北方寒區(qū)輸水管道埋置深度分析及防凍害措施探討

王 鋒

(三門峽市水利勘測設計有限責任公司，河南 三門峽 472000)

0 引 言

北方寒區(qū)普遍分布著凍土層，因水量和溫度的變化會導致周圍土壤的環(huán)境，造成管道的凍脹融沉問題，對輸水管道的長期安全穩(wěn)定問題帶來不利影響。因此，分析寒區(qū)凍土的溫度場、滲流場的變化，采取不同埋深的管道埋深設計，對于預防管道凍害情況的發(fā)生具有十分重要的意義[1]。

管道的使用涉及人們生活的方方面面，如工業(yè)[2]、建筑[3]、交通[4-6]等等，但都需要根據(jù)地區(qū)氣候、環(huán)境的不同，采取一定的保溫防凍措施。運用運行、管理和工程措施等防冰和防冰凍措施，形成科學合理的保溫防凍害體系，才能確保渠道、管道安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟的運行[7-8]。張科亮等根據(jù)前人理論，對影響管道埋深的各種因素進行了詳細的分析和計算[9]。郝國紅結(jié)合抗凍、抗沖刷、上部耕種等要求，同時還應滿足施工完成尚未通水階段及檢修階段的抗浮要求，對管道埋深做出了相應的分析，并提出了管道埋深確定的具體意見[10]。

目前，關于寒區(qū)輸水管道埋置深度的文獻還比較少見。本文在分析和總結(jié)前人研究經(jīng)驗的基礎上，以北方某輸水管道設計工程為例，采用理論分析和數(shù)值計算的方法，對管道埋深進行詳細分析，并針對分析結(jié)果提出相應的防凍害措施，可為類似地區(qū)的管道設計提供經(jīng)驗借鑒。

1 影響管道埋置深度的主要因素

1.1 土壤凍結(jié)深度

寒區(qū)凍土的凍結(jié)深度，是對輸水管道埋深影響的關鍵因素，土壤的凍結(jié)深度與該地區(qū)的氣溫、風向、風力、地理位置、水文地質(zhì)、地表覆蓋、積雪時間和厚度等息息相關。圖1為研究區(qū)多年來的最大凍土深度變化趨勢。從圖1中可以看出，每個年代的土壤最大凍結(jié)深度是不同的，以某一年代的最大深度作為設計冰凍線可能是不準確的，會造成管道埋深過大與工程造價的相應增加。因此，需要在輸水管道設計和施工過程中，考慮歷年的凍深設計期，還需預測今后的冰凍線的合理變化趨勢，才能節(jié)約工程造價，同時保證管道正常安全穩(wěn)定運行。

圖1 最大凍土深度變化特征

1.2 地下水位

當?shù)叵滤辉诒鶅鼍€以上時，這個地段的凍土深度就會明顯減小，管道的埋深也會相應的減小，這對節(jié)約工程造價是有利的；當?shù)叵滤橇鲃訒r，對于土體內(nèi)部的熱交換更為有利，使得土壤更不易發(fā)生冰凍，減小管道發(fā)生凍脹的概率。年代不同、季節(jié)不同，地下水位也不同，需要綜合考慮變化趨勢，以便合理確定管道深度。

1.3 其它因素

輸水管道在給水系統(tǒng)中的作用、管道的長度，以及管道內(nèi)的水溫、管徑、流量、流速、交叉狀況等均是影響管道埋深的因素，在設計施工時均要綜合考慮。

2 數(shù)值計算模型的建立

基于埋管周圍溫度場的復雜化性，為簡化計算，作出如下假設：

①暫不考慮水分流動引起的熱遷移，即管道和土壤之間僅進行純導熱方式傳熱。

②忽略接觸熱阻。

③土壤是各項均質(zhì)的。

④在一定水平距離方向，沒有熱流。

⑤在某一深度時，地溫是恒定的。

通過分析管道周圍溫度場的特性，將大地這一無限大區(qū)域進行有界化處理，得到如下的埋管熱傳二維物理模型，見圖2。

圖2 埋管熱傳二維物理模型

不考慮水分遷移的作用，那么管道對土壤的熱傳計算就可以簡化為如下的三維模型：

(1)

式中：c為凍土比熱，J/(kg·K)；λ為凍土導熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為凍土密度，kg/m3；T為溫度，K。

再根據(jù)假設，在水平距離一定長度內(nèi)，沒有熱流，且埋深一定的土壤溫度是恒定的。因此，可將式(1)再簡化，得到：

(2)

