輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具技術(shù)研究

郭東方，孫京衛(wèi)，劉 瑩，劉 越

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水利水電工程多地處自然條件惡劣的深山區(qū)，其前期地質(zhì)勘測(cè)工作交通條件很差，尤其對(duì)于地勢(shì)陡峻的高山峽谷山區(qū)，作業(yè)人員過(guò)河、跨溝等交通問(wèn)題往往成為制約工作進(jìn)展的主要因素。隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展，國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入，西部青藏高原等偏遠(yuǎn)地區(qū)的水利工程不斷增多。西部地區(qū)開(kāi)發(fā)較晚，工程區(qū)自然條件、材料供應(yīng)等條件越來(lái)越差，水利水電工程勘測(cè)作業(yè)過(guò)河、跨溝等交通問(wèn)題愈發(fā)突出。因此有必要研究解決高山峽谷地區(qū)勘測(cè)作業(yè)中過(guò)河、跨溝等情況下安全可靠的交通工具。

1 概況

1.1 工程概況

黑河黃藏寺水利樞紐工程位于青海省祁連縣與甘肅省肅南縣交界的黑河上游東、西兩岔交匯處以下11km的黑河干流峽谷段，上距青海省祁連縣城約19km，下距鶯落峽80km左右。黃藏寺水利樞紐控制流域面積7648km2，多年平均天然流量12.59億m3，水庫(kù)總庫(kù)容4.06億m3。工程規(guī)模為大Ⅱ型。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為合理調(diào)配中下游生態(tài)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，提高黑河水資源綜合管理能力，兼顧發(fā)電等綜合利用，是黑河干流的骨干調(diào)蓄工程。

黑河黃藏寺水利樞紐工程地處青藏高原東北側(cè)的祁連山脈，該區(qū)以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，并受強(qiáng)烈的構(gòu)造侵蝕剝蝕作用，河流下切，水系發(fā)育。山脈海拔高程一般在3600～3800m，高差一般在800m～1200m，最大達(dá)2000m。壩址區(qū)為深切河谷，地勢(shì)陡峻，黑河水流湍急，外部道路僅可抵達(dá)右岸，左右岸無(wú)路可通，左壩肩鉆孔布置在左岸距河床垂直高差約200m的山上?？睖y(cè)人員到左岸作業(yè)必須跨越黑河，需安全可靠的過(guò)河交通工具。設(shè)備材料運(yùn)輸可通過(guò)機(jī)動(dòng)的單線過(guò)河纜直接運(yùn)抵左岸勘測(cè)區(qū)。因過(guò)河纜兩端落差近200m，傾斜角近60°，直達(dá)的機(jī)動(dòng)簡(jiǎn)易單線過(guò)河纜用以載人跨河作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)太大，安全難以保障。

1.2 傳統(tǒng)過(guò)河交通工具現(xiàn)狀及分析

目前地質(zhì)勘測(cè)工作采用較多的過(guò)河交通工具為架子管框架橋、油桶浮橋。

架子管框架橋和油桶浮橋雖然過(guò)河方式最便捷，無(wú)運(yùn)行成本，但材料消耗較多，一次性投資數(shù)額較大，建造進(jìn)度慢，晝夜需安排專(zhuān)人看護(hù)，維護(hù)成本高，對(duì)交通不便的工程區(qū)更增加成本，受水流條件的限制較大，當(dāng)水流速度超過(guò)1.0m/s時(shí)不適用。遇洪水易被沖垮，安全性差。在深谷急流條件下的勘測(cè)區(qū)不僅加大了架設(shè)難度，而且便橋的強(qiáng)度也低，抗沖擊能力差，不宜使用。而且這兩種方式不適應(yīng)跨溝的作業(yè)環(huán)境。

后經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)吸收林業(yè)、礦山等其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，在水利水電勘測(cè)工作中開(kāi)始采用架設(shè)機(jī)動(dòng)(機(jī)械驅(qū)動(dòng))單線過(guò)河纜的方式解決器材及人員過(guò)河難題。

機(jī)動(dòng)單線過(guò)河纜架設(shè)投資和維護(hù)成本相對(duì)前兩者較低，材料消耗較少，不受水流條件的影響，但其必須設(shè)置專(zhuān)業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)操作人員，運(yùn)行成本高，機(jī)械驅(qū)動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)亦存在一定的安全隱患，且在未開(kāi)發(fā)的深山峽谷大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)困難，因此該方法也受到地形條件的限制。

2 輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具

2.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)原則：安全可靠，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)高效。

