嚴(yán)寒地區(qū)輸水管材選擇及其埋設(shè)

田利萍，舒子亨

（1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利與土木建筑工程系，010050，呼和浩特；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，010018，呼和浩特）

打機(jī)電井抽取地下水，經(jīng)地埋干支管輸水，經(jīng)豎管接地面輔管，再接滴灌帶進(jìn)行膜下滴灌是通常應(yīng)用的一種有效的節(jié)水灌溉方式。地埋輸水管在其中起著重要作用，在節(jié)水灌溉工程投資中占有較大比重。在設(shè)計和施工中對輸水管管材、管徑、埋置深度和管槽斷面還存在不同的處理，特別是對北方嚴(yán)寒地區(qū)硬塑管的埋置深度還有不同認(rèn)識。除打機(jī)電井經(jīng)地埋輸水管道在地面上進(jìn)行膜下滴灌外，還有采取噴灌、微噴的節(jié)水灌溉方式，輸水管道是必有的工程設(shè)施，上述問題同樣存在。通過工程實踐，認(rèn)為有些問題有進(jìn)一步探討的必要。

一、管材的選擇

可用于膜下滴灌、微噴和噴灌的管道種類有多種，應(yīng)根據(jù)灌區(qū)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，如地形、地質(zhì)、氣候、運輸、供應(yīng)以及使用環(huán)境和工作壓力等條件，結(jié)合各種管材的特性及適用條件進(jìn)行選擇。地埋固定管道可選用鋼筋混凝土管、鋼絲網(wǎng)水泥管、鑄鐵管、鋼管和硬塑料管。各種管道沿程損失公式中的f、m、b值見表1。

從表1可見，管道沿程損失以鋁管、鋁合金管和硬塑料管最優(yōu),鋁管較貴，鋁合金管多用于半固定式噴灌的地面移動管道。近年來國內(nèi)節(jié)水灌溉工程地理固定管道優(yōu)先選用輕便、耐腐蝕、易安裝和價格低的塑料管，一般多選用硬聚氯乙烯管 （UPVC）、改性聚丙烯管（PP）和低密度聚乙烯管（LPPE）。三種硬塑材管道均具有強(qiáng)度極好的耐化學(xué)腐蝕性，遇濃鹽酸、濃硫酸和50%的氫氧化鈉溶液或濃氨溶液強(qiáng)度幾乎不降低，對其他化學(xué)品幾乎沒有變化；對蟲蛀、霉菌有充分的抵抗力；無毒；流體阻力小;易于運輸和儲存；壽命長。三者比較，UPVC管強(qiáng)度較高，而抗紫外線、抗凍性稍差，故不適于放置地上，地埋宜在凍層以下；PP管韌性較好，溫度適用范圍-30℃～140℃，而同一管徑、壁厚時工作壓力較UPVC管低；PE管抗摩性好，韌性也好，耐沖擊強(qiáng)度較高，軟管低溫時仍能保持柔軟性，故地面軟管均采用PE軟管。需要注意節(jié)水灌溉地埋管道都屬于壓力管，不同硬塑料管在相同管徑和壁厚時，可承受的工作壓力和單價有一定差異，舉同一廠家產(chǎn)品為例,詳見表2。

表1 各種管道沿程損失公式中的f、m、b值

從表2比較同管徑、同壁厚UPVC管工作壓力高出PP管和HPPE80管57.5%～100%，單價高出PP管21.4%～51.2%;同管徑、同壁厚在公稱外徑小于140 mm時UPVC管工作壓力高于HPPE80管，而單價還略低于HPPE80管；同管徑、同壁厚同工作壓力時HPPE80管比PP管貴約 1/3；性能價格比UPVC管最優(yōu)，PP管略低于HPPE80管，對于公稱外徑大于160mm時UPVC管優(yōu)勢下降。在嚴(yán)寒地區(qū)管道若埋置在最大凍深以下時出于經(jīng)濟(jì)考慮，宜用UPVC管；若由于某些原因管道埋置在深層時，最好使用PP管，也可以考慮PE管。

二、管徑的確定

節(jié)水灌溉（滴灌）若以機(jī)電井作為水源，且一個井獨立控制一個田塊，地埋管道管徑選擇：第一級干管管徑由單井出水量計算確定；第二級支管管徑要考慮管道輪灌順序和編組，以在輪灌組中可能通過的最大流量作為確定管徑的設(shè)計流量。

