农田排水暗管系统施工装备技术与装备研究

农田排水暗管系统施工装备技术与装备研究

0暗管系统的试验研究农业排水具有防洪、蓄水和盐分排放等功能。它不仅可以增加农业生产和农民，还可以保持土壤肥力，防止环境退化。近几十年以来，暗管系统施工方法、材料、装备等方面的理论、技术和应用取得许多突破，推动了暗管排水事业的进步。暗管系统的实施从完全人工安装、人工结合机械安装，发展到全机械化安装大量事实证明，在暗管排水理论日臻完善和成熟的今天，暗管系统应用的成败很大程度上取决于施工1基本施工流程暗管排水系统利用人为埋入地下的孔管排除田间土壤中的多余水分，从而达到控制地下水位、调节水盐平衡、改善土壤理化性状的目的，其工作原理与应用效果如图1所示暗管排水系统的实施分4个阶段:项目论证、项目技术组织管理与施工、项目移交及运行与维护。其中施工分为8个基本步骤:(1)开工前准备材料和设备，施工人员就位和土地平整;(2)依据施工要求和现场条件进行开沟作业;(3)开沟直线度和坡降控制;(4)若使用砂砾滤料，首先覆盖底砂;(5)铺设暗管(陶管、水泥管、波纹塑料管等);(6)若使用砂砾滤料，铺管后裹砂;(7)回填与压实;(8)现场清理。质量检查贯穿整个施工过程。安装前检查材料质量和数量，放线抄平是否符合设计要求，装备是否符合规范;安装期间及时检查暗管高程、坡降、水平直线度、管接头质量和滤料包裹情况等;回填前复核暗管安装质量;回填后检查回填和压实情况、检查井和集水井掩埋及端管安装质量。图2以网络计划图的方式，展示了需要建设集水井的二级暗管排水系统施工流程。2机械施工法或物理法在暗管排水系统的施工中应用适当暗管系统施工方法有3种，即人工施工法、人工结合机械施工法和全机械化施工法，它们代表了不同的技术发展阶段，但其间既存在替代关系，也在不同条件下相互补充。人工施工法虽劳动强度大、工具简陋、作业环境恶劣且效率低下，但仍在暗管埋深浅、面积小和机器难以施展的条件下应用。如果试验区施工面积小、大型专用装备难以进入、购买装备不划算或无法就近租赁装备，则宜采用人工结合机械施工法。而暗管系统大面积施工必须依靠专业团队，采用机械化施工设备，提高生产效率和降低施工成本。为保证施工过程中正常排水，防止管沟积水和泥浆影响高程和坡降控制、铺管和裹砂质量，施工必须从暗管下游向上游方向推进。多级暗管排水系统须首先建设集水井和排水泵站，待其投入使用后，再由下游向上游方向施工。铺管时应保证管道直线性，高程和坡降应严格遵循设计要求，避免水平和垂直方向产生弯曲，降低排水阻力和淤积倾向，有利于系统运行和维护。安装集水暗管时还应采取必要的措施，防止漂管。2.1人工安装质量与工人技能的关系在暗管技术发展初期，普遍采用人工开沟和铺管，为此开发的多种专用工具(图3)沿用至今此外，人工安装质量完全取决于工人技能。虽理论上可能在大深度、高地下水位和不稳定的土壤条件下作业，但鉴于施工安全、质量和效率等问题，不做推荐。采用该方法施工时，一般要求暗管埋深<1m，地下水位较深，但在土壤稳定且季节性地下水位低于暗管埋深等特定条件下，可适当增大埋深。2.2回填表面施工人工结合机械施工法采用挖掘机开沟，人工将暗管铺入沟底(图4)。开沟时将约35cm厚的表土层单独放置，待铺管后回填在表面，以利施工后作物生长。该方法优点在于挖掘机非常普遍，缺点是只能借助水准仪控制高程，很难开出坡降均匀的沟底。即使一些挖掘机装有激光系统，但仍无法连续调节开沟深度，坡降精度完全取决于操作技能。此外，该方法只能在沟中无水和土壤稳定时使用，几乎无法在不稳定的土壤中作业，否则会危及工人安全。2.3机械化施工组织暗管排水技术大规模实施的根本出路在于机械化。自20世纪70年代塑料波纹管出现以后，机械化施工迅速发展机械化施工要求合理组织、调度施工人员与装备，并及时有效地供应管材、外包滤料及其他辅助材料，避免停工待料(停机可导致沟底坡降变化)，保证机器连续有效运行，进而保障作业质量和效率，降低作业成本。2.3.1暗管施工建设田间准备是施工作业的基础，包括:(1)设置作业基准，即按指定高程设置标桩，明确暗管的走向和埋深;(2)采用推土机或平地机平整道路，在水渠或排渠上建设临时道路，清除障碍，保证机械作业精度和高效通行;(3)设置田间贮料场和宿营地，用于临时存放管材、滤料、检查井、工具和设备等。