考慮黃藏寺水庫(kù)工程勘測(cè)區(qū)峽谷較窄，規(guī)避山區(qū)汛期洪水等的影響，從安全性、可控性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)投入和建設(shè)周期等方面綜合考慮，較好的辦法是選擇架空交通的方式，采用人力牽引的架空過(guò)河纜繩，更貼近實(shí)際情況，且穩(wěn)妥高效，只要架設(shè)精度達(dá)到要求，完全可行。為了盡量減小牽引力，架設(shè)精度要求高，纜繩兩端的相對(duì)高差要求盡量接近零，且兩條承載索要盡量平行。

綜合以上設(shè)計(jì)要求，充分論證人工條件下建造及運(yùn)行等過(guò)程中的安全性、便捷性、易操作性，不斷地優(yōu)化改進(jìn)，最后具體設(shè)計(jì)、初步定型。

2.2 設(shè)計(jì)方案

輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具是利用懸掛在半空中的兩條平行鋼索，承托載人吊籃，用登山繩作為牽引繩，靠過(guò)河人員人力拉動(dòng)牽引繩使吊斗移動(dòng)，用以載人往返兩岸通行的一種新型的交通工具。

輕型架空交通工具的示意圖如圖1所示，平面布置圖如圖2所示。

圖1 輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具示意圖

圖2 輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具平面布置圖

輕型架空交通工具建造流程：現(xiàn)場(chǎng)查勘→確定架設(shè)線路→設(shè)備、材料準(zhǔn)備→選擇地錨位置→地錨施工→架設(shè)承載索→安裝牽引繩和吊斗。輕型架空交通工具建造所需材料見(jiàn)表1。地錨結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 地錨結(jié)構(gòu)示意圖

序號(hào)材料規(guī)格單位數(shù)量備注1鋼絲繩Φ16mmm1502登山繩Φ10mmm1003滑輪16個(gè)64鋼絲繩卡Φ16mm個(gè)505手拉葫蘆5t個(gè)26錨桿Φ25mm根67錨固劑kg108吊斗1m×1m×1.5m個(gè)19鑿巖機(jī)臺(tái)1

2.3 安全校核

承載索采用抗拉強(qiáng)度為1670MPa的6×19鋼絲+纖維芯的16mm直徑鋼絲繩，纜繩跨度50m，牽引繩來(lái)回長(zhǎng)度100m。載人吊斗重量50kg，要求最多承載2人，最大載荷重量為150kg，安全系數(shù)參照用于載人的升降機(jī)取14。

(1)求最大載荷時(shí)的計(jì)算載荷P計(jì)max

=1.34kN

式中，K沖—沖擊系數(shù)，取1.31；Pmax—最大載荷重量，kN；P車(chē)—載人吊斗重量，kN；q牽—牽引繩每m重量，kN/m；L牽—牽引繩長(zhǎng)度，m；n—平行承載索根數(shù)；α—兩端地錨高差角，(°)。

(2)求無(wú)載荷時(shí)的水平張力T0

式中，S0—中央弛度比，取0.05；q承—承載索每米重量，kN/m；L承—承載索長(zhǎng)度，m；

(3)求最大載荷時(shí)的水平張力Tb

Tb=6.7kN

式中，S承—承載索截面積，cm2；E承—承載索彈性模量，kN/cm2；L承—承載索長(zhǎng)度，m；

(4)求最大載荷時(shí)的地錨處的最大張力Tmax

式中，H—兩端地錨高差，m。

(5)承載索強(qiáng)度校核

式中，T破—承載索最小破斷拉力，kN；K承—承載索安全系數(shù)。

因此，承載索選取Φ16mm鋼絲繩滿足各項(xiàng)受力要求。

左右岸地錨埋設(shè)完成，錨固劑強(qiáng)度增長(zhǎng)滿足時(shí)間要求后，進(jìn)行逐根抗拉試驗(yàn)，利用10t(100kN)倒鏈進(jìn)行全負(fù)荷抗拉試驗(yàn)24h。如果錨桿無(wú)松脫變形現(xiàn)象，錨桿四周山體沒(méi)有出現(xiàn)裂隙等破壞形式，即可投入使用；如果出現(xiàn)松動(dòng)變形或山體有開(kāi)裂現(xiàn)象，需要重新加深埋設(shè)深度打孔埋設(shè)，試驗(yàn)合格后方能投入使用。

