严寒地区输水管材选择及其埋设-精品文档

严寒地区输水管材选择及其埋设工程建设与管理2013.2中国水利田利萍1，舒子亨2（1.内蒙古机电职业技术学院水利与土木建筑工程系，010050，呼和浩特；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，010018，呼和浩特）摘要：节水灌溉工程中地埋输水管多用硬塑料管，对我国北方严寒地区地埋管道管材、管径、埋置深度、管槽断面和竖管防冻等问题作了论述。对当前使用较多的UPVC管、PP管和PE管作了比较；对滴管干支管管径、工作压力作了说明。重点对埋置深度进行了探讨，提出在冻结深度小于2.0m时，管道埋置深度应在冻结深度以下；当冻结深度大于2.0m时，管道可埋设在冻土层，但需在冻深2/3以下，并在管道最低端设排水井。关键词：硬塑料管；管材；管径；冻结深度；埋置深度；管槽断面Applicationofhardplasticpipeincoldareasanditsembedding//TianLiping,ShuZihengAbstract:Hardplasticpipeismostlyusedincoldareasforembeddedwaterconveyancesystemofwater-sav-ingirrigationproject.Anintroductionisgivenonmaterials,diameter,embeddeddepthofembeddedpipes,cross-sectionofpipeditchandpreventionoffrozenbulgedamageofriserpipe.Acomparisonismadebe-tweenUPVC,PPandPEthatarecommonlyusednowadays.Anexplanationisgivenonthepipediameterofmainandbranchdripsanditsworkingpressure.Detaileddiscussionsaremadeonthedepthofembedment.Itissuggestedtoputthetopofembeddedpipebelowthefrozendepthwhenitissmallerthan2.0m.Thepipecanbeburiedinthefrozenearthlayerwhenthefrozendepthislargerthan2.0m,butshouldbebelow2/3ofthefrozendepthandequippedwithadrainingwellatthelowestendofthepipe.Keywords:hardplasticpipe;pipematerials;pipediameter;frozendepth;embeddeddepth;cross-sectionofpipeditch中图分类号：TV4+TV521文献标识码：A文章编号：1000-1123（2013）02-0039-03打机电井抽取地下水，经地埋干支管输水，经竖管接地面辅管，再接滴灌带进行膜下滴灌是通常应用的一种有效的节水灌溉方式。地埋输水管在其中起着重要作用，在节水灌溉工程投资中占有较大比重。在设计和施工中对输水管管材、管径、埋置深度和管槽断面还存在不同的处理，特别是对北方严寒地区硬塑管的埋置深度还有不同认识。除打机电井经地埋输水管道在地面上进行膜下滴灌外，还有采取喷灌、微喷的节水灌溉方式，输水管道是必有的工程设施，上述问题同样存在。通过工程实践，认为有些问题有进一步探讨的必要。一、管材的选择可用于膜下滴灌、微喷和喷灌的管道种类有多种，应根据灌区当地具体情况，如地形、地质、气候、运输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性及适用条件进行选择。地埋固定管道可选用钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、铸铁管、钢管和硬塑料管。