白 靜，謝崇寶，吳志琴

（1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的農(nóng)業(yè)灌溉大國(guó)，發(fā)展噴灌、微灌及管道輸水等節(jié)水灌溉是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略需求。在節(jié)水灌溉工程建設(shè)中，無(wú)論是噴灌、微灌，還是管道輸水灌溉均需鋪設(shè)大量的管道。因此，管道鋪設(shè)模式不僅直接關(guān)系到灌溉工程的投資和施工進(jìn)度，同時(shí)直接影響灌溉工程的效益和使用壽命。

高寒地區(qū)由于土壤凍深較大，傳統(tǒng)的鋪管需要將管道埋在凍深以下，以避免管道受凍脹和融沉的影響［1-2］，但因施工成本過高影響了節(jié)水灌溉的發(fā)展。因此，管道的埋深是季節(jié)性凍土區(qū)管道埋設(shè)的關(guān)鍵問題之一，探討高寒地區(qū)管道適宜埋深已成為節(jié)水灌溉領(lǐng)域的重要研究方向。如：陳寶明和陳若霆［3］利用多年平均地面最低溫度和不同溫度對(duì)應(yīng)的深度進(jìn)行相關(guān)分析，得出了針對(duì)PVC管、PP管、PE管、混凝土管等4種管道的適宜埋深公式，初步確定PE管的埋深為0.7 m，PVC管的適宜埋深為1.0～1.2 m，PP管的適宜埋深為1.2～1.8 m；郭新禧、解放慶等［4-5］進(jìn)行了PE管道的大田試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在沒有安裝伸縮節(jié)的情況下，PE管道在埋深0.7 m中的凍土層中越冬，力學(xué)性能沒有明顯降低。管內(nèi)及周圍土體的溫度是衡量管道工作狀態(tài)最重要的指標(biāo)，數(shù)值模擬是分析溫度分布一個(gè)重要手段，如：張科亮［6］采用數(shù)值模型模擬了不同埋深不同土質(zhì)中給水管道以及周圍土體的溫度分布，確定管道可以在-4～-5℃的凍土層內(nèi)安全運(yùn)行；管岫峰等［7］采用類似的模擬方法計(jì)算了季節(jié)性溫度變換影響下管道周圍的溫度場(chǎng)，并分析得出新疆克拉瑪依地區(qū)給水管道埋深可以減小到1.5 m。但現(xiàn)有的研究?jī)H僅關(guān)注了管道埋深或者管內(nèi)溫度分布情況，并沒有考慮管道埋設(shè)方式涵蓋的其他防凍措施。在本文中采用物理模型試驗(yàn)的方法對(duì)比研究不同防凍措施（包括管道埋深、保溫措施、回填措施和換填措施）條件下管內(nèi)溫度和管道變形情況，鑒于土壤含水量、地表溫度是管道水溫的影響因素［8-9］，在試驗(yàn)中嚴(yán)格控制土壤初始含水量和環(huán)境溫度變化過程。由于在節(jié)水灌溉工程中，管道系統(tǒng)常在最低位置設(shè)置排水閥以排空水體，但受到地面不均勻沉降或者施工的影響，管道局部仍存在滿管水的情況，這是季節(jié)性凍土區(qū)管道受凍破壞的常態(tài)。因此，本文中通過開展?jié)M管水凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分析不同因素對(duì)管道工作狀態(tài)的影響，從而對(duì)比得出適宜的管道鋪設(shè)模式。

2 試驗(yàn)管材遴選

在節(jié)水灌溉工程中使用的管道，根據(jù)材質(zhì)的不同可以分為塑料管道、金屬管道、混凝土管道、復(fù)合材料管道（如玻璃夾砂管道）和生物基質(zhì)管道（如竹纏繞壓力管道［10］）等。其中，塑料管道具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、內(nèi)壁光滑不結(jié)垢、施工和維修簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。塑料管道的密度介于0.95～1.4 g/cm3之間，僅為鋼管的1/5～1/7，摩阻系數(shù)為0.009～0.012左右，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50年［6-7］。根據(jù)《中國(guó)塑料管道行業(yè)“十三五”期間（2016—2020）發(fā)展建議》中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，塑料管道在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用量最大，2015年應(yīng)用量達(dá)到400萬(wàn)t，應(yīng)用比例達(dá)到29.0%［11］，見圖1。