例：一單井控制面積 180 畝（12hm2），單井出水量28 m3/h，采用膜下滴灌。設(shè)地埋干管、支管，設(shè)地面輔管，毛管（滴灌帶）。一條干管長360 m，支管平行3行，左右共6條，支管間距120 m。支管上豎管接地面輔管，每條支管接18條輔管，每條輔管長9.3 m；每條輔管左右雙向接16對共32條毛管，每條毛管長60 m。干管為續(xù)灌，支管、輔管、毛管為輪灌，每輪灌組開啟2條支管，每支管開啟1條輔管及其相連所有毛管，輪灌組數(shù)54組。毛管上滴頭選型號為WDF16/2.1-100，即每個滴頭流量q=2.10L/h，每條毛管長60 m，則滴頭數(shù)為60/0.3=200個，每條毛管最大流量為 2.10×200=420L/h。

1條輔管連16對（32條）毛管，每條輔管設(shè)計流量為 16×2×0.42=13.44 m3/h。

1條支管每次輪灌只開1條輔管，故支管和輔管流量相同，均為13.44 m3/h。

1條干管每次輪灌2條支管，故干管設(shè)計流量為13.44×2=26.88 m3/h。比單井出水量28 m3/h量小，流量選擇合適。

滴灌系統(tǒng)各級管道流量和管徑結(jié)果見表3。

選用管徑（內(nèi)徑）應(yīng)比計算值大一些，才能通過設(shè)計流量，管徑越大，管道沿程損失越小，但若過大，則會增加管道投資。

三、管道埋置深度

地埋輸水管埋置深度準(zhǔn)確講是指管頂埋置深度，在我國部分寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)這是一個重要問題。多數(shù)規(guī)范原則上要求埋在凍層以下，但對凍層的表述略有不同?！豆喔扰c排水工程設(shè)計規(guī)范》中埋深應(yīng)在凍土層以下；《泵站設(shè)計規(guī)范》中埋管管頂最小埋深應(yīng)在最大凍土深度以下；《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》中管槽開挖深度宜使管道工作在凍層以下，如在凍層中埋設(shè)應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，并有相應(yīng)措施。《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》關(guān)于埋置深度規(guī)定最詳盡具體：冬季通水的管頂?shù)穆裰蒙疃炔灰诵∮谠O(shè)計凍深，如埋于凍層內(nèi)，應(yīng)論證其抗凍脹穩(wěn)定性；冬季不通水的埋深應(yīng)根據(jù)土的凍脹級別、凍脹量沿深度分布的實測資料和管道允許變形量確定。在無實測資料的情況下，當(dāng)土的凍脹級別為Ⅰ、Ⅱ級時可根據(jù)具體情況比設(shè)計凍深小10%～20%；當(dāng)土的凍脹級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級時應(yīng)大于設(shè)計凍深，并要求埋設(shè)在凍層內(nèi)冬季不通水的暗管，管內(nèi)的水凍前應(yīng)放空。

表2 同管徑同壁厚不同材質(zhì)塑料管工作壓力和單價

表3 滴灌系統(tǒng)各級管道流量及管徑

這里有凍深、最大凍層和設(shè)計凍深三種提法。工程上凍結(jié)深度是指標(biāo)準(zhǔn)凍深，采用氣溫條件相近的鄰近氣象站的多年凍深平均值，凍深資料系列不宜短于10年。當(dāng)凍深資料短于10年或無資料時，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐?0年以上氣溫資料，計算出凍結(jié)指數(shù)多年平均值，按式（1）計算工程地點的標(biāo)準(zhǔn)凍深。

式中，H0為工程地點的標(biāo)準(zhǔn)凍深，cm；I0為凍結(jié)指數(shù)的多年平均值，（℃）；α為系數(shù)，按表4取用。

規(guī)范指的凍深和最大凍深是同一概念，即標(biāo)準(zhǔn)凍深。設(shè)計凍深系指工程地點考慮建筑物級別以及日照、地下水影響凍結(jié)深度，按式（2）計算。

式中，Hd為工程設(shè)計凍深，cm；Kp為頻率模比系數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)凍深≥1.0 m時，約為1.1～1.2；Kd為考慮日照及遮陰程度的修正指數(shù)，0.6～1.5；K2為地下水影響系數(shù)，在地下水埋深0～2 m時為0.85～1.0；設(shè)計凍深根據(jù)系數(shù)不同在標(biāo)準(zhǔn)凍深上下浮動。對沒有大中型工程的農(nóng)田水利工程就用標(biāo)準(zhǔn)凍深（既最大凍深），以此作為管道埋深的主要依據(jù)。

關(guān)于管道埋深，提出如下觀點：在季節(jié)凍土地區(qū)原則上輸水管應(yīng)埋在標(biāo)準(zhǔn)凍深以下；在標(biāo)準(zhǔn)凍深大于2 m，開挖管槽有困難，特別是地下水水位深埋小于2 m時，對非嚴(yán)重凍脹土情況下，管道頂部深埋可取標(biāo)準(zhǔn)凍深的2/3。

