Unit tests on shield tail brush annular sealing system and its watertightness mechanism
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摘要: 盾构法已经成为了城市地铁隧道建设的主流施工法，由于盾尾刷密封效果不佳导致的漏水、漏浆等重大安全责任事故屡屡发生。通过建立盾尾刷-油脂腔密封系统密封单元试验装置，探讨油脂稠度、油脂压力、盾尾间隙对其水密性能的影响。试验结果表明：①根据油脂锥入度不同，盾尾密封渗漏出现两种模式：锥入度低时渗漏物为外界泥水，锥入度高时渗漏物为外界泥水与油脂混合物。为提高盾尾密封性能，油脂锥入应控制180~200(1/10 mm)范围内。②盾尾渗漏临界压力可由油脂压力、贴合力确定，略微小于油脂压力，因此工程中设定油脂压力比盾尾空隙中泥水或注浆浆液压力大0.5 MPa是合理的。③盾尾渗漏临界压力受油脂压力影响更大些，但盾尾刷贴合力则影响油脂逃逸和油脂压力的稳定，因此盾构掘进过程中加强盾尾刷和密封系统的管理以避免砂浆侵入导致盾尾刷失去弹性引起的密封失效。研究成果可为盾尾密封系统的设计和施工管理提供参考。Abstract: The shield tunnelling method has become the mainstream construction one for urban subway tunnels. Due to the poor sealing effects of shield tail brushes, many severe safety accidents such as water and slurry leakage occur frequently. The influences of grease consistency, grease pressure and shield tail clearance on the watertightness performance are discussed by setting up the sealing unit test devices for the shield tail brush-grease chamber. The test results show that: (1) According to the different grease cone penetrations, there are two modes of shield tail sealing leakage. One is that the leakage material is the external slurry at low cone penetration, and the other is that the leakage material is the external slurry and grease mixture at high cone penetration. In order to improve the shield tail sealing performance, the grease cone penetration should be controlled within the range of 180~200 (1/10 mm). (2) The critical leakage pressure of the shield tail can be determined by the grease pressure and adhesion force, which is slightly smaller than the grease pressure. Therefore, it is reasonable to set the grease pressure 0.5 MPa higher than the slurry pressure in shield tail clearance during shield tunneling. (3) The critical leakage pressure of the shield tail is more affected by the grease pressure, but the adhesion force of the shield tail brush affects the grease escape and grease pressure stability. Hence, the management of the shield tail brush and sealing system during shield tunnelling should be strengthened to avoid the tail sealing failure, which is caused by the loss of elasticity of the shield tail brush due to mortar intrusion. The research results may provide reference for the design and construction management of the shield tail sealing system.
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Keywords:
- shield tail brush /
- grease /
- unit test /
- watertightness /
- critical leakage pressure
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0. 引言
为解决中国水资源突出问题，提升水资源利用效率，“十三五”期间，由国家科技部、水利部等21家中央部门和地方科技主管部门共同设计了“水资源高效开发利用”重点专项。2017年6月，“高寒区长距离供水工程能力提升与安全保障技术”（2017YFC0405100）项目正式获批立项，对应指南“重大水资源配置工程建设与安全运行”方向。该项目由南京水利科学研究院牵头，中国科学院西北生态环境资源研究院、新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局、西北农林科技大学、新疆水利水电科学研究院、中国水利水电科学研究院、天津大学、黄河水利科学研究院、黄河勘测规划设计有限公司、山东中博重工机械有限公司10家单位共同参与。项目围绕中国西北高寒区水资源配置工程运行能力提升及安全保障需求，通过近三年半时间联合攻关，破解了复杂环境作用下高寒区长距离供水渠道劣化演变规律重大技术难题，在高寒区长距离供水渠道抗冻升级改造技术与装备、渠道低温运行控制技术、渠道安全监测与健康诊断技术等方面取得多项创新突破，有力推动了长距离供水工程高效运行与安全保障领域的科技进步。本文就项目的研究背景、研究内容、主要创新成果，以及成果的应用情况等作简要介绍。
1. 背景及国内外研究现状
中国西北地区水资源十分短缺，时空分布不均，严重阻碍了地方国民经济发展，影响了当地人民的生产生活水平。为此，国家先后修建了一大批长距离供水工程，以缓解水资源供需矛盾。如本世纪初开始修建的近1000 km的北疆供水一期工程，自建成以来，持续为乌鲁木齐、克拉玛依等区域中心城市供水，成为名副其实的“生命线”工程。然而，这些以输水明渠为主要建筑物的供水工程，往往穿越茫茫荒漠、戈壁等无人区，在发挥巨大效益的同时，大多面对极端寒冷、异常干旱、不良地质环境等恶劣条件，导致渠道发生各种灾害。以北疆供水工程为例，工程所在地整体属高纬度、高寒地区，冬季极端低温可达-40℃，造成严重的渠道冻害。此外，渠道沿线不良地质土分布广泛，据统计膨胀性渠基占供水总干渠全长的31.6%，边坡失稳现象时有发生。经多年运行后，渠道防渗膜破损和老化现象严重，致其发生大面积冻胀、水胀、渗透等破坏，局部发生滑坡与坍塌，如图 1所示。为此，国家每年都要投入大量人力、物力对其进行维修，严重影响了渠道的供水效率，极大威胁了渠道的供水安全，成为亟待解决的重大工程问题。
总之，高寒区长距离供水渠道由于其线路长、气候条件恶劣、地质环境复杂、运行调度困难，容易发生冻融、渗漏、滑坡、垮塌等灾害，使得其供水能力和安全保障受到极大威胁。对此国内外已开展了大量的研究工作，取得了许多重要的研究成果，但仍然面临巨大的挑战。
挑战1：高寒区供水渠道的性能演化与灾变触发机制。揭示极端寒冷和其它复杂环境下渠道的性能演化与灾变机理是提高其供水能力和安全保障的基础。影响高寒区供水渠道运行的因素很多，包括气候条件、地质条件、地下水补给条件等，但最主要的还是“冻融循环”和“干湿交替”，特别是冻融–干湿耦合效应，对此国内外研究很少涉及。在冻融循环和干湿交替的耦合作用下，渠道的性能演变越发复杂，涉及水–热–力多场耦合分析理论和方法的研究，也涉及复杂环境下渠道灾变机理与安全评价方法的研究，这些研究在国内外还处于起步阶段。
挑战2：高寒区长距离供水渠道能力提升的理论与方法。中国高寒区一些长距离供水渠道已经运行多年，各种灾害、老化、设计条件等严重制约了供水效率，亟需进行渠道升级改造。目前对于高寒区渠道升级改造的理论和技术还很不成熟，基本上都是参照一般的渠道工程，没有深入考虑极端低温的影响。高寒区渠道的抗冻结构、新旧防渗体的搭接、新旧渠道边坡的变形协调控制、渠道渗漏水速排等都是必须解决难题。
冬季安全输水及控制是保障高寒区渠道供水能力提升的关键途径。引黄济青、京密引水、引黄济津、南水北调以及国外一些大型调水工程的冬季运行实践积累了不少成功控制冰情与冬季冰盖运行的经验，但面对高寒区多变的气候环境、更加复杂的渠系结构，以上技术和经验都难以直接应用，需要深入研究。
挑战3：高寒区长距离供水渠道安全保障。现场监测是掌握高寒区渠道安全运行状况的重要手段，目前国内外尚无能精准测量高寒区渠道冻胀量和冻胀力的传感元器件，缺乏精确定位渠道渗漏异常发展和变形突变区段的成熟测试技术，亟需探索和研发适应高寒区渠道运行的监测技术及预警预报体系。另外，高寒无人区供水渠道存在人工巡检困难、定点监控维护难等问题，亟待研发查险快速、准确、适应恶劣环境要求的渠道健康智能化诊断技术和设备。此外高寒区长距离供水渠道突发险情应急调度与抢险也是国内外研究十分薄弱的课题。
2. 研究目标、内容及关键科学技术问题
2.1 研究目标及内容
作为“水资源高效开发利用”专项支撑重大水资源配置工程建设与安全运行任务板块，“高寒区长距离供水工程能力提升与安全保障技术”项目旨在通过研究揭示高寒区渠道灾害发生、发展规律，建立渠道水–热–力耦合分析理论与方法，提出高寒区渠道升级改造新旧渠坡变形协调控制技术、新老防渗体一体化连接技术和渠道渗漏水速排技术，研发渠道冬季供水冰盖运行控制技术、地热循环融冰技术、太阳能光热集蓄融冰技术以及渠道导电混凝土衬砌板加热融冰技术，开发高寒区长距离供水渠道多时空尺度监测预警与移动式健康诊断技术、渠道“点–线–面”损毁快速维护与抢险成套技术、突发险情快速识别与应急调度技术等，构建集风险识别、健康诊断、监测预警三位一体的高寒区长距离供水渠道安全评价体系和平台。在此基础上，依托北疆大型供水渠道完成示范工程建设，达到年输水时间延长30 d，输水能力提升20%的目标。
