高寒山區(qū)農(nóng)村飲水安全管道保溫及運行管理防凍措施分析

余 林

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 農(nóng)村飲水安全問題

為全面建成小康社會，實現(xiàn)百年目標，黨和國家對精準脫貧作出全面部署安排，按照打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的相關(guān)3a行動指導意見[1]，要大力加強解決貧困地區(qū)農(nóng)村貧困居民飲水安全問題，完成工程建設任務，加強管護責任，做好工程水源范圍保護，提高人飲水質(zhì)，滿足水量、取用方便、供水保證方便程度等。

近年來，通過一系列的工程措施，農(nóng)村居民飲水安全工作取得了一定的成效，全國范圍內(nèi)以及偏遠山區(qū)飲水安全問題基本已解決。但是在偏遠新疆、北方等高寒山區(qū)農(nóng)村飲水安全項目建設及運行中出現(xiàn)了凍脹現(xiàn)象，簡單的保溫處理并不能保證冬季供水正常。本文以新疆阿克陶縣山區(qū)布倫口鄉(xiāng)農(nóng)村飲水工程為例，分析寒冷山區(qū)凍管原因，并通過保溫技術(shù)措施及運行管理方式使得凍脹問題得以解決，為以后山區(qū)管道工程設計及運行提供參考意義。

2 高寒山區(qū)冬季凍管問題

阿克陶縣地處中國的西面邊境地區(qū)，新疆地區(qū)的西南方，在帕米爾高原東面，塔里木盆地西面，位于東經(jīng)73°26′，北緯37°41′。阿克陶縣為新疆深度貧困縣，飲水安全為三保障的組成部分，解決阿克陶縣飲水安全問題作為重要首要任務，只有決勝農(nóng)村貧困人口的飲水安全攻堅戰(zhàn)，才能全面建設小康社會。近年來阿克陶縣大力開展落實農(nóng)村飲水安全項目建設，包括偏遠山區(qū)木吉鄉(xiāng)、布倫口鄉(xiāng)、塔爾鄉(xiāng)等，做到精準不漏一戶解決農(nóng)村飲水安全問題。

2.1 項目概況

阿克陶縣山區(qū)的布倫口鄉(xiāng)飲水安全項目地處東經(jīng)75°07′～75°38′、北緯39°00′～39°18′之間，位于阿克陶縣西南部，境內(nèi)高山與谷地交錯，海拔在3340～4500m之間，公格爾山與慕士塔格山群峰疊連，溝壑縱橫，山頂終年積雪，并有大面積冰川。項目區(qū)屬高山寒冷氣候，極端最低氣溫 -29.31℃，最大凍土深度200cm。該項目采用管井+輸水方式，2018年建設完成并當年投入使用，經(jīng)過冬天運行出現(xiàn)大面積的凍管現(xiàn)象，冬季無法通水，后2019年對該項目區(qū)部分管網(wǎng)進行整改，此項目在設計中管道埋深均為3m左右，均在最大凍土層以下，閥井均采用預制鋼筋混凝土基的座玻璃鋼成品井，內(nèi)置擠塑保溫內(nèi)井蓋(如圖1所示)，冬季仍出現(xiàn)凍管問題。

2.2 原因分析

該項目在設計時已在最大凍土深度以下，閥井亦采取相應保溫措施，但在仍出現(xiàn)凍管問題，經(jīng)分析，施工中、運行管理中皆存在問題導致冬季凍管無法正常通水。

圖1 管溝及閥井建筑物剖面圖(單位：cm)

(1)回填土壓實不夠。在施工中，部分管道段開挖回填未達到標準的設計深度，管道覆土回填夯實未按照相關(guān)規(guī)范實施，若經(jīng)過降雨等情況地面下沉，導致管道覆土埋深不夠，出現(xiàn)凍管問題。

