棉桿排水體在暗管排水中的應(yīng)用

畢華軍，劉建強(qiáng)，鄭 強(qiáng)

（山東省水利科學(xué)研究院，山東，濟(jì)南 250014）

暗管排水是鹽堿地改良的一種有效措施，是利用人工開挖出來(lái)的地下溝或地下管道排除田間土壤多余的水分。土壤中的多余水分可以從暗管接頭處或管壁濾水微孔滲入管內(nèi)排走，起到控制地下水位、調(diào)節(jié)土壤水分、改善土壤理化性狀的作用。

目前，國(guó)內(nèi)外用于暗管排水的管材主要有磚瓦管、灰土管、陶管、混凝土管、水泥濾水管、石棉水泥管、內(nèi)襯塑模外護(hù)水泥管、波紋塑料管、薄壁PVC管、內(nèi)光波紋雙壁聚氯乙烯管、改性PVC管等。由于黃河三角洲鹽堿地區(qū)棉桿資源豐富、取用方便、價(jià)格低廉，擬采用棉桿為基材，研制安全環(huán)保、排水效果好、造價(jià)低廉、易于加工和施工的暗管排水棉桿排水體。

1 研究區(qū)棉桿資源現(xiàn)狀

黃河三角洲位于黃河下游的魯北平原，地勢(shì)平坦、開闊，年平均降雨量為600 mm左右，無(wú)霜期長(zhǎng)，適宜棉花生長(zhǎng)，僅濱州、東營(yíng)2市棉花種植面積就在26.7萬(wàn)hm2左右，我國(guó)每公頃棉田棉桿產(chǎn)量為2 250～3 750 kg（以風(fēng)干棉桿，含水率按10%～15%計(jì)），則僅濱州、東營(yíng)2市的棉桿年產(chǎn)量就可達(dá)到60～100萬(wàn)t。同時(shí)該地區(qū)農(nóng)村勞動(dòng)力資源充足且勞動(dòng)力成本低，極其適合棉花生產(chǎn)。在濱州、東營(yíng)的某些植棉大縣，很多棉農(nóng)種植棉花少則 1～2 hm2，多則 7～8 hm2。 由于黃河三角洲地區(qū)棉花種植面積大，因此棉桿產(chǎn)量很大，是當(dāng)?shù)厝∮帽憷?、用途多樣的生物環(huán)保材料。

2 棉桿排水體的制作

2.1 棉桿排水體基材選擇

從棉桿不同高度橫斷面可知，隨著棉桿高度的增加，棉桿直徑逐漸減小，髓心反而增大；即隨著棉桿高度增加，棉桿有用部分將逐漸減少，利用率下降，主要有用部分集中在中下部?？紤]到棉桿排水體需要具有相對(duì)較大的密實(shí)度以獲得足夠的抗壓能力，防止在埋入地下時(shí)被上部土體擠壓變形，從而保證能夠形成連續(xù)順暢的排水通；同時(shí)為能夠獲得較好的吸水能力、良好的水流通過(guò)性以及防淤積能力，其結(jié)構(gòu)密度又不宜過(guò)大，要保持一定的空隙率。針對(duì)棉桿排水體以上特性，在其現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中選擇了桿徑較為均勻、莖干順直的棉桿，去除細(xì)枝梗，只使用棉桿中下部。

2.2 棉桿構(gòu)造分析

對(duì)棉桿進(jìn)行解剖觀察發(fā)現(xiàn)，棉桿木質(zhì)部含量達(dá)81.46%，木纖維含量達(dá)62.22%。 棉桿各部分基本密度測(cè)定顯示，根部密度較大，為0.353 g/cm3，地表處 0.388 g/cm3， 高 40 cm 處 0.319 g/cm3，高80 cm處0.272 g/cm3。棉桿基本密度平均為0.326 g/cm3，這和闊葉材楊樹密度很接近。棉桿屬于一年生禾本科雙子葉植物，其莖桿的組織結(jié)構(gòu)按成熟程度的不同可分為初生結(jié)構(gòu)和次生結(jié)構(gòu)。橫向截面分為皮、木質(zhì)部和髓3部分。按重量比，皮占總量的30%，木質(zhì)部占65%，髓占4.50%，按體積比，皮占總體積的20.75%，木質(zhì)部占63.3%，髓占15.95%。棉桿的橫切面由外向內(nèi)主要可分為皮質(zhì)、初生木質(zhì)部和髓芯部分。皮質(zhì)部分叉可分為表皮、表皮角質(zhì)層、皮層薄壁細(xì)胞和初生韌皮部。在初生韌皮部含有韌皮纖維，纖維細(xì)而長(zhǎng)。最短的0.7 mm長(zhǎng)，最長(zhǎng)的可達(dá)20 mm以上，使棉桿具有極強(qiáng)的韌性，給棉桿切割帶來(lái)一定的困難。