项目下设六大任务目标，即对应六大课题，课题名称及承担单位、负责人情况如表 1所示。课题间逻辑关系如图 2所示。
表 1 课题设置情况Table 1. Arrangement of tasks课题序号 课题名称 承担单位 课题负责人 1 高寒区供水渠道性能演化与灾变机理 中国科学院西北生态环境资源研究院 马巍 2 高寒区渠道供水效率提升及结构优化理论与技术 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 石泉 3 高寒区供水渠道低温响应与冬季运行控制技术 西北农林科技大学 王正中 4 高寒区长距离供水渠道监测预警与健康诊断技术 新疆水利水电科学研究院 何建村 5 高寒区供水渠道突发险情应急调度与抢险技术 中国水利水电科学研究院 甘治国 6 高寒区供水渠道能力提升与安全保障集成示范 南京水利科学研究院 蔡正银 2.2 关键科学技术问题
围绕任务目标，“高寒区长距离供水工程能力提升与安全保障技术”项目着重解决3个关键科学问题。
（1）高寒区供水渠道的性能演化与灾变触发机制
高寒区供水渠道从建设期即开始经历极端低温、瞬变温差、短时强降雨等恶劣环境影响，渠道的衬砌结构、防渗系统和渠基土在冻融循环、干湿交替等因素作用下，会逐渐劣化，揭示供水渠道的全寿性能演化进程及其孕灾、致灾机制，是本项目研究的基础性科学问题。
（2）高寒区长距离渠道供水能力提升理论与方法
已建的高寒区供水工程，受当时设计水平、经济条件和建设技术的限制，加上各种灾害的影响，渠道的运行效率和供水能力已经日益不能与当地社会经济快速发展对水资源的需求相匹配。针对已建和规划待建的高寒区渠道工程，从科学发展的高度提出渠道能力提升的理论与方法，是第二个关键科学问题。
（3）高寒区长距离供水渠道的健康运行与安全保障体系
高寒区渠道工程在建设和运行过程中受到不利气候和环境条件的影响，冻胀、滑坡、渗漏等各种破坏时有发生，严重威胁渠道的健康运行和供水安全。提出渠道健康状况的科学诊断方法和保障体系，是本项目需要解决的第三个关键科学问题。
本项目重点解决以下四大关键技术问题。
（1）高寒区渠道升级改造关键技术
传统渠道一般采用梯形断面，在输水能力与抗冻方面都存在先天不足，因此必须根据渠道灾变机理，研究提出“水力最佳”与“抗冻最优”断面，以此作为渠道升级改造的基础。另一方面，渠道加高改造是提高现有渠道供水能力的重要手段，目前一般采用的办法主要为贴坡加高和复式加高方法。由于新老渠道边坡的冻融、干湿特性差异较大，容易造成新老渠坡发生不均匀变形，影响渠道的正常运行。因此，研究渠道升级改造渠坡变形协调问题，并采用有效措施进行控制，是渠道升级改造的关键。此外，防渗系统是渠道高效运行的核心，目前渠道的防渗体主要采用塑膜或复合土工膜，渠道升级改造过程中必然存在新老防渗膜搭接的问题，开发出新旧防渗体一体化连接技术是高寒区渠道升级改造的另一项关键技术。
（2）渠道低温运行控制技术
高寒区的许多渠道由于抗冻要求，冬季一般不输水，因此研发低温输水技术是提高渠道输水能力的重要举措。由于高寒区气温极低，且作用时间长，只依靠传统冰盖下输水运行可能会产生严重的冰塞、冰坝，从对渠道衬砌结构造成破坏。突破冰盖运行控制理论，开发地热循环、太阳能光热集蓄与导电混凝土加热等新型辅热、融冰技术，是实现高寒区渠道延长低温输水期的关键。
（3）高寒区渠道智能监测预警与移动式健康诊断技术
高寒区长距离供水渠道穿越线路长，很多地方荒无人烟，冬季气候极端寒冷，日夜温差非常大，传统的渠道安全监测和人工健康巡检方法遇到很大的挑战。如何针对线路长、气温低的特点，开发出集致灾因子识别、灾变过程模拟、灾变触发即时预警的安全监测技术和移动式智能健康诊断技术，是保障高寒区渠道运行安全的关键。
（4）突发条件下高寒区长距离供水渠道风险追踪与应急调度技术
高寒区长距离供水渠道可能出现的隐患很多，包括水质污染、暴雨洪灾、渗透破坏、边坡失稳、冰凌灾害等，给渠道的风险追踪和应急调度带来了难以克服的困难。如何采用无人机技术实现渠道风险追踪，结合渠道BIM技术开发多源数据融合的应急巡检系统，提出突发事件应急调度方案，是高寒区渠道供水安全的一大关键。
3. 主要创新成果
3.1 高寒区渠道劣化机理与抗冻升级改造设计理论
（1）湿干–冻融循环下渠基土强度衰减与结构损伤破坏机制
湿干–冻融循环是渠道劣化的主要外在因素，渠道现场经历的干湿交替、冻融循环过程本身较为复杂，室内试验中难以完全模拟。为此，以渠道现场全年平均地温分布为基础，结合渠道通、停水日期及渠水冻结–融化分界温度（0℃），将渠道所受环境边界简化为湿干–冻融的连续状态变化过程，具体简化过程可参考文献[1]。基于此，开展了湿干–冻融循环下渠基膨胀土三维裂隙演化试验[2-4]及三轴固结不排水剪切试验[5-6]，首次揭示了高寒区渠基土湿干–冻融循环作用下的强度衰减与结构损伤双重互馈破坏机制，建立了土体微细观损伤模型，如图 3所示，具体如下：采用计算机断层扫描（CT扫描）及三维重建技术对湿干及湿干–冻融循环作用下膨胀土内部裂隙的演化特征进行定量化描述，提出了采用裂隙体积分数和三维分形维数的方法对裂隙的三维网络结构进行定量描述及评价裂隙空间发育特征的评价指标；探讨了膨胀土在经历不同湿干及湿干–冻融循环作用下应力–应变关系、弹性模量、有效抗剪强度的演化规律；结合损伤力学基础理论，提出评价湿干与冻融过程耦合作用的损伤变量，为合理分析膨胀土的强度及损伤过程提供了依据。
