農田排水暗管系統(tǒng)施工裝備技術與裝備研究

農田排水暗管系統(tǒng)施工裝備技術與裝備研究

0暗管系統(tǒng)的試驗研究農業(yè)排水具有防洪、蓄水和鹽分排放等功能。它不僅可以增加農業(yè)生產和農民，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、技術和應用取得許多突破，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、調節(jié)水鹽平衡、改善土壤理化性狀的目的，其工作原理與應用效果如圖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備，施工人員就位和土地平整;(2)依據施工要求和現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)現場清理。質量檢查貫穿整個施工過程。安裝前檢查材料質量和數量，放線抄平是否符合設計要求，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、管接頭質量和濾料包裹情況等;回填前復核暗管安裝質量;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量。圖2以網絡計劃圖的方式，展示了需要建設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)的施工中應用適當暗管系統(tǒng)施工方法有3種，即人工施工法、人工結合機械施工法和全機械化施工法，它們代表了不同的技術發(fā)展階段，但其間既存在替代關系，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，采用機械化施工設備，提高生產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。鋪管時應保證管道直線性，高程和坡降應嚴格遵循設計要求，避免水平和垂直方向產生彎曲，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采取必要的措施，防止漂管。2.1人工安裝質量與工人技能的關系在暗管技術發(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以后，機械化施工迅速發(fā)展機械化施工要求合理組織、調度施工人員與裝備，并及時有效地供應管材、外包濾料及其他輔助材料，避免停工待料(停機可導致溝底坡降變化)，保證機器連續(xù)有效運行，進而保障作業(yè)質量和效率，降低作業(yè)成本。2.3.1暗管施工建設田間準備是施工作業(yè)的基礎，包括:(1)設置作業(yè)基準，即按指定高程設置標樁，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臨時道路，清除障礙，保證機械作業(yè)精度和高效通行;(3)設置田間貯料場和宿營地，用于臨時存放管材、濾料、檢查井、工具和設備等。2.3.2杯形刀開溝機構鋪管作業(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?，F代開溝鋪管機(圖5a)普遍采用刀鏈式開溝機構，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。開溝機構入土后，利用鏈條上安裝的杯形刀具，循環(huán)轉動切削土壤，并將土壤提升至地面，螺旋排土器向兩側推移土壤。杯形刀可根據開溝寬度和土壤性質進行更換和配置。開溝機構后部設置的溝箱，用于鋪設暗管、裹覆外包濾料和保持管溝穩(wěn)定。波紋管成盤供應，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部的導管鋪設至掀起的土壤下。無溝鋪管機分為心土犁式(圖5b)和V形犁式(圖5c)。心土犁式結構簡單，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。無溝鋪管機結構簡單、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，美國則廣泛采用結構更加簡單的拖拉機牽引式心土犁鋪管。2.3.3轉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運車從貯料場送入鋪管機溝箱。轉運車料斗容量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的砂礫濾料裝入轉運車，保證裝載機鏟斗始終高于原始地面，以免帶土。直接敷設砂礫濾料容易導致暗管錯位(圖7a)，溝箱中的砂礫料箱能夠使砂礫通過導管滑入管溝，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)的正常工作至關重要，應嚴格避免土塊在管溝內形成架空，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哂诘乇?，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的土壤，容易導致對沖，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的土壤先后兩次分別推入管溝，使土壤有時間在管溝內沉降，避免架空。對于濕土回填，待挖出的土壤干燥數日，耙碎土塊后，將管溝一側土壤推入管溝，過幾天再將另一側土壤推入管溝?；靥詈篑{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，應在標準施工方法的基礎上，采取特殊對策(1)在積水的田間安裝時，應提前數日開挖淺溝，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，應減小開溝寬度和深度，盡量使用預包濾料，避免鋪管機后部對地面壓力過大造成塌陷。同時，相應降低作業(yè)速度，避免開溝機構發(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，可先在大于設計埋深的土壤中鋪設較細的臨時暗管，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，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提前設置交通基準以服務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)運行的經濟效益。早期施工需提前設置參考基準(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。自動控制技術的應用，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機載傳感器信號判斷自身狀態(tài)，自主做出相應調整。3.1.1調整行駛泵批量機器左右行走馬達均裝有轉速傳感器，機載行走控制器通過計算轉速差，調整行走泵排量，從而消除速差，保證左右馬達轉速一致，實現直線行走，如圖9所示。此方法無需借助其他輔助設備，但未考慮馬達轉速與實際車速的偏差，故僅適用于土壤質地均勻、附著條件良好的平整地表。3.1.2開溝機構的垂直位置鋪管機在斜坡上作業(yè)時，必須保證開溝機構始終處于垂直位置，否則將導致高程和坡降控制失準，而且開溝機構還會承受機器自重導致的彎矩，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，功率自適應控制系統(tǒng)可根據機器工況，自動“按需”動態(tài)分配開溝和行走功率，調節(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，保證施工質量和效率3.2標準控制高程基準在排水項目設計階段確定，是機器基于“設計坡降”控制排水管高程(埋深)的基礎。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，現已成為鋪管機的標準配置激光控制雖技術成熟、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，容易導致累計偏差，進而影響高程控制精度。同時，發(fā)射器架設在田間，易受強風和施工機械引起的土壤振動的影響，導致機器隨信號變化發(fā)生強烈抖動，產生高程偏差。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)設計近年來，精準農業(yè)技術的發(fā)展推動了衛(wèi)星定位與導航技術的廣泛應用。載波相位差分技術(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)行機構上獲取高程信息。機載控制器依據RTK系統(tǒng)獲取的信息，對鋪管機的行走和執(zhí)行機構實施反饋控制。RTK系統(tǒng)多數情況下精度穩(wěn)定，性能與系統(tǒng)可見衛(wèi)星數量成正相關。但對流層、太陽活動等自然環(huán)境因素可導致信號延遲，影響定位精度。4農田暗管施工技術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和裝備，但示范與應用推廣工作斷斷續(xù)續(xù)，國產暗管安裝與維護裝備完全處于空白。近10年來，中國農業(yè)機械化科學研究院采用數字化設計方法，集成開發(fā)了全液壓驅動、行走與轉向全電子控制、行走直線控制、功率自適應控制、作業(yè)高程與排水坡降自動控制等技術，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備，滿足我國暗管排水系統(tǒng)全流程、多場景施工需求農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，全面開展精準農業(yè)技術在暗管排水系統(tǒng)設計規(guī)劃、施工和運行與維護中的應用及開發(fā)性研究，尤其是基于北斗的高精度衛(wèi)星導航與定位技術的研究，解決定線控制、溝底高程