東北地區灌溉管道的淺埋技術研究

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

1 研究現狀

我國凍土分布十分廣泛，占國土面積的55%。凍土區可以分為：季節性凍土區和多年凍土區。季節性凍土區主要分布在東北、華北和西北等地，多年凍土區主要分布在黑龍江、吉林，內蒙古北部、西藏和部分高山地區。凍土的土力學性質尤其是凍土的凍脹和融沉是凍土方面研究的重點和熱點，學者們試圖探討凍脹、融沉的機理或者估算其量的大小[1-3]。在凍土中埋設管道，凍土對管道的影響、管道的鋪設、管道的開裂方式等也廣受學者的關注。趙薇娜[4]采用損傷力學的方法研究了塑料管道的破壞機理；陳繼[5]采用仿三維數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]分析了多年凍土區管道的主要失效形式和產生機理，以及管道檢測的內容。

在灌溉管道系統中，出于經濟效益和成本的考慮，一般采用PVC或PE塑料管道。在東北凍土區，凍土深度可達1.8 m，局部極寒冷地區的凍土深可達2.3 m。東北大部分地區采用管道淺埋，埋深以0.8 m居多，可以降低挖填方成本。同時，需要采取適當防凍措施，防止管道凍裂。這種管道淺埋的方式，在東北四省節水增糧行動項目區中應用廣泛，目前沒有出現大的問題。根據塑料管道特性和寒冷的工作環境，建議淺埋管道采用PE管道。在我國部分地區已經有了管道淺埋成功的試驗和實踐，比如晉北地區[7]，東北地區[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上，著重分析了管道內部冰脹壓力、凍土的凍脹和融沉作用，在此基礎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

根據管道內是否存水、地埋管道周圍土壤溫度狀況，分以下4種情況對管道的受力分別進行分析。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)管道內存水不結冰，管道周圍沒有凍土的情況(灌溉時)。管道受力有土壓力、水壓力，可能存在少量的溫度應力和土體摩擦力。其中溫度應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，是溫度應力的反作用力。這種情況下，不論是溫度應力還是土體摩擦力對管道都不會造成破壞。

(2)管道內沒有存水，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力和土體摩擦力。這些外力不會對管道造成破壞。

(3)管道內無水、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和冰體(特別是凸鏡狀冰體)的增長引起土體膨脹，會使土壓力變大，這種情況下，可能會受到凍土的凍脹破壞。

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

3 灌溉管道的破壞形式

根據管道破壞的速度，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生。在管道運行時，管道上產生微小裂紋，當內部或者外部壓力超過其臨界壓力時，裂紋以100～450 m/s的速度擴展，直到驅動力小于臨界壓力時為止。這種破裂大致可以分為兩個階段[4]：

第一為裂紋產生階段，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%的時間是在產生微觀裂紋，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中的損傷力學進行分析和描述。裂的紋產生大概有：①蠕變產生了微小裂紋；②接頭焊接造成了缺陷；③水錘沖擊造成微觀裂紋；④大型機械碾壓產生裂紋；⑤管道內部冰壓力產生裂紋。

第二為裂紋發展階段，此階段占管道生命周期的10%，具體表現為管道應變和內部壓力的釋放對管壁的撕裂作用。管道應變和內部壓力的釋放為管道開裂提供了驅動力，單位面積裂紋形成所消耗的能量是管道裂紋增長的阻力。此階段驅動力大于裂紋增長阻力，裂紋以100～450 m/s的速度擴展(圖1)。

圖1 裂紋過程中的驅動力變化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構。在低應力條件下，慢速破裂是管道破壞最典型的一種形式。在這種情況下，PE管的分子鏈發生了解纏。管道慢速破裂的影響因素主要是PE管的微觀結構[9]：比如分子量的分布、支鏈的密度和分布、支鏈的長度、結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。

在本文中，主要關注的是管道的快速開裂過程。灌溉管道淺埋時，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。

4 管道內部冰脹壓力估算

結合東北管道損壞情況，認為管道內部的冰脹壓力是管道破壞過程中最重要的受力因素。假定管道內為滿管流，在只考慮冰的壓縮性的前提下，采用胡克定律對管道內部的冰壓力進行分析和計算。

根據胡克定律有

(1)

式中：ε為材料的應變；σ為材料的應力；E為材料的彈性模量。

PE管內壁受到冰脹壓力P的作用，沿著徑向產生的變形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管的相對厚度；Rp為PE管的內半徑。

PE管內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為結冰率，PE管道內冰水混合物中冰的比例。

在沒有約束的情況下，管內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，是水結冰后的膨脹系數；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。