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图 3 高寒区渠基土劣化过程及机制Figure 3. Deterioration process and mechanism of canal foundation soil in high and cold region（2）超重力场渠道冻融破坏过程模拟技术与设备
项目团队前期围绕高寒区渠道冻害特征，研发了一套渠道冻融离心模拟设备，并形成了相应的渠道冻融过程模拟技术[7-9]。考虑到现场实际渠道经历干湿和冻融循环作用的特点，采用电子温控技术研制了一套可以在超重力场下模拟渠道湿干–冻融循环作用的离心模型试验系统[10-12]。该系统主要由干湿系统、热交换系统、保温模型箱、地面冷却水装置和数据采集控制系统等组成，如图 4（a）所示。该套系统可以实现在100g超重力场下寒区工程的模拟，模型温度在-40℃~30℃可控可调，同时能实现渠基土体从干燥—饱和状态的准确控制。在此基础上，利用该设备开展了多组渠道“湿—干—冻—融”循环作用离心模型试验，如图 4（b），（c）所示。揭示了渠道湿干—冻融耦合作用下的渐进劣化演变规律，为高寒区渠道的渐进破坏过程和机理研究提供新的重要手段。
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图 4 高寒区渠道湿干冻融离心模拟Figure 4. Centrifuge modelling of wetting-drying and freeze-thaw in high and cold regions（3）高寒区渠道水–热–力多场耦合分析模型与平台
为进一步探究高寒区渠道的劣化机理，综合考虑冻土的本构特性、土与衬砌结构接触特性，团队自主开发了渠道水–热–力多场耦合模拟分析平台[13-15]，通过数值分析完成了复杂边界条件下高寒区渠道水–热–力过程的模拟，得到了渠道结构中易受低温影响的薄弱环节，计算结果与离心模型试验具有较好的一致性（见图 5）。
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图 5 高寒区渠道水–热–力多场耦合模拟平台及典型结果Figure 5. Simulated and typical results of multi-field coupling of water, heat and force in canals in high and cold regions该软件基于Visual Fortran 2011平台，包括1个主程序，36个子程序，共计27850行Fortran代码。该程序具有以下特点：①计算问题可以是平面应力、平面应变或轴对称；②计算单元包括3节点、4节点、8节点、9节点平面单元及衬砌–岩土接触单元；③材料本构模型包括弹性、Duncan-Chang、弹塑性、弹黏塑性、自定义本构；④采用Mohr-Coulomb和Drucker-Prager准则等，提供自定义屈服准则接口；⑤可以包含与冻融–干湿相关的热力学参数；⑥可模拟渠道多阶段施工建造过程；⑦可以进行单物理场或者耦合场分析；⑧采用基于二分法步长缩减促收敛技术。
（4）高寒区渠道抗冻胀+水力最优断面设计方法
传统的长距离宽浅式输水渠道虽然具有一定的抗冻胀能力，但开挖面积大，占地多，输水阻力大；而窄深式渠道虽接近水力最优断面，但不便施工、渠坡结构稳定性及抗冻胀能力较差。为此，充分考虑渠道开挖面积、输水条件及衬砌抗冻胀破坏等因素，依靠开发的渠道水–热–力多场耦合模拟分析平台，以水力最优为目标，提出了衬砌结构整体刚度指标，开发出“抗冻胀+水力最优”设计方法[16-18]（见图 6）。与原设计相比衬砌最大冻胀应力减小36.4%~52.7%，结构整体刚度减小30%~48%，提高了其适应冻胀破坏的能力，为高寒区输水工程设计提供理论依据，同时也为梯型渠道升级改造奠定了理论基础。
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图 6 高寒区渠道抗冻胀+水力最优断面设计方法Figure 6. Design method for anti-frost heave and hydraulic optimal section of canals in high and cold regions3.2 高寒区渠道升级改造关键技术
高寒区供水渠道大多为梯形断面，抗冻能力不强。经过研究，提出了弧底+梯形断面的改造方案，可以大大改善渠道的抗冻与供水能力。为此研发了一整套渠道升级改造的技术与装备，解决了渠道升级改造施工关键技术问题。
（1）高寒区供水渠道弧底+梯形断面升级改造成套设备及施工工艺
针对高寒区供水渠道升级改造涉及的关键技术，通过自主创新与集成创新，基于渠道抗冻胀+水力最优断面设计理论，研发形成了高寒区渠道升级改造成套关键装备，包括多功能渠道滑膜衬砌机(图 7（a）)、混凝土嵌入式制缝机（图 7（b））、斜坡整体式胶结砂摊铺机（图 7（c）），以及多功能表面成型机（图 7（d））等。
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图 7 高寒区渠道升级改造一体化施工成套设备Figure 7. Equipments of canal construction in high and cold regions多功能渠道滑膜衬砌机实现了渠底混凝土的自动摊铺，施工过程中可按渠底不同弧度要求自动控制，既适应标准断面，又能适应发生变形的断面。混凝土嵌入式制缝机实现了渠道升级改造过程中混凝土塑性阶段的分格制缝，使衬砌混凝土自身具备了抗裂缝能力。多功能表面成型机实现了混凝土表面的提浆密实、整形和收光等工序全部自动一体化完成，解决了传统收光设备对混凝土塑性阶段制缝材料的扰动移位影响。斜坡整体式胶结砂摊铺机解决了在渠道边坡上机械化整体摊铺胶结砂砾料、改性土等干硬性垫层材料的施工难题。
