)施工要求，克服了激光系統(tǒng)存在的諸多缺點該系統(tǒng)用于行走直線性控制時，需采用雙RTK接收器獲取位置和航向信息。用于高程和坡降控制時，將接收機安裝在執(zhí)行機構(gòu)上獲取高程信息。機載控制器依據(jù)RTK系統(tǒng)獲取的信息，對鋪管機的行走和執(zhí)行機構(gòu)實施反饋控制。RTK系統(tǒng)多數(shù)情況下精度穩(wěn)定，性能與系統(tǒng)可見衛(wèi)星數(shù)量成正相關(guān)。但對流層、太陽活動等自然環(huán)境因素可導(dǎo)致信號延遲，影響定位精度。4農(nóng)田暗管施工技術(shù)研究我國鹽堿土地分布廣泛、類型多樣，自20世紀70年代開始從荷蘭引進暗管排水技術(shù)和裝備，但示范與應(yīng)用推廣工作斷斷續(xù)續(xù)，國產(chǎn)暗管安裝與維護裝備完全處于空白。近10年來，中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院采用數(shù)字化設(shè)計方法，集成開發(fā)了全液壓驅(qū)動、行走與轉(zhuǎn)向全電子控制、行走直線控制、功率自適應(yīng)控制、作業(yè)高程與排水坡降自動控制等技術(shù)，先后研制出1KPZ-250型開溝鋪管機(圖5a)、V形犁式無溝鋪管機(圖5c)等大型暗管施工裝備，整體作業(yè)質(zhì)量和效率均達到國際水平，但尚需開發(fā)大型集水井(施工前)水平降水專用開溝機、小型果園排水開溝鋪管機、表土剝離裝備、兼具碎土和順序回填功能的作業(yè)機具、智能化暗管檢測與沖洗設(shè)備，滿足我國暗管排水系統(tǒng)全流程、多場景施工需求農(nóng)田暗管排水項目一次性投入大，大規(guī)模推廣困難，必須積極探索新工法、新材料和新裝備，不斷降低工程造價。此外，全面開展精準農(nóng)業(yè)技術(shù)在暗管排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃、施工和運行與維護中的應(yīng)用及開發(fā)性研究，尤其是基于北斗的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)的研究，解決定線控制、溝底高程