由ΔL′I=ΔLI+ΔLP可得，

(5)

采用0.6 MPa dn90的PE管進行冰脹壓力計算。計算結果見表1所示，從計算結果中可以發現，在滿管水流的情況下，如果沿著徑向的壓力傳導系數大于0.05時，隨著管道內水結冰過程的進行，冰脹壓力超過PE管的承壓能力(0.6 MPa)，PE管容易發生爆裂。

表1 管道內冰脹壓力計算結果 MPaTab.1 The Calculation result of ice-expansion pressure in pipeline

5 凍土的凍脹和融沉作用

凍土對管道的影響主要表現為凍脹和融沉作用[10]。土體凍脹量和融沉量獲取方法有：實地觀測、試驗觀測、經驗公式和模擬計算。凍脹作用主要表現為：在結冰時，土體中水分子以薄膜水的形式從溫度高的區域向溫度低的區域遷移，水分凍結引起土體向上膨脹，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深度、含水量、顆粒級配、溫度和壓力等。

凍脹量計算的經驗公式為：

(6)

(7)

式中：a為調整系數，與土體的級配、地下水埋深有關；ω為土體含水率；ωp為土體的塑限含水率。

融沉作用表現為：在融化后不穩定區域，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、含冰量和顆粒級配等。

忽略應力固結的作用，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)；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，改變土體的結構和管道周圍土體的含水量。

6 淺埋防凍措施

針對管道的受力和破壞情況，淺埋灌溉管道的防凍措施有：

(1)在灌溉季結束后，排空管道中的殘留水體。在干管的末端設置排水閥和排水井，灌溉期結束后，打開排水閥，排空灌溉管道中的水體。對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，分干管可以按照1/1 000～1/2 000逆坡鋪設，這樣鋪設有利于管道內水體排空，必要時可以配備空氣壓縮機，加速管道內水體的排出，如圖4所示。對于丘陵地帶或者坡地，排水井和排水閥應設置在低處，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，具體鋪設如圖5所示。

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

(3)管溝換填。管溝換填是將管溝基礎軟弱土層及凍脹性土壤換填為其他強度較高、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“東北節水增糧行動”項目建設中，地埋管道均采用了淺埋的方式，管道埋深為0.6～0.8 m，并且通過增設空氣壓縮機，在灌溉結束后，排出管道內水體，達到了防凍的效果。現有的實踐經驗表明，采用相應的防凍措施后，管道淺埋可行。

7 結 語

淺埋管道最不利的工作情況為管道存水結冰、管道周圍有凍土的情況，管道受到內部冰脹壓力和外部土體的凍脹作用。計算表明，在管道內部充滿水體結冰的過程中，管道內冰脹壓力過大，管道容易損壞，同時凍土的凍脹和融沉對管道也不利。針對管道淺埋的情況，提出了相應的防凍措施。現有的經驗表明，采用相應的防凍措施后，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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[1] 齊吉琳,馬 巍.凍土的力學性質及研究現狀[J].巖土力學,2011,31(1):133-143.

[2] 何 平,程國棟,楊成松,等.凍土融沉系數的評價方法[J].冰川凍土,2013, 25(6):608-613.

[3] 楊鳳學,張喜發,冷毅飛,等.凍土融化體積壓縮系數的經驗確定方法[J].巖土力學2011,32(11): 432-436.

[4] 趙薇娜.塑料壓力管道破壞機理的損傷力學研究及其數值模擬[D]. 成都：四川大學，2007.

[5] 陳 繼,李 昆,盛 煜,等.季節凍土區埋地管道水溫的變化規律及其影響因素分析[J].冰川凍土,2014,36(4):936-844.

[6] 呂宏慶,李均峰,蘇 毅.多年凍土區管道的失效形式及監測技術[J].天然氣工業, 2008,28(9):98-100.

[7] 郭新禧.晉北地區PE塑料管道淺埋試驗研究[J].中國農村水利水電,1998,(2):35-36.

[8] 王維喜,邵志榮,劉 森.談寒區低壓塑料管道淺埋輸水灌溉工程建設[J].黑龍江水利科技,1999,(4):52-54.

[9] 熊志敏,孫佳文,武志軍,等.聚乙烯管材慢速裂紋增長性能及其評價方法[J].塑料工業,2011,39(8):10-14.

[10] Foriero A, Ladanyi B. Pipe uplift resistance in frozen soil and comparison with measurements[J]. J. Cold Reg. Eng., 1994,8(3):93-111.

[11] 何 平,程國棟,楊成松,等.凍土融沉系數的評價方法[J]. 冰川凍土, 2003,25(6):608-613.