该成套装备广泛适用于平面、曲面等各种混凝土衬砌表面的成型施工，使劳动密集、高强度的渠道人工升级改造走向了机械化施工，填补了国内该类设备的空白。上述设备的使用要点详见文献[19~21]。在此基础上，建立了大型渠道升级改造主要工序机械化施工管理程序和质量控制标准，编制了《大平面混凝土机械一体化施工工法》[22]，为高寒区长距离供水渠道高效优质施工提供了解决方案。
（2）渠道升级改造新旧防渗膜一体化连接技术
渠道升级改造中涉及的另一项关键技术是新老防渗膜的有效黏接，关键指标是黏接强度和耐久性。通过对新旧连接的土工膜开展拉伸、浸水、低温弯折、耐静水压等一系列试验（数百次试验），提出采用“区间作业”方式，即户外温度＞5℃时采用黏接工艺，户外温度＜5℃采用黏接+焊接工艺，如图 8所示。在此基础上，研发了自行式塑膜低温黏接加固装置，形成了新旧防渗膜KS热熔胶黏接+焊接的一体化连接技术。该技术克服了常规热熔机焊接当膜厚度较小或环境温度变化时，易产生烧洞或黏结强度偏低的缺点[23]。经现场测试，新旧防渗膜接头/接缝抗拉强度达10 kN以上，且经冷温弯折后无裂纹。
另一方面，位于北方地区盐碱环境的供水工程，水工建筑物易受硫酸盐等易溶盐侵蚀。为此开展了冻融、干湿交替与硫酸盐侵蚀共同作用下的混凝土损伤劣化机理和性能退化规律研究，研制了耐寒耐盐碱的新型渠道抗冻耐盐混凝土衬砌材料，以及具有优良抗渗性能的渠道新型复合改性弹性砂浆[24]。有效降低了高寒区极端低温、咸水对渠道衬砌混凝土耐久性的不利影响，提升了衬砌混凝土的长期服役性能。
（3）渠道纵横排水体系
寒区输水明渠多为季节性通水渠道，即冬季不供水，因此每年渠道都将经历通水—停水过程。这一过程中渠道不可避免地会发生渗漏，渗漏水与土体的相互作用是产生渠堤边坡劣化的根本原因。为此，按照“防排结合”的思想，设计了一种渠道渗漏水高效速排体系（包括纵向排水体、横向排水体、渠底集水箱以及渠顶抽水井）[25]，如图 9所示。在渠道底部每隔一段距离设置1只集水箱，渠顶部设置大口径抽水井，集水箱和抽水井之间采用斜坡通道连接，以便快速排出渠堤渗漏水。通过研究确定了纵向坡比、横向排水的间距等参数，同时就渠底集水箱容积、斜坡通道尺寸等关键技术指标进行了探讨，给出渠底集水箱最优容积及斜坡通道最佳尺寸。
（4）高寒区渠道改造渠坡变形协调理论与控制技术
围绕渠道贴坡加高产生的变形不协调问题，建立了“水–热–力”三场耦合计算模型。分析结果表明，
高寒区加高渠道的不协调变形主要在于“冻”和“融”过程中新旧渠坡产生的冻胀和融沉变形不协调，随着“湿干—冻融”循环次数的增加，渠坡渗漏点以下的饱和区域逐渐加深、扩大，渠顶土体饱和度降低，导致渠顶与渠坡间的冻胀不协调加剧，同时渠坡的不协调变形使得渠道土体与衬砌之间产生了漏空区域，如图 10所示。研究表明加高渠道不协调变形存在3种形态，即加高层漏空、结合面漏空和老渠道鼓胀，据此提出了高寒区加高渠道协调变形评价指标与方法[26]。
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图 10 加高渠道变形不协调数值分析结果Figure 10. Sketch of uncoordinated deformation of heightening canals3.3 渠道低温运行控制关键技术
由于高寒区极端温度低，负温持续时间长，常规输水工程冬季冰盖运行的技术难以应用，使得寒区绝大多数渠道冬季停止供水，严重限制了渠道的低温供水能力。为此，针对高寒区长距离输水渠道低温运行的冰害问题[27]，基于冰盖输水理论，辅以渠道局部融冰技术，探索保障高寒区输水渠道低温期安全输水的技术措施，为提高高寒区渠道供水效率，延长供水时长提供技术支撑。
（1）渠道冰盖安全运行调控理论
针对渠水结冰盖时剧烈的水位变动而导致的水力加厚不稳定冰盖和挟水冰塞，建立了渠道结冰期非恒定流模型[28]，并将冰情发展模型与明渠系统复杂内边界条件下的非恒定流模型进行集成耦合，开发了高寒区供水渠道冰期水力控制数字仿真系统，如图 11所示，实现了复杂边界条件下高寒区供水渠道冰期水力控制和运行调度的自动化管理。此外，为便于冰期运行水力控制，提出了相应的多种输水断面设计理论[29]。
（2）渠道新型保温盖板结构及设计理论
针对极端低温输水条件下渠水冰盖厚度过大，导致衬砌结构破坏的难题，研发了FRP-PC渠道保温盖板结构[30]，如图 12所示。该新型结构采用模块化拼接安装方式，施工快速并对渠道结构无破坏。同时抗腐蚀、抗疲劳性好，可以在酸、碱、氯盐和潮湿的环境中使用10~15 a。经现场试验，渠道保温盖板能提高环境与渠道温差5℃~20℃，可承受800 Pa雪荷载及12级风荷载，可用于渠道关键部位的局部保温。
（3）渠道局部辅热融冰技术
对于一些容易产生冰塞的渠道关键部位，如闸门、虹吸和渡槽进出口等，充分利用太阳光热、地温和电热等热源，研发了集渠水漂浮太阳毯增温保温、渠基碎石桩辅热、渠道衬砌板集肤加热一体的渠道局部融