(2)回填土大石頭較多。山區(qū)進入3月后，本地區(qū)地表溫度開始逐漸回升，地下的冷氣開始向上返，若在施工中，回填效果不好，回填的土石頭較多，由于透風性較強，地下與地上的空氣形成對流，大量的熱量就會散出，此時管道內(nèi)的水不流動就無法產(chǎn)生足夠的熱量來抵抗，致使管道溫度持續(xù)下降，從而會導致管道內(nèi)的水結(jié)凍。

(3)水長期不流動。阿克陶縣地處邊境，山區(qū)牧民多為護邊員，有護邊任務，出勤時間長，屋內(nèi)經(jīng)常幾個月無人居住，屋內(nèi)無暖溫度較低，水龍頭結(jié)冰，向管網(wǎng)延伸，導致整個管網(wǎng)凍管停水。

(4)山區(qū)牧民及運行水管人員防凍保溫意識不夠。山區(qū)牧民及水管人員任意上下閥井，開關(guān)閥門，導致玻璃鋼閥井內(nèi)置保溫泡沫蓋置不嚴，冷空氣進入井內(nèi)，內(nèi)部溫度也會降至冰點之下，閘閥關(guān)閉，水流不通，水表凍壞，最終導致管道凍脹，整個冬季無法通水。

3 解決凍管問題技術(shù)措施

3.1 管道采取保溫措施

根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗及研究成果，對高寒易凍地區(qū)，輸水管道可以采用保溫方法。電伴熱保溫措施防凍，在高寒牧區(qū)相應電壓不穩(wěn)，農(nóng)村飲水采用此方法成本較高，不宜采用。一般采用保溫材料對管道進行保溫[5- 6]。目前，根據(jù)國內(nèi)已有的工程經(jīng)驗，在農(nóng)村飲水項目中使用較多的保溫材料有玻璃棉制品、巖棉制品、柔性泡沫橡塑保溫材料等，國內(nèi)其它保溫材料還有例如復合硅酸鹽制品、礦渣棉制品、硅酸鎂纖維毯制品等。

管道保溫結(jié)構(gòu)基本組成為防腐層+絕熱層+保護層，管道防結(jié)露結(jié)構(gòu)基本組成為防腐層+絕熱層+防水層+保護層。管道保溫防凍的效果主要是取決于保溫材料與采取的保溫厚度，需要經(jīng)過計算或者有限元分析選取合理的保溫厚度，確保工程實用并且經(jīng)濟。若管道保溫層太薄，則管道的熱量損失嚴重，保溫效果差，起不到較好的保溫作用；反之，并不是保溫層取得越厚越好，會導致其保溫工程投資過大，不經(jīng)濟。故要根據(jù)工程實際情況對保溫結(jié)構(gòu)的材料選取，確定相應工程最佳保溫效果的保溫層厚度[7- 11]。管道選取保溫厚度的計算公式如下：

非金屬管道外表面溫度T0：

(1)

保溫層表面溫度Ts：

(2)

保溫層厚度：

(3)

(4)

式中，δ—需計算的保溫層厚度，mm；D、D0—管道的內(nèi)、外徑，mm；D1—保溫層外徑，mm；λ—保溫絕熱材料的導熱系數(shù)；αs—保溫絕熱層外表面和周圍空氣接觸的換熱系數(shù)；T0、Ta—管道的外表面溫度及管道周圍環(huán)境的溫度；[Q]—單位每平方米保溫層外表面積所允許的最大熱損失量。

非金屬管的保溫厚度計算結(jié)果見表1。

表1 不同管徑的塑料管保溫厚度統(tǒng)計表

經(jīng)過計算可得，保溫層的厚度取值與管道的外徑成反比例關(guān)系，管道的直徑越大，需要的保溫層越薄，越不容易發(fā)生凍脹問題，管徑越小需要的保溫層厚度越大，當管徑過小選取較厚的保溫層厚度進行保溫十分不經(jīng)濟，經(jīng)濟性降低。根據(jù)的工程經(jīng)驗，在農(nóng)村飲水安全自來水管道，可采用巖棉保溫或者管道周圍鋪設葦巴子草再覆土等措施保溫。