各种管道沿程损失公式中的f、m、b值见表1。从表1可见，管道沿程损失以铝表1各种管道沿程损失公式中的f、m、b值管道种类铝管、铝合金管硬塑料管石棉水泥管钢管、铸铁管钢筋混凝土管n=0.013钢筋混凝土管n=0.017摩阻系数f（管中流量Q以流量指数m管径指数bm3/h、管内径d以mm计）0.861×1050.948×1051.455×1050.250×1051.312×1062.240×1061.741.771.851.902.002.004.744.774.895.105.335.33收稿日期：2012-11-20作者简介：田利萍，副教授，一级注册建造师，主要从事节水灌溉工程的理论与技术研究。39水工程建设与管理CHINAWATERRESOURCES2013.2管、铝合金管和硬塑料管最优,铝管较贵，铝合金管多用于半固定式喷灌的地面移动管道。近年来国内节水灌溉工程地理固定管道优先选用轻便、耐腐蚀、易安装和价格低的塑料管，一般多选用硬聚氯乙烯管（UPVC）、改性聚丙烯管（PP）和低密度聚乙烯管（LPPE）。三种硬塑材管道均具有强度极好的耐化学腐蚀性，遇浓盐酸、浓硫酸和50%的氢氧化钠溶液或浓氨溶液强度几乎不降低，对其他化学品几乎没有变化；对虫蛀、霉菌有充分的抵抗力；无毒；流体阻力小;易于运输和储存；寿命长。三者比较，UPVC管强度较高，而抗紫外线、抗冻性稍差，故不适于放置地上，地埋宜在冻层以下；PP管韧性较好，温度适用范围-30℃~140℃，而同一管径、壁厚时工作压力较UPVC管低；PE管抗摩性好，韧性也好，耐冲击强度较高，软管低温时仍能保持柔软性，故地面软管均采用PE软管。需要注意节水灌溉地埋管道都属于压力管，不同硬塑料管在相同管径和壁厚时，可承受的工作压力和单价有一定差异，举同一厂家产品为例,详见表2。从表2比较同管径、同壁厚UP-外径小于140mm时UPVC管工作压力高于HPPE80管，而单价还略低于支管，每支管开启1条辅管及其相连所有毛管，轮灌组数54组。毛管上滴头选型号为WDF16/2.1-100，即每个滴头流量q=2.10L/h，每条毛管长60m，则滴头数为60/0.3=200个，每条毛管最大流量为2.10×200=420L/h。HPPE80管；同管径、同壁厚同工作压力时HPPE80管比PP管贵约1/3；性能价格比UPVC管最优，PP管略低于HPPE80管，对于公称外径大于160mm时UPVC管优势下降。在严寒地区管道若埋置在最大冻深以下时出于经济考虑，宜用UPVC管；若由于某些原因管道埋置在深层时，最好使用PP管，也可以考虑PE管。1条辅管连16对（32条）毛管，每条辅管设计流量为16×2×0.42=13.44m3/h。1条支管每次轮灌只开1条辅管，故支管和辅管流量相同，均为二、管径的确定节水灌溉（滴灌）若以机电井作为水源，且一个井独立控制一个田块，地埋管道管径选择：第一级干管管径由单井出水量计算确定；第二级支管管径要考虑管道轮灌顺序和编组，以在轮灌组中可能通过的最大流量作为确定管径的设计流量。例：一单井控制面积180亩（12hm2），单井出水量28m3/h，采用膜下滴灌。设地埋干管、支管，设地面辅管，毛管（滴灌带）。一条干管长360m，支管平行3行，左右共6条，支管间距120m。支管上竖管接地面辅管，每条支管接13.44m3/h。1条干管每次轮灌2条支管，故干管设计流量为13.44×2=26.88m3/h。比单井出水量28m3/h量小，流量选择合适。滴灌系统各级管道流量和管径结果见表3。选用管径（内径）应比计算值大一些，才能通过设计流量，管径越大，管道沿程损失越小，但若过大，则会增加管道投资。三、管道埋置深度地埋输水管埋置深度准确讲是指管顶埋置深度，在我国部分寒冷地区和严寒地区这是一个重要问题。多数规范原则上要求埋在冻层以下，但对冻层的表述略有不同。《灌溉与排水工程设计规范》中埋深应在冻土层18条辅管，每条辅管长9.3m；每条辅管左右双向接16对共32条毛管，每条毛管长60m。