冰技术[31-33]。漂浮太阳毯增温保温技术，优选高吸热辐射黑色鱼鳞表面PVC材料作为漂浮太阳毯吸热表面，通过渠岸卷扬机进行太阳毯在渠水表面的收放，使渠水升温并阻隔热量散失，经数值计算分析后表明该技术可推迟渠水结冰时间230 h，如图 13（a）所示。渠基碎石桩辅热技术，采用渠道岸边太阳集光罩、集热管加热空气，通过渠基内散热管将热空气传入土体进行蓄热，如图 13（b）所示。现场足尺试验表明，在冬季气温-10℃范围内，可保证渠基土温维持正温而不冻结。渠道衬砌板集肤加热技术，通过在渠道衬砌板上埋设长线集肤伴热电缆，利用电热对渠道进行局部融冰，如图 13（c）所示。北疆大型供水渠道现场试验表明当环境温度降至-10℃，流速大于0.1 m/s时，只要保证加热功率大于0.357 kW/m2，即可保证渠道不结冰。
3.4 高寒区渠道安全保障与风险防控技术
高寒区长距离供水渠道线路长、沿线与生产生活区交汇点多、气候条件恶劣、土质与地下水赋存特性多变，因此渠道病害、水质污染及人畜落水等风险种类多且具有突发性和难以预测性，为渠道运维和风险防控带来了诸多难题。针对此，项目从渠道关键断面安全监测、渠道全线健康快速检测、突发风险预警和应急处置3个方面进行了创新研究，形成了成套高寒区渠道安全保障和风险防控技术。
（1）渠道全天候无人值守安全监测系统和预警预报平台
针对高寒区长距离供水渠道破坏类型及演化机理，研发了渠道全断面冻胀变形和三维冻胀力监测仪器[34]，如图 14所示，实现了渠道断面二维连续变形监测和三向冻胀应力监测；研发了渠道渗漏分布式光纤测试技术[35]，实现了渠道沿线大范围面积的渗漏监测；基于互联网、大数据计算、数据融合技术、人工智能技术等，研发了高寒区供水渠道多时空预警预报系统和私有云平台，实现了高寒区渠道全天候无人值守安全监测和预警预报。
（2）渠道车载智能无损检测系统
集成了包含高密度电法仪、探地雷达、地震面波等无损探测方法与设备，研发了车载式移动智能渠道健康巡检装备，如图 15所示。通过反复的数值模拟、数据正演和模型试验，形成了适用于高寒区渠道健康诊断成套技术。该技术解决了长距离渠道沿线人工巡检耗时长、精度差且多方巡检信息整合难等问题。
（3）渠道险情无人机+BIM应急巡检与调度系统
综合采用无人机、建筑信息模型（BIM）和物联网等先进技术，进行了多源数据融合下高寒区供水渠道突发事件风险因素的连续在线追踪研究[36-37]，如图 16所示。针对流凌、坠物、边坡破坏等典型渠道风险类型，提出了相应的风险图像智能识别方法；开发了基于无人机+BIM实时耦联的渠道险情应急巡检系统[38-39]。基于B/S架构，采用面向对象建模技术及GIS技术，以可视化编程及多线程技术为手段，集成无人机应急诊断、现场监测、水量水质数值仿真和应急调度模型，开发了高寒区渠道应急调度平台，为渠道应对突发险情提供了决策支撑。
4. 成果示范应用情况
围绕高寒区长距离供水工程运行能力提升与安全保障的实际需求，集成项目主要研究成果，依托北疆大型供水工程，建立了高寒区渠道全断面升级改造与维护示范工程、高寒区渠道低温输水综合示范工程、高寒区渠道冻害监测与抢险示范工程，以及高寒区渠道安全运行与管理决策平台。
示范工程地点位于北疆阿勒泰地区，如图 17所示。该区地处北纬48°，冬季极端低温超过-40℃，最大冻深达2.0 m，是中国典型的高纬度寒冷地区。北疆供水工程主要建筑物为输水明渠，渠道沿线地质条件复杂，膨胀性泥岩、砂质泥岩等不良地质体分布广泛。该工程于本世纪初建成，为季节性供水渠道，每年大约4月份开始供水，9月停水，目前该渠道已累计运行近20 a，为缓解北疆地区的水资源供需矛盾做出了重大贡献，是名副其实的生命线工程。由于极端气候和不良地质条件的影响，渠坡滑塌、渗漏、水胀、冻胀等灾害时有发生，每年春秋两季都需要投入大量的人力和物力对渠道进行集中维修。此外，为了进一步提高渠道的供水效率，作为国家172项重大水利工程项目，正在进行渠道二期升级改造，对整个渠道边坡进行加高，加高后的渠道设计流量比原有渠道流量增加一倍。示范工程正好结合了渠道维修与二期升级改造工程。
（1）高寒区供水渠道全断面升级改造与维护示范工程
主要包括：①基于项目提出的渠道抗冻胀+水力最优断面设计理论，提出了将渠道“梯型断面”改造成“梯型+弧底断面”的设计方案，并综合运用研发的弧形渠底混凝土滑模衬砌机、多功能渠道衬砌混凝土制缝机、多功能渠道衬砌混凝土表面成型机等自主研发的设备，按照项目提出的“大型渠道混凝土机械一体化施工工法”，完成近134 km梯形渠道的抗冻弧底改造工作，如图 18（a）所示。②基于研发的KS热熔胶黏接+焊接一体化连接技术，完成超过20 km长的渠道新旧防渗膜连接，如图 18（b）所示。③通过研发的渗漏水高效速排技术对北疆大型供水渠道沿线71座集水井（约50 km）进行改造，如图 18（c）、18（d）所示。
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图 18 渠道全断面升级改造与维护示范工程建设Figure 18. Demonstration construction of canal upgrading and maintaining示范工程表明利用本项目研究提出的渠道升级改造技术可以大幅度减少高寒区渠道的冻害，极大提高渠道的供水效率与运行安全。具体体现在：①渠道冻害破坏程度显著降低。基于“冻融适变+水力最优”设计理论改造后的高寒区渠道，未见大面积冻害破坏发生，以往春秋两季“衬砌大面积维修”现象得到了根本好转。②渠堤渗漏明显缓解。运行实践表明，通过2 a的连续抽排作业，渠道“膜后水位”下降明显，其中效果显著的断面约占调查总数的70%，如图 19所示，证明研究提出的渠道纵横防排体系有效保证了渠堤稳定。③通过新旧防渗膜一体化连接技术的推广应用，有效克服了常规热熔机焊接易受膜厚及环境温度影响的缺陷。经现场测试，焊接后的防渗膜接头/接缝抗拉强度可达10 kN/m以上，且经受冷温弯折后无裂纹，有效提升了新旧防渗膜结合部的防渗能力。
（2）高寒区渠道低温输水综合示范工程