圖1 2015年塑料管道應(yīng)用領(lǐng)域

圖2 塑料管道的分類及占比

根據(jù)塑料的種類可以分為：聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管、聚丙烯（PP）管等，分別占塑料管道總用量的55%，30%和10%，見圖2。因此可考慮在PVC管和PE管兩大主流管道中確定管道選材。根據(jù)近幾年我國(guó)節(jié)水灌溉建設(shè)與管理的經(jīng)驗(yàn)，在季節(jié)性凍土區(qū)，PE管因其適應(yīng)的工作溫度范圍比PVC管的更大，管材性能優(yōu)越［12-14］，應(yīng)用數(shù)量逐漸超過PVC管。因此，本文選擇PE管道作為試驗(yàn)研究對(duì)象。

3 管道淺埋室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 管道淺埋試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1#低溫試驗(yàn)室進(jìn)行［15］。室內(nèi)模型試驗(yàn)箱體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為4.5 m×3.0 m×1.5 m。

3.1.1 管道試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?利用凍土熱工模型的微分控制方程和邊界條件，應(yīng)用積分類比法進(jìn)行相似分析，根據(jù)相似理論得到的相似準(zhǔn)則有［16-17］

式中：l為幾何尺寸；a為導(dǎo)溫系數(shù)；T為時(shí)間；Q為單位體積水的潛熱；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；t為溫度。

則相似比尺需滿足

當(dāng)模型和原型采用相同的介質(zhì)情況下（原狀土），式（3）、式（4）可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為［18-19］

即模型試驗(yàn)中，溫度比尺ct=1，時(shí)間比尺cT是幾何比尺cl的平方?？紤]模型中PE管的長(zhǎng)度和模型試驗(yàn)箱的尺寸，確定模型試驗(yàn)的幾何比尺為cl=3，則時(shí)間比尺為cT=9。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在東北地區(qū)建設(shè)的節(jié)水灌溉工程中，地埋管道的尺寸主要有Dn63，Dn75，Dn90和Dn110等。在管道試驗(yàn)中選用原型尺寸為Dn90的PE管道，其模型尺寸為Dn30。

根據(jù)2014—2015年哈爾濱室外的氣溫?cái)?shù)據(jù)可知［20-21］，凍融發(fā)展期（2014.11.12—2015.5.14）共計(jì)180 d，期間日平均氣溫如圖3中的散點(diǎn)所示。綜合考慮實(shí)際氣溫的變化過程和可能不利因素，室外概化日均溫度曲線如圖3中的黑實(shí)線所示，溫度變化范圍為-20～20℃，分為4個(gè)不同的溫度變化階段：降溫階段、持續(xù)低溫階段、升溫階段和持續(xù)高溫階段，見表1。由于溫度比尺ct=1，時(shí)間比尺cT=9，經(jīng)過比尺變換后，模型試驗(yàn)中環(huán)境溫度設(shè)計(jì)變化過程見表2，溫度范圍為-20～20℃，溫度變化過程持續(xù)20 d，共計(jì)480 h。

圖3 野外凍土場(chǎng)日平均氣溫和概化曲線

表1 野外凍土場(chǎng)日均氣溫概化變化過程

表2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境溫度變化過程

3.1.2 試驗(yàn)方案 管道溫度相關(guān)研究表明，管道的埋深、保溫措施、地質(zhì)條件是影響管道溫度的最重要的因素［8］，在地質(zhì)條件確定的情況下，管道的溫度和變形量與管道的埋深、保溫措施、管溝處理（包括管溝回填材料和管溝換填材料）有關(guān)。現(xiàn)有的研究成果中，在山西西北山區(qū)和內(nèi)蒙地區(qū)，PE管的推薦深度為0.7 m［3-5］，在本文中考慮到田鼠活動(dòng)深度、承載田間機(jī)械的影響和減少埋深降低投資的可能性，管道的埋深選為2種，即60 cm和80 cm。由于凍脹量和土體的粒徑負(fù)相關(guān)［22］，管溝考慮爐渣換填和砂土換填方式，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有的研究成果確定回填和保溫方式［23-25］。在試驗(yàn)中共設(shè)置6種試驗(yàn)工況（表3），在試驗(yàn)中不考慮各因素的相關(guān)性，對(duì)比不同的管道埋深、保溫措施、回填措施、換填措施對(duì)管道工作狀態(tài)的影響。試驗(yàn)中尺寸按照幾何比尺3∶1進(jìn)行縮小，管徑均為30 mm，管道長(zhǎng)1.5 m，首尾密封?？紤]管道最不利的工作條件，管道內(nèi)為滿管水流。試驗(yàn)工況的剖面示意圖如圖4所示，管溝剖面自上而下依次是耕作層（地面～6.7 cm深的區(qū)域）、回填處理層（6.7 cm深～管道底部的區(qū)域）和換填處理層（管道底部～0.5 m深的區(qū)域）。除試驗(yàn)工況B6采用裸管外，其它工況中管道周圍包裹保溫層，厚2 cm。試驗(yàn)中土體、回填換填材料的初始含水率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取土的含水量進(jìn)行控制，詳見表4。為了穩(wěn)定試驗(yàn)中土體內(nèi)部溫度場(chǎng)，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱魍瓿勺匀环€(wěn)定10 d后，開始進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中按照設(shè)計(jì)環(huán)境溫度變化過程（表2）控制環(huán)境溫度，采用電阻片、數(shù)據(jù)采集裝置（DT80系列數(shù)據(jù)采集儀）、分布式光纖和光纖調(diào)制解調(diào)器，監(jiān)測(cè)實(shí)際環(huán)境溫度、土體溫度、管內(nèi)溫度和管道變形量的變化情況。