干管为续灌，支管、辅管、毛管为轮灌，每轮灌组开启2条表2同管径同壁厚不同材质塑料管工作压力和单价VC管工作压力高出PP管和HPPE80管57.5%~100%，单价高出PP管21.4%~51.2%;同管径、同壁厚在公称公称外径（mm）壁厚（mm）UPVC管工作压力（MPa）单价（元/m）PP管工作压力（MPa）单价（元/m）HPPE80管工作压力（MPa）单价（元/m）901401604.34.34.91.00.80.6333.0352.2084.670.60.40.427.2543.0056.000.60.40.436.2457.4574.85表3滴灌系统各级管道流量及管径名称流量（m3/h）计算管径（mm）选用管材选用管径（mm）壁厚（mm）工作压力（MPa）毛管辅管地埋支管地埋干管0.4210.69PE软管160.60.113.4460.44PE软管631.20.313.4460.44PP管633.80.826.8885.49PP管905.40.8水40工程建设与管理2013.2中国水利以下；《泵站设计规范》中埋管管顶最小埋深应在最大冻土深度以下；《低压管道输水灌溉工程技术规范》中管槽开挖深度宜使管道工作在冻层以下，如在冻层中埋设应经技术经济论证，并有相应措施。《水工建筑物抗冰冻设计规范》关于埋置深度规定最详尽具体：冬季通水的管顶的埋置深度不宜小于设计冻深，如埋于冻层内，应论证其抗冻胀稳定性；冬季不通水的埋深应根据土的冻胀级别、冻胀量沿深度分布的实测资料和管道允许变形量确定。在无实测资料的情况下，当土的冻胀级别为Ⅰ、Ⅱ级时可根据具体情况比设计冻深小10%~规范指的冻深和最大冻深是同一概念，即标准冻深。设计冻深系指工程地点考虑建筑物级别以及日照、地下水影响冻结深度，按式（2）计算。···Hd=KpKdK2H0（2）式中，Hd为工程设计冻深，cm；Kp为频率模比系数，在标准冻深≥1.0m时，约为1.1~1.2；Kd为考虑日照及遮阴程度的修正指数，0.6~1.5；K2为地下水影响系数，在地下水埋深0~2m时为0.85~1.0；设计冻深根据系数不同在标准冻深上下浮动。对没有大中型工程的农田水利工程就用标准冻深（既最大冻深），以此作为管道埋深的主要依据。关于管道埋深，提出如下观点：在季节冻土地区原则上输水管应埋在标准冻深以下；在标准冻深大于2m，开挖管槽有困难，特别是地下水水位深埋小于2m时，对非严重冻胀土情况下，管道顶部深埋可取标准冻深的2/3。取2/3的理由是：在季节冻土层范围，地表层负温值最大，而冻层的下界面温度为零，从地表以下负温度的分布是呈双曲线形式而递减；而土中水分的变化恰恰相反，在自然蒸发及重力作用下，水分分布随深度增加（1）而递增，尤其地下水较浅的地方，土层的水分主要集中在下层。然而，秋末的降雨及灌溉、人工排水往往改变了这种水分分布规律，使土中水分分表4标准冻深计算式中系数α值布呈上大下小或者上下大而中间小。正是受这些因素影响，冻土层的法向冻胀力从地表向下不是线性增加规律，一般说地表以下1/2~2/3的最大冻层范围内法向冻土力是递增的，2/3以下呈相对稳定或者有所下降。故提出在地下水较深、非严重冻胀土情况下，管道顶部埋深可取大于等于最大冻深的2/3，以2/3作为管道埋设在冻层的顶线，以尽可能减少管槽的土方开挖量和回填量。这一观点与内蒙古通辽市水利科学研究所、中国水利水电科学研究院《低层输水管道防冻害及适宜埋深试验研究》科研成果基本一致。该项研究3年观测最大冻深20%；当土的冻胀级别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级时应大于设计冻深，并要求埋设在冻层内冬季不通水的暗管，管内的水冻前应放空。这里有冻深、最大冻层和设计冻深三种提法。工程上冻结深度是指标准冻深，采用气温条件相近的邻近气象站的多年冻深平均值，冻深资料系列不宜短于10年。当冻深资料短于109cm，0~80cm为砂壤土，80cm以下为重壤土，冻前地下水埋深2.81m，冻结期地下水水位下降很小，最大冻深时仅下降2.5cm。可以认为冻结期地下水水位处于稳定状态，冻前地下水埋深较大，地下水对冻结初期冻结锋面的补给较小，但随着冻深