基于本项目研究提出的渠水漂浮太阳毯增温保温技术、渠基碎石桩辅热技术、渠基碎石桩辅热融冰技术，以及满足高寒环境与承载要求的渠道复合盖板保温技术，依托北疆供水工程干渠上的退水渠，建立了高寒区渠道低温输水综合示范工程，如图 20所示。
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图 20 渠道低温输水综合示范工程建设Figure 20. Demonstration construction of dispatching technology of canals in freezing period示范工程表明经碎石桩辅热技术处理后的渠段最大冻深为0.75 m，较无处理渠段冻深线降低了约25%，渠基土表层气温最大提升为4.2℃，该示范段渠基温度监测结果如图 21（a）所示；经渠基光热蓄集技术处理后的渠段，当外部环境温度降至-23℃时，可使衬砌下渠基土表面温度维持在-5℃以上，该示范段渠基温度监测结果如图 21（b）所示；经加盖保温新结构处理后的渠段外部环境温度降至-16℃时，渠道内温度为-2.3℃，达到了加热、保温、延迟河道结冰的效果，该示范段渠道温度监测结果如图 21（c）所示；设置集肤加热融冰技术的渠道断面，可在7 h内将渠内结冰完全融化，该示范段渠道温度监测结果如图 21（d）所示。经长期观测，综合使用项目研发的渠道局部融冰保温技术，可确保外部环境温度在-10℃时渠水不结冰，为高寒区渠道低温输水提供了良好的技术储备。
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图 21 渠道低温输水示范效果Figure 21. Demonstration effectiveness of dispatching water in frozen period of canals（3）高寒区渠道冻害监测与应急抢险示范工程
基于自主研发的渠道全断面冻胀变形和三维冻胀力监测设备，结合渠道渗漏分布式光纤测试技术，建立了总长约1 km的高寒区渠道安全监测预警示范断面；应用自主研发的、具有渠道隐患探测和险情检测等功能的车载式移动智能渠道健康巡检装备，对北疆大型供水渠道总干渠四个渠道断面进行了车载式移动智能健康诊断装备现场巡检示范，建立了总长约1 km的高寒区渠道断面健康状况数据库。运用无人机+BIM实时藕联技术，完成了总干渠22 km渠道突发险情无人机应急巡检技术示范，构建了北疆渠道动态BIM模型，开展了渠道险情图像智能识别。在此基础上，运用多目标融合技术，集成了包括渠道风险识别、健康诊断、监测预警、应急调度与抢险技术在内的渠道三维可视化决策系统。高寒区渠道冻害监测与应急抢险示范工程如图 22所示。
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图 22 渠道冻害监测与应急抢险示范建设Figure 22. Demonstration construction of monitoring and emergency management of canals高寒区渠道安全监测预警示范表明，所研发的有关冻胀量、冻胀力量测设备能真实反映渠道的冻害特点，实现了渠道断面的二维连续变形和三向冻胀应力监测，示范段渠道冻胀力监测结果如图 23（a）所示；采用新型光纤渗漏监测技术监测现场渗漏水位，测值准确，实现了长距离渠道渗漏的连续测量，能适应高寒区现场测量条件，示范段渠道冻渗漏监测结果如图 23（b）所示。综合现场监测、车载式移动智能渠道健康巡检和突发险情无人机应急巡检，将采集的数据纳入高寒区渠道安全运行与管理决策平台，如图 23（c）所示，实现了高寒区渠道工程高效、可视、精准化管理，为复杂条件下高寒区渠道的运管决策提供了有力地科技支撑，可为工程长期运行管理提供数字化技术支持。
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图 23 渠道冻害监测与应急抢险示范效果Figure 23. Demonstration effectiveness of monitoring and emergency management of canals（4）高寒区渠道安全运行与管理决策平台
在上述示范工程的基础上，基于SOA架构进行模块化封装，集成高寒区供水渠道多源风险因素追踪和多源数据融合监测系统，研发了渠道安全运行管理决策平台，如图 24所示。该平台涵盖了具体工程预案编号、名称、部门管辖范围等管理任务模块，同时囊括了无人机应急巡检及BIM藕联图像数据，以及水位、孔隙水压力、温度、冻胀变形、冻胀力等监测数据，具备多格式输出预案文档支持。该示范平台为渠道安全运行与管理决策提供了可视化集成方案。
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图 24 渠道安全运行与管理决策集成平台界面示意Figure 24. Interface of safe operation and execution of canals寒冷地区输水工程往往肩负着沿线及区域“唯一水源”的重任，对地区社会经济的发展至关重要，是典型的“生命线”工程。本课题有关成果在北疆长距离供水渠道得到示范应用以来，升级改造后的渠道供水时间每年延长了15~30 d以上，关键渠段过水流量提升4~7 m3/s，每年增加引水量0.84~1.3亿m3，供水效率提升25%以上，为北疆地区水资源高效利用做出了重要贡献，社会效益显著。
5. 结语