以北方某地區(qū)輸水管道工程為例，該輸水管道的管道外管徑D為0.3 m，內(nèi)管徑d為0.25 m，管內(nèi)設計水溫為Tw=278 K，凍土的導熱系數(shù)λ為1.25 W/(m·℃)，比熱容c1=1 432 J/(kg·℃)，土壤密度大小ρ=1 823 kg/m3，管內(nèi)外的熱傳系數(shù)αk=2.34 W/(m2·℃),土壤與空氣的熱傳系數(shù)αk=17.4 W/(m2·℃)，管道的導熱系數(shù)大小為1.8 W/(m2·℃)，管道的密度大小為7 850 kg/m3，比熱容為435 J/(kg·℃)。該地區(qū)最冷氣溫在每年1月份，日最低平均氣溫為-10℃，X、Y方向的計算邊界定義為1.6和2.1 m，Z方向為管道埋深，其數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 模擬結(jié)果分析

分別假設管道埋深為0.4、0.7、0.9、1.4以及1.9 m，模擬分析得到的埋管周圍的溫度場(等溫線)的變化特征見圖4。從圖4中可以看到，不管管道埋多深，其管道周圍的等溫線均呈上密下疏的態(tài)勢，這主要是由于埋管內(nèi)的水溫與地表溫度有較大差別，使得向上散失的熱量大于向下散失的熱量。當埋深為0.4～0.9 m時，隨著埋管深度的增加，273 K等溫線逐漸往上偏移，這主要是因為在埋深較淺時，地表溫度對土壤溫度場的影響更大；當管道埋深在0.9～1.9 m時，273 K溫度線的位置并沒有明顯變化，說明管道埋深越深，溫度的變化情況就越不明顯，地表溫度對土壤內(nèi)溫度的影響越小。

圖4 不同埋置深度模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果可以看出，當管道埋深大于0.9 m后，埋管周圍土壤溫度的下降情況基本接近，即趨于穩(wěn)定狀態(tài)，無論地面氣溫再怎么變化，土壤溫度場的變化都較小。因此，通過分析認為該地區(qū)輸水管道的最佳埋深為0.9 m左右，既可以保證輸水管道長期穩(wěn)定安全運行，減小凍脹情況發(fā)生，也可以大大降低施工工程量，減少建設成本，節(jié)約工程造價。

4 管道凍害機理及防凍害措施

工程實踐表明，當土壤溫度為-4℃～-5℃時，輸水管道內(nèi)的介質(zhì)就會保持流動，不會發(fā)生凍結(jié)，土壤的類型、含水率、位置以及氣溫等因素是影響最大凍土深度的主要因素。因此，不同地區(qū)的地溫在-4℃～-5℃時的凍土深度也不一致，可根據(jù)凍土層內(nèi)不同深度處的負溫變化特征規(guī)律，得到任意深度Hx處的負溫值：

(3)

式中：tx、tp分別為負溫值以及最低月平均地面負溫值；H、Hx為任意深度和最大凍結(jié)深度；n為計算系數(shù)，通過分層加權(quán)計算可得。

根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T數(shù)據(jù)確定當?shù)卦缕骄钚〉販刂禐?-4℃～-5℃)處的地層深度的大小，再根據(jù)式(3)可計算出輸水管道的最淺埋置深度，并考慮土的凍脹性能，乘以一個安全系數(shù)，即可指導不同地區(qū)的輸水管道埋深設計和施工。

通過上述分析和研究認為，在確定最佳埋深的基礎上，防治輸水管道凍害還需做到：

1) 要改善埋管周圍土壤的水分條件，如地下水流向、水位等。

2) 對于易凍脹的土要進行換填，一般而言凍脹發(fā)生概率由大到小為：亞黏土、沙土>黏土>砂礫石、粗砂。

3) 采取隔熱墊層防止沉降等工程措施。

4) 采取增強抗拔力的措施，如拋填、換填、木條基等。

5) 采取保溫措施以及一些特殊材料構(gòu)件等。

5 結(jié) 論

1) 對影響管道埋置深度的主要因素進行了剖析，并在滲流理論和傳熱學理論基礎上，建立起寒區(qū)管道的埋深物理計算和數(shù)值分析模型。

2) 以某輸水管道工程為例，對不同埋置深度下的溫度場進行分析，得到0.9 m埋深為該研究區(qū)最佳管道埋深。

3) 綜合研究成果和前人經(jīng)驗，對管道凍害機理進行了簡要分析，并對輸水管道的防凍害措施進行了探討，可為類似地區(qū)的輸水管道設計施工提供借鑒。