表3 管道防凍脹技術(shù)室內(nèi)模型試驗(yàn)方案

表4 模型不同深度處土體初始含水率

圖4 試驗(yàn)工況橫斷面處理圖（單位：cm）

3.2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè) 在試驗(yàn)過程中主要采集溫度和管道變形量，數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)自動(dòng)采集［20］：

（1）溫度：主要監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中的環(huán)境溫度、土體溫度和PE管內(nèi)的溫度。環(huán)境溫度觀測(cè)點(diǎn)位于模型上方40 cm處；管內(nèi)溫度觀測(cè)點(diǎn)位于每個(gè)工況PE管內(nèi)中點(diǎn)處?？紤]到土體溫度測(cè)點(diǎn)多，采用鎧甲式溫度傳感器數(shù)據(jù)線路龐大，數(shù)據(jù)采集繁瑣，模型試驗(yàn)土體溫度監(jiān)測(cè)利用分布式光纖，其布置見圖5。

（2）管道變形量：PE管變形監(jiān)測(cè)主要包括管道的軸向變形監(jiān)測(cè)和徑向變形監(jiān)測(cè)，考慮到PE管外徑較小，僅為30 mm，在每種工況中PE管道首尾0.5 m處布置2個(gè)橫斷面，每個(gè)橫斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)電阻應(yīng)變片，3個(gè)電阻應(yīng)變片的布置角度為0°、45°和90°方向，管道橫斷面上電阻應(yīng)變片的布置見圖6。

圖5 模型試驗(yàn)剖面圖（單位：mm）

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

實(shí)測(cè)環(huán)境溫度變化曲線如圖7所示，從圖中可以看出低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度的控制精度為±4℃，實(shí)際環(huán)境溫度基本按照設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行變化。為了便于分析和討論，在本節(jié)中數(shù)據(jù)均經(jīng)過比尺換算，除了特殊說(shuō)明外，其大小均代表原型中的數(shù)值。試驗(yàn)土體凍深融深變化趨勢(shì)與天然土體基本相同，呈階梯狀，最大凍深出現(xiàn)在持續(xù)升溫階段。砂土換填方式的最大凍深為2.19 m，爐渣換填方式的最大凍深為2.24 m，兩種換填方式凍融發(fā)展曲線相近，由此可見換填方式對(duì)凍融曲線的發(fā)展過程影響不大。砂土換填和煤渣換填方式中，土體完全融化點(diǎn)分別位于H=1.5 m和H=1.35 m處，在管道淺埋的情況下，不會(huì)對(duì)灌溉造成影響。

圖6 電阻應(yīng)變片布置示意

圖7 環(huán)境溫度和凍融深度變化曲線

4.1 管內(nèi)溫度變化過程分析 不同試驗(yàn)方案的管內(nèi)溫度變化曲線如圖8所示。隨著環(huán)境溫度的變化，管道內(nèi)溫度都經(jīng)歷先下降后上升的過程。不同試驗(yàn)方案的管內(nèi)溫度變化情況不盡相同。管道中的最低溫度及發(fā)生時(shí)間、管道內(nèi)的結(jié)冰時(shí)間將影響管道的性能，管道內(nèi)冰完全融化的時(shí)間則影響春季灌溉，文中將采用這4個(gè)數(shù)值作為管道溫度變化特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果詳見表5。