本项目围绕高寒区长距离供水渠道能力提升与安全保障需求，以水资源高效利用为目标，以确保供水安全为宗旨，以工程防灾减灾为突破点，创建了高寒区长距离供水渠道高效运行的理论体系、技术装备和保障系统，极大提升了寒冷地区渠道的供水效率与安全管理水平，具体体现在以下4点。
（1）寒区渠道抗冻设计理论创新。自主研发了渠系水–热–力多场耦合数值分析模型与软件平台，研制了国内外首台能模拟渠道冻融–干湿耦合过程的超重力场试验系统，揭示了“湿—干—冻—融”循环作用下的渠基土强度衰减与结构损伤双重互馈破坏机制，创建了“水力最优+冻融适变”的渠道抗冻设计理论与方法。
（2）寒区渠道抗冻改造与冻害快速修复技术创新。提出了高寒区大型渠道抗冻改造“梯形弧底”新结构，研制了多功能衬砌混凝土制缝机、表面成型机等渠道抗冻改造与冻害快速修复成套施工装备，研发了抗冻耐盐混凝土衬砌材料和新型接缝止水材料，发明了渠道升级改造新旧防渗膜热熔胶黏接+焊接新技术。
（3）渠道低温供水冰盖运行控制理论与局部保温融冰技术创新。首次建立了渠冰生消二维模拟模型，创建了冰期水力控制数字渠道仿真系统，研发了集渠水漂浮太阳毯增温、渠基碎石桩辅热、渠道衬砌板集肤加热一体的渠道局部融冰技术，开发了渠道轻型高效复合保温盖板。
（4）寒区渠道安全监测与冻害评价理论创新。研发了渠道全断面冻胀变形和三维冻胀力监测设备，创建了分布式光纤渠道渗漏测试技术，集成创新了渠道车载智能无损健康诊断系统，开发了基于无人机+ BIM实时耦联的渠道险情应急巡检平台，首次建立了寒区渠道冻害评价模型与方法。
长距离输水工程多为2级以上工程。在本项目实施前，除SL725，GB/T50600、GB50288、SL599等标准对供水渠道安全监测工作提出了总体要求和部分专项监测要求以外，未见专门服务于寒区渠道建设与运行管理的相关技术标准。项目团队基于项目相关研究成果，充分吸纳技术应用过程中的成功经验，形成了两部团体标准：《寒冷地区渠道安全监测技术规程》《寒冷地区渠道冻害评价导则》[40-41]，为进一步适应当代高寒区渠道工程建设、管理提供了标准化方案。此外，理论研究部分涉及的关于膨胀土的自由膨胀率试验、收缩试验、膨胀力试验等试验方法纳入了《土工试验方法标准：GB/T50123—2019》。项目研究成果推动了相关领域的标准化进程，对今后相关技术的验证、试行和推广具有重要意义。
本项目相关研究发表论文123篇，其中SCI/EI收录64篇；出版专著6部；申请国家专利41件，获授权专利19件，获得软件著作权11项，形成水利团体标准《寒冷地区渠道安全监测技术规程》[40]和《寒冷地区渠道冻害评价导则》[41]，部分成果编入国家标准。项目整体成果荣获2019年度新疆维吾尔自治区科技进步一等奖、2020年度中国大坝工程学会科技进步特等奖、2021年度大禹水利发明一等奖和中国农业节水科技一等奖。相关技术依托北疆大型供水渠道工程取得了良好的应用，可推广到其它寒冷地区水利、交通等重大工程建设，具有良好的应用前景。
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图 1 盾尾密封系统渗漏试验装置示意图
Figure 1. Schematic diagram of leakage test devices for shield tail sealing system
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图 2 盾尾刷-油脂腔密封单元试验装置
Figure 2. Sealing unit test devices for shield tail brush-grease chamber
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图 9 不同盾尾间隙下的临界渗漏压力
Figure 9. Critical leakage forces under different shield tail clearances
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图 15 临界渗漏压力与盾尾间隙、油脂压力关系(油脂C)
Figure 15. Relationship among critical leakage pressure, shield tail clearance and grease pressure (Grease C)
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图 16 砂浆侵入盾尾刷引起密封失效
Figure 16. Sealing failure caused by mortar intrusion into shield tail brush
表 1 3种盾尾油脂的性质
Table 1 Properties of three kinds of shield tail grease
油脂类型 油脂锥入度(0.1 mm) 油脂稠度等级 油脂A 175.2 #4 油脂B 203.5 #4 油脂C 220.0 #3 
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表 2 不同油脂压力下渗漏临界水压（油脂C）
Table 2 Critical leakage pressures under different grease pressures (Grease C)
序号 油脂压力/MPa 临界水压/MPa 1 0.2 0.18 2 0.3 0.27 3 0.4 0.35 4 0.5 0.47
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