2.3.2杯形刀开沟机构铺管作业既可采用开沟铺管机，也可采用无沟铺管机，二者各具特色。(1)开沟铺管机。现代开沟铺管机(图5a)普遍采用刀链式开沟机构，并配以沟箱，一次完成开沟、铺管和裹砂作业，最大作业速度可达2kmue4d4h，日平均铺管约1.5～2.5km。开沟机构需要通过起始槽入土，起始槽既可自身开掘，也可采用挖掘机挖掘。开沟机构入土后，利用链条上安装的杯形刀具，循环转动切削土壤，并将土壤提升至地面，螺旋排土器向两侧推移土壤。杯形刀可根据开沟宽度和土壤性质进行更换和配置。开沟机构后部设置的沟箱，用于铺设暗管、裹覆外包滤料和保持管沟稳定。波纹管成盘供应，既可事先展开后平铺于地面，也可装载在机器卷轴上，通过多个辊轮导入沟箱，由沟箱出口的压辊将其抵于沟底。(2)无沟铺管机。无沟铺管机利用犁体劈裂、推移和抬升土壤，管道通过犁体后部或内部的导管铺设至掀起的土壤下。无沟铺管机分为心土犁式(图5b)和V形犁式(图5c)。心土犁式结构简单，但作业深度超过临界值后，会将深处的土壤压实，降低土壤透水性，从而增加暗管进水阻力(3)开沟与无沟铺管法的比较。无沟铺管机结构简单、易于制造、不易磨损，维护和保养费用低，也适宜在含有石子的土壤中作业。作业无需回填，后勤保障简单，效率是开沟铺管机的2～3倍开沟铺管机与无沟铺管机各有利弊。在地表附着力好、土壤透水性良好的条件下，铺设埋深≤2m的小直径塑料波纹管，宜用无沟铺管机。由于无沟铺管施工成本低，欧洲超过80%的暗管采用V形犁式无沟铺管机铺设，美国则广泛采用结构更加简单的拖拉机牵引式心土犁铺管。2.3.3转运车及砂滤料的使用外包滤料具有稳定管位、提高透水性、阻止土壤颗粒进入暗管3大功能，材料分为矿物材料(如级配砂砾)、有机材料(如椰绒)和合成材料(如土工布)砂砾外包滤料需要使用转运车从贮料场送入铺管机沟箱。转运车料斗容量2～10m装载机用于将堆放在田间贮料场的砂砾装入转运车。其容量越大，装载速度越快，装满时间越短。装载机时切勿将混有杂质的砂砾滤料装入转运车，保证装载机铲斗始终高于原始地面，以免带土。直接敷设砂砾滤料容易导致暗管错位(图7a)，沟箱中的砂砾料箱能够使砂砾通过导管滑入管沟，保证滤料正确就位(图7b)。无沟铺管机受空间限制，砂砾滤料容易卡住，而且无法完全包裹暗管，故很少使用。2.3.4暗管安装回填方法对系统的正常工作至关重要，应严格避免土块在管沟内形成架空，致使泥浆直接流入暗管，损害外包滤料，甚至堵塞暗管。因此，回填一般分覆土、完全回填和压实3个步骤完成。覆土是用铁锹或沟箱上的刮刀，小心地将沟顶表土刮落，将0.15～0.30m厚的原土覆盖在暗管上部和周围，迅速固定暗管，防止完全回填时错位。完全回填既要充实又不过于致密，以免形成直通暗管的管涌。回填后应高于地表，以便补偿土壤沉降。回填装备形式多样，既有带推土铲或平地铲的拖拉机、平地机等装备，也有中间带有缺口的V形推土铲(图8a)、缺口圆盘耙(图8b)等特制装备。作业前必须合理设置刮铲高度，不得触及地表原土。作业时若同时回填管沟两侧的土壤，容易导致对冲，形成架空。对于干土回填，在暗管安装后立即将堆放在管沟两侧的土壤先后两次分别推入管沟，使土壤有时间在管沟内沉降，避免架空。对于湿土回填，待挖出的土壤干燥数日，耙碎土块后，将管沟一侧土壤推入管沟，过几天再将另一侧土壤推入管沟。回填后驾驶拖拉机或其他装备在管沟上方行驶，完成压实，防止水流快速通过疏松的回填土壤，导致侵蚀。2.4安装临时暗管在暗管排水系统实施过程中，难免会遇到一些特殊的土壤条件，从而增加施工难度。对此，应在标准施工方法的基础上，采取特殊对策(1)在积水的田间安装时，应提前数日开挖浅沟，排除安装路线上的地表积水，等候表土干燥后作业，以防作业时混有泥浆的地表水流入暗管，避免机器下陷或打滑。(2)在松软地面条件下，应减小开沟宽度和深度，尽量使用预包滤料，避免铺管机后部对地面压力过大造成塌陷。同时，相应降低作业速度，避免开沟机构发生大幅度俯仰而影响高程精度。(3)在地下水位较高的土壤中作业时，首先考虑在干燥和地下水位较低的季节施工。若地下水位常年较高，可先在大于设计埋深的土壤中铺设较细的临时暗管，降低地下水位后，再按照原方案施工。(4)在没有黏结力、饱和时呈液态的不稳定土或流砂中安装时，需要提高开沟铺管机速度，使用专门的管道喂入和裹砂机构，在土壤变成液态或塌壁前，使暗管迅速正确就位，然后立即覆土。