東北地區(qū)灌溉管道的淺埋技術(shù)研究

白 靜，謝崇寶，高 虹，陳石磊(.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 00054；.北京中灌綠源國(guó)際咨詢有限公司，北京 00054)

1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)凍土分布十分廣泛，占國(guó)土面積的55%。凍土區(qū)可以分為：季節(jié)性凍土區(qū)和多年凍土區(qū)。季節(jié)性凍土區(qū)主要分布在東北、華北和西北等地，多年凍土區(qū)主要分布在黑龍江、吉林，內(nèi)蒙古北部、西藏和部分高山地區(qū)。凍土的土力學(xué)性質(zhì)尤其是凍土的凍脹和融沉是凍土方面研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，學(xué)者們?cè)噲D探討凍脹、融沉的機(jī)理或者估算其量的大小[1-3]。在凍土中埋設(shè)管道，凍土對(duì)管道的影響、管道的鋪設(shè)、管道的開裂方式等也廣受學(xué)者的關(guān)注。趙薇娜[4]采用損傷力學(xué)的方法研究了塑料管道的破壞機(jī)理；陳繼[5]采用仿三維數(shù)值方法模擬分析了土壤含水量、地表溫度、管道埋深等主要因素對(duì)地埋管道最不利水溫的影響；呂宏慶等[6]分析了多年凍土區(qū)管道的主要失效形式和產(chǎn)生機(jī)理，以及管道檢測(cè)的內(nèi)容。

在灌溉管道系統(tǒng)中，出于經(jīng)濟(jì)效益和成本的考慮，一般采用PVC或PE塑料管道。在東北凍土區(qū)，凍土深度可達(dá)1.8 m，局部極寒冷地區(qū)的凍土深可達(dá)2.3 m。東北大部分地區(qū)采用管道淺埋，埋深以0.8 m居多，可以降低挖填方成本。同時(shí)，需要采取適當(dāng)防凍措施，防止管道凍裂。這種管道淺埋的方式，在東北四省節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目區(qū)中應(yīng)用廣泛，目前沒有出現(xiàn)大的問題。根據(jù)塑料管道特性和寒冷的工作環(huán)境，建議淺埋管道采用PE管道。在我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)有了管道淺埋成功的試驗(yàn)和實(shí)踐，比如晉北地區(qū)[7]，東北地區(qū)[8]等。本文中，在分析地埋管道受力情況和管道開裂方式的基礎(chǔ)上，著重分析了管道內(nèi)部冰脹壓力、凍土的凍脹和融沉作用，在此基礎(chǔ)上提出了淺埋防凍的具體措施和建議。

2 地埋灌溉管道的受力分析

根據(jù)管道內(nèi)是否存水、地埋管道周圍土壤溫度狀況，分以下4種情況對(duì)管道的受力分別進(jìn)行分析。這里將管道承受的荷載分為：恒定荷載和非恒定荷載。恒定荷載是指管道上保持不變的重力，非恒定荷載是指在不同的工作環(huán)境和溫度條件下，管道上受到不斷變化的荷載，比如水壓力、冰壓力、土壓力等。

除了恒定的重力外，管道的受力情況分析如下：

(1)管道內(nèi)存水不結(jié)冰，管道周圍沒有凍土的情況(灌溉時(shí))。管道受力有土壓力、水壓力，可能存在少量的溫度應(yīng)力和土體摩擦力。其中溫度應(yīng)力由管道熱脹冷縮引起，是管道受到的軸向力之一。土體的摩擦力為管道周圍阻止管道沿著軸向變化的軸向力，是溫度應(yīng)力的反作用力。這種情況下，不論是溫度應(yīng)力還是土體摩擦力對(duì)管道都不會(huì)造成破壞。

(2)管道內(nèi)沒有存水，管道周圍沒有凍土的情況(灌溉間歇期)。管道的受力有土壓力，可能存在少量的溫度應(yīng)力和土體摩擦力。這些外力不會(huì)對(duì)管道造成破壞。

(3)管道內(nèi)無水、管道周圍有凍土的情況(冬季)。管道的受力有土壓力，較大的溫度應(yīng)力和土體摩擦力。在管道周圍的情況下，由于土體中水分的凍結(jié)和冰體(特別是凸鏡狀冰體)的增長(zhǎng)引起土體膨脹，會(huì)使土壓力變大，這種情況下，可能會(huì)受到凍土的凍脹破壞。

(4)管道存水結(jié)冰、管道周圍有凍土的情況(冬季)。這是比較危險(xiǎn)的情況，管道的受力不僅有土壓力、冰壓力，存在較大的溫度應(yīng)力和土體摩擦力。由于受到管道內(nèi)部冰壓力和外部土體的凍脹作用，管道容易遭到破壞。為了解決寒冷地區(qū)地埋管道易遭受破壞的問題，有必要對(duì)管道的破壞情況做一步分析。