3.2 管溝回填處理措施

在管道工程里，管道的保溫溫度與土體的地質(zhì)情況有關(guān)，還與管道的埋深、管溝底的換填材料、管溝內(nèi)管腔料的回填壓實材料及管溝回填區(qū)的回填壓實度有關(guān)。管溝、閥井換填及回填不規(guī)范，不密實，空隙較多，透風性強，大量的熱量就會散出，致使管道周圍環(huán)境溫度持續(xù)下降，從而導致管道內(nèi)的水結(jié)凍。根據(jù)已有的工程及試驗經(jīng)驗[2]，管溝換填采取保溫措施，一般采取爐渣換填或者砂土換填保溫，管溝在回填時，要除去土層雜質(zhì)，硬土塊應打碎，用輕質(zhì)土進行回填壓實。阿克陶縣布倫口鄉(xiāng)飲水安全項目處理整改采用了將凍結(jié)主管道管溝挖出，采用細砂細土回填，并上部澆水壓實，確保管道周圍環(huán)境的密實性，經(jīng)過整改后防凍保溫效果較好。

3.3 閥井建筑物保溫處理措施

在輸水管道工程主管線沿線主要包闊節(jié)制閥門井、進排氣閥井和泄水閥井、減壓池等附屬建筑物，因閥井進人孔基本都與地面平齊或以上，閥井下部部分在最大凍土深度以內(nèi)，冷空氣進入閥井內(nèi)部，會導致其內(nèi)部管道和閥門極易發(fā)生凍脹，從而影響給管道正常供水，可采取如下保溫措施：①一般對閥井進人孔處的井蓋采用保溫井蓋，在其進人孔下至閥門井內(nèi)部入口處另設置一層保溫蓋，保溫蓋一般采用厚100mm的保溫苯板；②將一些碎聚苯乙烯塊、細土或者碎棉絮放在袋中，所有填充物必須密實[3- 4]，制成保溫袋在放置于井室內(nèi)，蓋在裸露的管道、閥門及水表上，起到隔絕冷空氣的效果，防止凍壞；③在閥井的井內(nèi)外壁鋪設厚100mm的保溫苯板，深度在凍土層以下，防止井室周圍土體環(huán)境溫度過低導致閥井內(nèi)凍脹； ④根據(jù)工程經(jīng)驗，由于普通粘土磚的導熱系數(shù)比鋼筋混凝土的小，閥井最優(yōu)選擇磚砌井，來增加閥井的保溫效果。布倫口鄉(xiāng)項目整改將閥井周圍的土體挖出，井壁及頂部采用苯板保溫，再采用細砂土進行回填，澆水密實或使用平板夯機進行夯實，減少回填土孔隙率，不能有效保暖的問題。

3.4 采用防凍給水栓

在阿克陶縣布倫口鄉(xiāng)等高寒山區(qū)，由于牧民長期不在家，屋內(nèi)溫度過低將供水管網(wǎng)凍結(jié)，宜采用給水防凍栓(如圖2所示)，牧民外出或者放牧長期不在家時，將上閥體關(guān)閉，自來水通水管的水進入滲水槽，保持通水管無水狀態(tài)，通水管不會凍結(jié)，亦不會影響供水主管。若牧民回房內(nèi)，需要用水時，將上閥體打開，供水主管內(nèi)的水進入通水管，從水龍頭處用水。采用防凍給水栓已解決村內(nèi)部分牧民不在家影響冬季凍管的問題。