同时避免长时间停机造成沉降，导致高程失控。(5)在含有石子的土壤中作业时，建议采用更加耐磨的无沟铺管机。若只有开沟铺管机，可将杯形刀具更换为斗齿形刀具，并适当降低作业速度。3提前设置交通基准以服务于探索建立可维护性的生物基暗管安装直线性、高程和坡降精度，事关系统的工作性能、工程寿命和可维护性，乃至系统运行的经济效益。早期施工需提前设置参考基准(标桩或钢丝等)，由驾驶员控制直线性、高程和坡降，作业速度慢、精度低。自动控制技术的应用，从根本上解决了这些问题。3.1机器配置机载控制指铺管机依据机载传感器信号判断自身状态，自主做出相应调整。3.1.1调整行驶泵批量机器左右行走马达均装有转速传感器，机载行走控制器通过计算转速差，调整行走泵排量，从而消除速差，保证左右马达转速一致，实现直线行走，如图9所示。此方法无需借助其他辅助设备，但未考虑马达转速与实际车速的偏差，故仅适用于土壤质地均匀、附着条件良好的平整地表。3.1.2开沟机构的垂直位置铺管机在斜坡上作业时，必须保证开沟机构始终处于垂直位置，否则将导致高程和坡降控制失准，而且开沟机构还会承受机器自重导致的弯矩，造成损坏3.1.3繁起停，影响排水管及动力系统排水管安装机器作业所需功率随土壤条件、作业深度等变化。当输出功率小于功率需求时，可导致发动机过载停机。机器频繁起停，不但严重影响排水管埋深和坡降控制精度和作业效率，而且还会增加驾驶员的劳动强度，损害切削部件和动力系统。相反，如果输出功率大于机器作业功率需求，则造成整机功率浪费。对此，功率自适应控制系统可根据机器工况，自动“按需”动态分配开沟和行走功率，调节机器行走速度与开沟刀链切削速度，在高效利用机器输出功率的同时，保证施工质量和效率3.2标准控制高程基准在排水项目设计阶段确定，是机器基于“设计坡降”控制排水管高程(埋深)的基础。3.2.1高程误差、误差19世纪60年代，美国针对无沟铺管机作业需要，开发了激光坡降控制系统，于1967年投入使用，现已成为铺管机的标准配置激光控制虽技术成熟、使用方便和分辨率高，但激光信号容易受到树木和建筑物等遮挡，而且受发射器有效工作半径限制，在一条管沟施工过程中，有时需多次移动发射器，容易导致累计偏差，进而影响高程控制精度。同时，发射器架设在田间，易受强风和施工机械引起的土壤振动的影响，导致机器随信号变化发生强烈抖动，产生高程偏差。此外，激光信号还容易受雷达、高压线路的磁场干扰，导致信号不稳定。激光光束在雾霾天气下会发生散射，阳光和高温也可导致激光分辨率下降，致使有效工作半径缩小。3.2.2铺管机控制系统设计近年来，精准农业技术的发展推动了卫星定位与导航技术的广泛应用。载波相位差分技术(RTK)采用流动站电台同时接受基准站信号和卫星信号，进行实时差分解算，将定位精度提高到2～3cm，完全满足暗管排水系统施工要求，克服了激光系统存在的诸多缺点该系统用于行走直线性控制时，需采用双RTK接收器获取位置和航向信息。用于高程和坡降控制时，将接收机安装在执行机构上获取高程信息。机载控制器依据RTK系统获取的信息，对铺管机的行走和执行机构实施反馈控制。RTK系统多数情况下精度稳定，性能与系统可见卫星数量成正相关。但对流层、太阳活动等自然环境因素可导致信号延迟，影响定位精度。4农田暗管施工技术研究我国盐碱土地分布广泛、类型多样，自20世纪70年代开始从荷兰引进暗管排水技术和装备，但示范与应用推广工作断断续续，国产暗管安装与维护装备完全处于空白。近10年来，中国农业机械化科学研究院采用数字化设计方法，集成开发了全液压驱动、行走与转向全电子控制、行走直线控制、功率自适应控制、作业高程与排水坡降自动控制等技术，先后研制出1KPZ-250型开沟铺管机(图5a)、V形犁式无沟铺管机(图5c)等大型暗管施工装备，整体作业质量和效率均达到国际水平，但尚需开发大型集水井(施工前)水平降水专用开沟机、小型果园排水开沟铺管机、表土剥离装备、兼具碎土和顺序回填功能的作业机具、智能化暗管检测与冲洗设备，满足我国暗管排水系统全流程、多场景施工需求农田暗管排水项目一次性投入大，大规模推广困难，必须积极探索新工法、新材料和新装备，不断降低工程造价。此外，全面开展精准农业技术在暗管排水系统设计规划、施工和运行与维护中的应用及开发性研究，尤其是基于北斗的高精度卫星导航与定位技术的研究，解决定线控制、沟底高程