取2/3的理由是：在季節(jié)凍土層范圍，地表層負(fù)溫值最大，而凍層的下界面溫度為零，從地表以下負(fù)溫度的分布是呈雙曲線形式而遞減；而土中水分的變化恰恰相反，在自然蒸發(fā)及重力作用下，水分分布隨深度增加而遞增，尤其地下水較淺的地方，土層的水分主要集中在下層。然而，秋末的降雨及灌溉、人工排水往往改變了這種水分分布規(guī)律，使土中水分分布呈上大下小或者上下大而中間小。正是受這些因素影響，凍土層的法向凍脹力從地表向下不是線性增加規(guī)律，一般說地表以下1/2～2/3的最大凍層范圍內(nèi)法向凍土力是遞增的，2/3以下呈相對穩(wěn)定或者有所下降。故提出在地下水較深、非嚴(yán)重凍脹土情況下，管道頂部埋深可取大于等于最大凍深的2/3，以2/3作為管道埋設(shè)在凍層的頂線，以盡可能減少管槽的土方開挖量和回填量。這一觀點與內(nèi)蒙古通遼市水利科學(xué)研究所、中國水利水電科學(xué)研究院《低層輸水管道防凍害及適宜埋深試驗研究》科研成果基本一致。該項研究3年觀測最大凍深109 cm，0～80 cm 為砂壤土，80 cm 以下為重壤土，凍前地下水埋深2.81m，凍結(jié)期地下水水位下降很小，最大凍深時僅下降2.5cm?？梢哉J(rèn)為凍結(jié)期地下水水位處于穩(wěn)定狀態(tài)，凍前地下水埋深較大，地下水對凍結(jié)初期凍結(jié)鋒面的補給較小，但隨著凍深的增加，地下水水位與凍結(jié)鋒面距離的縮小，地下水對凍脹的影響逐漸增大。試驗研究在3個凍結(jié)期進(jìn)行，得出0～80 cm凍脹率較大，80～100 cm凍脹率較小，認(rèn)為在凍深1.09 m時，管道在管道在凍土層適宜埋深應(yīng)在0.8 m以下。

為村鎮(zhèn)提供自來水用塑料管埋深，應(yīng)嚴(yán)格在凍深以下，美國規(guī)定塑料管埋深不小于凍深以下0.3 m，日本規(guī)定不小于0.2 m。

表4 標(biāo)準(zhǔn)凍深計算式中系數(shù)α值

表5 國外自來水管不同管徑和管槽底寬

表6 國內(nèi)自來水管不同管徑和管槽底寬

四、管槽橫斷面及回填

管項埋深確定后加上管徑即可確定管槽開挖深度。管槽底寬主要根據(jù)管徑并考慮施工要求確定，自來水管資料可供參考，國外自來水管不同管徑管槽底寬見表5，我國自來水公司不同管徑管槽底寬見表6。對于農(nóng)村地埋硬塑管管槽底寬宜取管徑加0.50 m。

至于管槽兩側(cè)邊坡與地基土性質(zhì)有關(guān)，由于管槽開挖鋪管之后還要回填，在保證邊坡穩(wěn)定條件下，邊坡盡可能陡。

管道可直接鋪設(shè)在未經(jīng)擾動的原狀土地基上，如地基為巖石、礫石時必須在其上鋪設(shè)細(xì)土或砂墊層，其厚度為0.10～0.20 m。

管道鋪設(shè)后要及時對管槽進(jìn)行回填，要保證回填質(zhì)量，管周20 cm不應(yīng)有直徑大于2.5 cm的礫石和直徑大于5 cm的塊石，也不得夾雜尖硬物。注意管道兩側(cè)同時進(jìn)行回填，嚴(yán)禁單側(cè)回填。直接與管壁接觸處應(yīng)先用砂土或顆粒粒徑不大于12 mm的土回填至管頂上側(cè)30 cm處，經(jīng)夯實后方可回填厚土，每層20 cm，分層輕夯。若回填土為砂土，可采用浸水水墜方法自行壓實。

[1]灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范（GB 50288—1999）[S].北京：中國計劃出版社，1999.

[2] 泵站設(shè)計規(guī)范（GB50265—1997）[S].北京：中國計劃出版社，1997.

[3]水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范（SL 211—2006）[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[4]童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985.

[5]土工合成材料應(yīng)用手冊編寫委員會.土工合成材料工程應(yīng)用手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[6]水利部農(nóng)村水利司，中國灌溉排水發(fā)展中心.節(jié)水灌溉工程實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2005.