2.3 棉桿力學(xué)特性研究

莖桿的力學(xué)性能指標(biāo)有拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、剛性模量以及秸桿的壓縮特性。本研究根據(jù)制作棉桿排水體的需要，只考慮其剪切強(qiáng)度。

含水率對(duì)秸桿的力學(xué)性能影響較大。當(dāng)含水率較大時(shí)，秸桿特性類似于塑性材料，其柔韌性較好，不易斷裂，剪切強(qiáng)度也相對(duì)較高。而含水率減小時(shí)，其特性趨近脆性材料，柔韌性減弱，脆性增強(qiáng)，易斷裂。含水率很低或者很高時(shí)其剪切強(qiáng)度均較高。當(dāng)年種植的棉桿在12月中下旬1個(gè)月內(nèi)較為適合切割，此時(shí)所需的剪切功較少，可以節(jié)省16.4%的剪切功。但由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間為3～5月，該時(shí)段內(nèi)棉桿基本已基本干透，棉桿脆性增大，很易折斷，但同時(shí)剪切強(qiáng)度較大，不易切割加工。

2.4 棉桿排水體制作工藝

由于棉桿結(jié)構(gòu)與木材相似，具有較強(qiáng)韌性和強(qiáng)度，在需求量大、質(zhì)量要求較高、加工時(shí)間緊的情況下，對(duì)棉桿的切割加工具有一定的困難。對(duì)棉桿的切割需要較強(qiáng)的機(jī)械剪切力，一般人工難以承受，不能長(zhǎng)時(shí)間大量生產(chǎn)，目前用于棉桿等硬莖干的切割粉碎設(shè)備不多，且設(shè)備的產(chǎn)量、能耗、粉碎粒度、經(jīng)濟(jì)性以及機(jī)具本身工作的穩(wěn)定性、操作的安全性等方面存在許多缺陷，不能很好地滿足棉桿切割作業(yè)的要求。因此，研究制作了小型棉桿切割裝置，該裝置由電動(dòng)機(jī)、渦輪蝸桿減速機(jī)、聯(lián)動(dòng)盤、鏈桿、限位器、行程導(dǎo)軌、刀頭、切割長(zhǎng)度調(diào)節(jié)擋板、進(jìn)料托盤等部件組成。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，為裝置提供動(dòng)力；減速機(jī)速比為25，將電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速降為60 r/min；鏈桿分為上下兩段，通過(guò)鉸接連接，上段鉸接在聯(lián)動(dòng)盤上，下段末端連接刀頭，通過(guò)聯(lián)動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏈桿和刀頭實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鏈桿下段中部設(shè)有固定在支撐柱上的限位器和行程導(dǎo)軌，限定鏈桿運(yùn)動(dòng)位置，保證鏈桿和刀頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡始終保持在一條中心線上。通過(guò)調(diào)節(jié)切割長(zhǎng)度擋板與刀頭的間距，可以任意控制切割長(zhǎng)度。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、易操作、運(yùn)行穩(wěn)定，且可以方便地對(duì)切割長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，切割均勻度較好，其切割速度和能力也能夠滿足試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)制備棉桿排水體填充材料的要求。

現(xiàn)場(chǎng)填充的棉桿排水體，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為疏松，可視為散粒材料的堆積體。各規(guī)格下的棉桿直徑均為30 cm，長(zhǎng)度為1.0 cm，堆積體積70 650 cm3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，規(guī)格2～3 cm的棉桿排水體總重約19.5 kg，裹料采用 200 g/m2無(wú)紡布，用量 1.2 m2，重約0.24 kg，則填充材料重約19.26 kg，堆積密度約為0.273 g/cm3；同法計(jì)算規(guī)格3～5 cm的棉桿排水體填充物重約18.56 kg，堆積密度約為0.263 g/cm3；規(guī)格5～7 cm的棉桿排水體填充物重約17.66 kg，堆積密度約為0.25 g/cm3。不同規(guī)格棉桿排水體的空隙率計(jì)算如表1示。

表1 不同規(guī)格棉桿排水體空隙率表

由表1可以看出，棉桿排水體填充材料長(zhǎng)度越大，填充后的排水體堆積密度越小，其空隙率越大。即填充后的排水體密實(shí)度較小，埋地后抵抗上部土體擠壓變形的能力較差，但同時(shí)能夠具有較好的吸水性能和水流通過(guò)性，排水能力較強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

同其他傳統(tǒng)暗管管材相比較，棉桿排水體具有資源豐富、取用方便、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保，并且排水效果好、易于加工和施工等優(yōu)勢(shì)，適合在暗管改堿治理鹽堿地工程中應(yīng)用。棉桿排水體是處于潛水臨界水位線以下，與外界空氣隔絕，但水中少量的溶解氧也會(huì)對(duì)棉桿排水體造成腐蝕，這應(yīng)在下一步的應(yīng)用中加以觀察和研究。