3 灌溉管道的破壞形式

根據(jù)管道破壞的速度，灌溉PE管道可以分為快速破裂和慢速破裂。

(1)快速破裂。PE管道快速破裂，是一種脆性開裂形式，容易在低溫情況下發(fā)生。在管道運(yùn)行時(shí)，管道上產(chǎn)生微小裂紋，當(dāng)內(nèi)部或者外部壓力超過其臨界壓力時(shí)，裂紋以100～450 m/s的速度擴(kuò)展，直到驅(qū)動(dòng)力小于臨界壓力時(shí)為止。這種破裂大致可以分為兩個(gè)階段[4]：

第一為裂紋產(chǎn)生階段，此階段占管道生命周期的90%，也就是說在管道正常使用期間，有90%的時(shí)間是在產(chǎn)生微觀裂紋，但這些裂紋還不影響管道的正常使用。此過程可以用材料力學(xué)中的損傷力學(xué)進(jìn)行分析和描述。裂的紋產(chǎn)生大概有：①蠕變產(chǎn)生了微小裂紋；②接頭焊接造成了缺陷；③水錘沖擊造成微觀裂紋；④大型機(jī)械碾壓產(chǎn)生裂紋；⑤管道內(nèi)部冰壓力產(chǎn)生裂紋。

第二為裂紋發(fā)展階段，此階段占管道生命周期的10%，具體表現(xiàn)為管道應(yīng)變和內(nèi)部壓力的釋放對(duì)管壁的撕裂作用。管道應(yīng)變和內(nèi)部壓力的釋放為管道開裂提供了驅(qū)動(dòng)力，單位面積裂紋形成所消耗的能量是管道裂紋增長(zhǎng)的阻力。此階段驅(qū)動(dòng)力大于裂紋增長(zhǎng)阻力，裂紋以100～450 m/s的速度擴(kuò)展(圖1)。

圖1 裂紋過程中的驅(qū)動(dòng)力變化Fig.1 Changes of driving force in the crack developing process

(2)慢速破裂。慢速開裂的主要影響因素是管道本身的微觀結(jié)構(gòu)。在低應(yīng)力條件下，慢速破裂是管道破壞最典型的一種形式。在這種情況下，PE管的分子鏈發(fā)生了解纏。管道慢速破裂的影響因素主要是PE管的微觀結(jié)構(gòu)[9]：比如分子量的分布、支鏈的密度和分布、支鏈的長(zhǎng)度、結(jié)晶后片晶的厚度及完整性等等，這些因素與管道的加工合成工藝相關(guān)。

在本文中，主要關(guān)注的是管道的快速開裂過程。灌溉管道淺埋時(shí)，在冬季完全處在凍土層中，采用適宜的防凍措施，防止管道快速開裂是我們研究的重點(diǎn)。

4 管道內(nèi)部冰脹壓力估算

結(jié)合東北管道損壞情況，認(rèn)為管道內(nèi)部的冰脹壓力是管道破壞過程中最重要的受力因素。假定管道內(nèi)為滿管流，在只考慮冰的壓縮性的前提下，采用胡克定律對(duì)管道內(nèi)部的冰壓力進(jìn)行分析和計(jì)算。

根據(jù)胡克定律有

(1)

式中：ε為材料的應(yīng)變；σ為材料的應(yīng)力；E為材料的彈性模量。

PE管內(nèi)壁受到冰脹壓力P的作用，沿著徑向產(chǎn)生的變形ΔLp為：

(2)

式中：P為冰脹壓力；Ep為PE管的彈性模量；δp為PE管的厚度；C=δp/Rp為PE管的相對(duì)厚度；Rp為PE管的內(nèi)半徑。

PE管內(nèi)冰體受到管壁約束力P的作用，比在無約束的條件下沿著徑向少產(chǎn)生的變形ΔLI為：

(3)

式中：P為冰脹壓力；EI為冰的彈性模量；φI為結(jié)冰率，PE管道內(nèi)冰水混合物中冰的比例。

在沒有約束的情況下，管內(nèi)冰體沿著徑向的變形量ΔL′L為：

ΔL′I=φIαIβRp

(4)

式中：αI=(γW/γI)1/3-1，是水結(jié)冰后的膨脹系數(shù)；γW為水的密度；γI為冰的密度；β為冰脹壓力沿著徑向的傳遞系數(shù)。

由ΔL′I=ΔLI+ΔLP可得，

(5)

采用0.6 MPa dn90的PE管進(jìn)行冰脹壓力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1所示，從計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在滿管水流的情況下，如果沿著徑向的壓力傳導(dǎo)系數(shù)大于0.05時(shí)，隨著管道內(nèi)水結(jié)冰過程的進(jìn)行，冰脹壓力超過PE管的承壓能力(0.6 MPa)，PE管容易發(fā)生爆裂。

表1 管道內(nèi)冰脹壓力計(jì)算結(jié)果 MPaTab.1 The Calculation result of ice-expansion pressure in pipeline