2.4 應(yīng)用效果

在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，總體效果較好，存在的主要問(wèn)題是偶見(jiàn)人力牽引困難，其原因是兩條承載索平行度不夠，下垂角度變大，造成導(dǎo)向滑輪受力不均衡與阻力增加。另外，因承載吊籃及人員的重力，對(duì)導(dǎo)向滑輪的安全性要求高，應(yīng)采取加固措施。具體改進(jìn)措施如下：

(1)調(diào)整鋼絲繩松緊度和檢查卡子的位置，減小承載索的下垂角度，使兩條承載索平行。

(2)在每個(gè)導(dǎo)向滑輪上加設(shè)一道鋼絲繩套，固定在吊籃上作為安全繩。

改進(jìn)后承載索處于平行狀態(tài)，可有效減輕阻力，導(dǎo)向滑輪加設(shè)安全繩后安全系數(shù)大大提高。

本文對(duì)各工區(qū)不同過(guò)河交通工具應(yīng)用情況及特點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

從表2中可看出本次研究的新型交通工具具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1)建造速度快于其余三個(gè)交通工具，便捷高效，適用于工期要求緊的工程勘測(cè)項(xiàng)目。

(2)建造、運(yùn)行、維護(hù)等幾項(xiàng)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余三個(gè)交通工具，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(3)不受河水流速、水深、山洪等的影響，適用于地形復(fù)雜的山區(qū)跨河跨溝。

3 創(chuàng)新性及特點(diǎn)

3.1 創(chuàng)新性

(1)創(chuàng)新了一種運(yùn)送人員和材料過(guò)河(跨溝)的新型交通工具，解決了無(wú)交通條件的高山峽谷地帶勘測(cè)人員過(guò)河(跨溝)通行問(wèn)題。

(2)成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)動(dòng)力設(shè)備和無(wú)燃料消耗的情況下雙向往復(fù)式人員交通往來(lái)，解決了勘測(cè)階段進(jìn)出大型設(shè)備不便的難題。

3.2 先進(jìn)性

該輕型架空過(guò)河交通工具與其他類(lèi)似過(guò)河交通工具相比，具有一定技術(shù)先進(jìn)性：

(1)操作簡(jiǎn)單。本過(guò)河交通工具無(wú)需動(dòng)力設(shè)備，沒(méi)有燃料消耗，無(wú)需設(shè)專(zhuān)業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)人員；運(yùn)行時(shí)間靈活，不受驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備故障的局限，隨時(shí)可以過(guò)河。

表2 幾種過(guò)河交通工具特點(diǎn)對(duì)比

(2)可控性和安全性高。吊斗距離河面高度在15m以上，完全不受洪水影響；采用平行的兩條鋼絲繩作為承載索，承載力加倍；驅(qū)動(dòng)滑輪達(dá)到4個(gè)，運(yùn)行平穩(wěn)度高；且采取了安全繩進(jìn)行加固，安全可靠，不會(huì)出現(xiàn)脫鉤掉道現(xiàn)象；人工牽引運(yùn)行速度易控制，避免了驅(qū)動(dòng)設(shè)備故障時(shí)的強(qiáng)拉安全隱患。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)。適用于100m以內(nèi)的高山峽谷地區(qū)過(guò)河及跨溝等各種復(fù)雜情況。

(4)加工方便，成本較低。材料消耗少，僅需要鋼絲繩等少量材料，不需要卷?yè)P(yáng)機(jī)等復(fù)雜設(shè)備，建造成本低，搭建速度快，尤其適用材料運(yùn)輸不便的山區(qū)。

(5)經(jīng)濟(jì)效益好。無(wú)需機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，減少了專(zhuān)業(yè)運(yùn)行人員和機(jī)械油料的投入，降低了施工成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，工作人員結(jié)合工程在施工前期、施工中存在的問(wèn)題，研發(fā)了輕型無(wú)動(dòng)力架空載人交通工具新技術(shù)。該輕型無(wú)動(dòng)力架空載人載物交通工具能在寬度小于100m的高山峽谷地帶的山谷和河谷進(jìn)行工作，與其它交通方式相比，其建造工藝更加簡(jiǎn)單，器材更加輕便，同時(shí)投資、運(yùn)行及維護(hù)成本低；能有效避免水流條件及山洪等的影響，安全性高，適用于交通不便的山區(qū)，但機(jī)械化程度低，偶見(jiàn)人力牽引困難的情況，可在今后的實(shí)踐中予以改進(jìn)完善。這種新型交通工具在類(lèi)似地形條件下，特別在西部高原等地理自然、材料供應(yīng)等條件惡劣的偏遠(yuǎn)山區(qū)，有著廣泛的推廣應(yīng)用市場(chǎng)和前景。