圖2 防凍給水栓原理圖

3.5 采用集中供水點方式

在高寒山區(qū)，供水管網(wǎng)一旦停水凍結(jié)，將會導致整個冬季無法通水，為確保山區(qū)農(nóng)村牧民飲水安全問題得以解決，可以在片區(qū)集中的地方采取應急集中供水點方式，保溫房+防凍給水栓，由專門管護人員進行管護，僅供冬季停水應急使用。采用集中供水點方式亦可滿足水量、取用水得方便程度、供水保證情況、水質(zhì)達標的四項指標，使山區(qū)牧民使用上安全用水。此方法已在布倫口鄉(xiāng)、木吉鄉(xiāng)等分散點采取應用，確保冬季供水不出問題。

4 運行管理防凍措施

開展實施農(nóng)村貧困農(nóng)牧民飲水安全項目是改善農(nóng)村飲水問題的重要方法，根據(jù)目前現(xiàn)階段農(nóng)村飲水安全項目進展情況來看，工程基本都已建設完成，正在從投資建設階段轉(zhuǎn)向運行管理階段，加強提升項目運行管理的質(zhì)量，已轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)階段水利行業(yè)部門、管護人員的工作重心，實現(xiàn)工程的良性運行及長效機制。根據(jù)目前各個地區(qū)項目實際運行情況來看，項目的運行管理仍然存在很多問題，例如缺少專業(yè)的管護人員、維修人員，項目基礎設施損壞嚴重，維修跟不上、工程的使用價值地下等情況。在高寒山區(qū)，供水主管凍脹并不是一個簡單技術(shù)建設問題，后期的運行維護防凍措施亦非常重要，若運行管護不到位，管道內(nèi)水長期處于靜止狀態(tài)，非常易凍，影響正常供水，從而影響農(nóng)村飲水項目的效益良性運行。

4.1 采用泄水長流方式

水處于一直在流動狀態(tài)時，不會凍住結(jié)冰的，增加用水的流動性，供水主管一般都有末端泄水閥等，在冬季極端寒冷氣溫下，把泄水閥打開一點，不要全部關(guān)死，使其管道保持水的流動性，讓其小流量滴水，盡管有浪費水源的缺陷，但是在高寒山區(qū)，一旦凍結(jié)，整個冬季將無法正常供水，泄水長流能有效防止管網(wǎng)凍結(jié)。

4.2 管護人員履行職責

在高海拔山區(qū)，冬季寒冷，管護人員落實職責不到位，工程若無人巡查，很快就會凍結(jié)，山區(qū)牧民缺乏技術(shù)知識，任意上下閥井，經(jīng)常開關(guān)閥門，會導致冷空氣進入閥井內(nèi)，凍壞水表、管道等情況，影響工程正常運行。

4.3 宣傳管道防凍知識

針對山區(qū)牧民，采用防凍給水栓的水龍頭，要大力宣傳防凍措施，培訓使用，防止因不會開關(guān)防凍栓、忘記開關(guān)防凍栓導致管網(wǎng)凍結(jié)，影響片區(qū)其它村民供水。

5 結(jié)語

(1)要解決高寒山區(qū)農(nóng)村飲水安全工程管道防凍問題既要采取工程技術(shù)措施，亦要做好運行管理防凍措施。根據(jù)已解決凍管問題工程實例分析，山區(qū)管道防凍工程措施可以采取管道外包保溫材料；優(yōu)選采用細砂土進行回填壓實，去除土層雜質(zhì)、硬土塊，減少回填土孔隙率；對閥井進人孔及閥井內(nèi)采用保溫苯板、保溫材料袋等進行保溫；入戶管采用防凍給水栓進行防凍；必要時可建立應急集中供水點，解決冬季供水問題。

(2)在高寒山區(qū)，工程建設完成后，后期的運行維護防凍措施亦非常重要，若運行管護不到位，管道內(nèi)水長期處于靜止狀態(tài)，非常易凍，影響正常供水，宜采用泄水長流方式、要大力宣傳、培訓防凍措施，避免失誤導致管網(wǎng)凍結(jié)，影響供水。如何保證工程的價值及效益良性運行，需從后期運行管理去完善，對運行管理單位亦是一項重大考驗。