5 凍土的凍脹和融沉作用

凍土對(duì)管道的影響主要表現(xiàn)為凍脹和融沉作用[10]。土體凍脹量和融沉量獲取方法有：實(shí)地觀測(cè)、試驗(yàn)觀測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式和模擬計(jì)算。凍脹作用主要表現(xiàn)為：在結(jié)冰時(shí)，土體中水分子以薄膜水的形式從溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域遷移，水分凍結(jié)引起土體向上膨脹，管道向上翹曲，如圖2所示。土體凍脹量的影響因素有土體的凍結(jié)深度、含水量、顆粒級(jí)配、溫度和壓力等。

凍脹量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

(6)

(7)

式中：a為調(diào)整系數(shù)，與土體的級(jí)配、地下水埋深有關(guān)；ω為土體含水率；ωp為土體的塑限含水率。

融沉作用表現(xiàn)為：在融化后不穩(wěn)定區(qū)域，凍土融化后，土體沉降失去支撐作用，管道向下彎曲，如圖3所示。融沉量的影響因素有土體的融化深度、含冰量和顆粒級(jí)配等。

忽略應(yīng)力固結(jié)的作用，融沉量可以用下式來估算[11]:

(8)

式中：h2為融沉量；ω為土體含水率；γd是土體的干密度；ω為土體的含水率(以重量計(jì))；Cr=ω/ωb；ρw為水的密度；z2為融化層的高度。

圖3 凍土的融沉作用Fig.3 The thaw-settlement effect of frozen ground

在灌溉管道的鋪設(shè)中，為了減少土壤的凍脹量，可以采用換填的方式，改變土體的結(jié)構(gòu)和管道周圍土體的含水量。

6 淺埋防凍措施

針對(duì)管道的受力和破壞情況，淺埋灌溉管道的防凍措施有：

(1)在灌溉季結(jié)束后，排空管道中的殘留水體。在干管的末端設(shè)置排水閥和排水井，灌溉期結(jié)束后，打開排水閥，排空灌溉管道中的水體。對(duì)于地形比較平整的地塊，地埋管道主干管可以按照1/1 000～1/2 000順坡鋪設(shè)，分干管可以按照1/1 000～1/2 000逆坡鋪設(shè)，這樣鋪設(shè)有利于管道內(nèi)水體排空，必要時(shí)可以配備空氣壓縮機(jī)，加速管道內(nèi)水體的排出，如圖4所示。對(duì)于丘陵地帶或者坡地，排水井和排水閥應(yīng)設(shè)置在低處，地埋管道主干管垂直于等高線布置，分干管大致沿著等高線方向按照1/1 000～1/2 000坡度逆坡鋪設(shè)，具體鋪設(shè)如圖5所示。

(2)安裝伸縮節(jié)。為了補(bǔ)償管道軸向、徑向的應(yīng)變，在管道一定距離內(nèi)(建議50 m左右)安裝伸縮節(jié)。一方面伸縮節(jié)可以減少溫度應(yīng)力的變化對(duì)管道的損害，另一方面可以減輕凍土凍脹和融沉對(duì)管道的損害。

(3)管溝換填。管溝換填是將管溝基礎(chǔ)軟弱土層及凍脹性土壤換填為其他強(qiáng)度較高、凍脹性小的材料，見圖6。一方面提高土體承載力，減少沉降量；另一方面加速排出管道周圍的水分，防止凍脹。

圖4 平整地塊的管道布置示意圖Fig.4 The diagram of the pipeline layout for flat fields

圖5 坡地的管道布置示意圖Fig.5 The diagram of the pipeline layout for sloping fields

在遼寧雙遼市和黑龍江龍江縣、林甸縣近三年的“東北節(jié)水增糧行動(dòng)”項(xiàng)目建設(shè)中，地埋管道均采用了淺埋的方式，管道埋深為0.6～0.8 m，并且通過增設(shè)空氣壓縮機(jī)，在灌溉結(jié)束后，排出管道內(nèi)水體，達(dá)到了防凍的效果?，F(xiàn)有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，采用相應(yīng)的防凍措施后，管道淺埋可行。

7 結(jié) 語(yǔ)

淺埋管道最不利的工作情況為管道存水結(jié)冰、管道周圍有凍土的情況，管道受到內(nèi)部冰脹壓力和外部土體的凍脹作用。計(jì)算表明，在管道內(nèi)部充滿水體結(jié)冰的過程中，管道內(nèi)冰脹壓力過大，管道容易損壞，同時(shí)凍土的凍脹和融沉對(duì)管道也不利。針對(duì)管道淺埋的情況，提出了相應(yīng)的防凍措施?，F(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)表明，采用相應(yīng)的防凍措施后，管道淺埋可行。

圖6 管溝換填示意圖Fig.6 The sketch map of the pipeline ditch replacement

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