圖8 不同管道埋設(shè)工況中管內(nèi)溫度變化曲線

表5 不同試驗(yàn)方案管內(nèi)溫度變化特征

（1）兩種埋深的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B1和工況B2，分析埋深對(duì)管內(nèi)溫度的影響。從圖8和表5中可以看出，在環(huán)境降溫過程中，工況B1管道內(nèi)溫度T1的下降速度最快，表現(xiàn)為管道內(nèi)溫度T1曲線的坡度更陡。B2工況中管道內(nèi)溫度T2＜0℃持續(xù)100 d，比B1工況多5 d。B1工況中管道內(nèi)最低溫度T1min為-10.52℃，發(fā)生在第66天，B2管道內(nèi)最低溫度T2min為-1.86℃，比T1min高8.66℃，溫度提高比例為82%，發(fā)生在第90天，比B1工況中延遲24 d出現(xiàn)。B1管道內(nèi)溫度T1持續(xù)高于0℃開始于第148天，B2管道內(nèi)溫度T2連續(xù)高于0℃開始于第173天，比B1工況延遲25 d。從比較結(jié)果可以看出，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，埋深對(duì)管內(nèi)溫度影響顯著，當(dāng)埋深增加時(shí)，由于管道上層覆土的保溫作用增加，管內(nèi)最低溫度較高，在降溫階段管道內(nèi)向周圍土體傳遞的熱量減少，管道內(nèi)部溫度滯后，在升溫階段周圍土體向管道內(nèi)部傳導(dǎo)的熱量減少，管道內(nèi)冰體完全融化時(shí)間延遲。因此在實(shí)際工程中，為了提高管道最低溫度，應(yīng)考慮適當(dāng)加大管道埋深。

（2）不同換填方式的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B2和工況B3，分析換填方式對(duì)管內(nèi)溫度的影響。從圖8中可以看出，兩種工況內(nèi)管道溫度變化趨勢(shì)類似，只有略微不同。B3工況中管道內(nèi)溫度T3＜0℃持續(xù)時(shí)間為95 d，比B2工況少5 d。B3工況中管道內(nèi)最低溫度T3min為-1.72℃，比工況B2中T2min高0.14℃，發(fā)生在第90天，與工況B2發(fā)生時(shí)間相同。B3工況中管道內(nèi)溫度T3持續(xù)高于0℃開始于第169天，比B2工況提前4 d。在當(dāng)前回填保溫措施條件下，爐渣換填方式的保溫效果與砂土換填方式相當(dāng)。

（3）不同保溫方式的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B4和工況B5，分析保溫方式對(duì)管內(nèi)溫度的影響。兩種工況在降溫階段管道溫度大體相當(dāng)（圖8）。B4工況中T4＜0℃持續(xù)時(shí)間為84 d，而B5工況中管道內(nèi)溫度T5＜0℃持續(xù)時(shí)間為82 d，與工況B4相當(dāng)。工況B4中管道內(nèi)最低溫度T4min為-6.45℃，工況B5管道內(nèi)最低溫度T5min為-6.32℃，管內(nèi)最低溫度都發(fā)生在第81天。B4管道內(nèi)溫度T4持續(xù)高于0℃開始于第149天，B5管道內(nèi)溫度T5連續(xù)高于0℃開始于第147天，比B4工況提前2 d。從比較結(jié)果可以看出，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，聚苯乙烯管與巖棉管的保溫效果相當(dāng)。

（4）不同回填方式的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B3與工況B5，分析回填方式對(duì)管內(nèi)溫度的影響。工況B5中T5＜0℃持續(xù)時(shí)間為82 d，比工況B3短13 d。工況B5管道內(nèi)最低溫度T5min為-6.32℃，比工況B3高4.6℃，工況B5管道內(nèi)溫度T5連續(xù)高于0℃開始于第147天，比工況B3提前22 d。在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，EPS輕質(zhì)土回填措施比珍珠巖散料輕質(zhì)土回填措施的管內(nèi)升溫明顯。

（5）保溫措施與裸管的對(duì)比研究。工況B6采用爐渣換填、回填方式，PE管沒有保溫措施，裸管埋深為80 cm，參照同樣埋深條件下并采取保溫措施的工況B2—B5的均值進(jìn)行評(píng)價(jià)。從圖8和表5中可以看出，B6工況中管道內(nèi)溫度T3＜0℃持續(xù)時(shí)間為86 d，比工況B2—B5的均值少4 d。B6工況中管道內(nèi)最低溫度T6min為-7.05℃，比工況B2—B5的最低溫度的均值低2.94℃，發(fā)生在第76天，比工況B2—B5的均值提前10 d。B6管道內(nèi)溫度T6持續(xù)高于0℃開始于第137天，比工況B2—B5的均值提前23 d。在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，裸管的保溫效果比采取保溫層的工況管內(nèi)最低溫度降低了2.94℃，保溫效果略差。

4.2 管內(nèi)溫度與普通土體溫度對(duì)比 同一埋深處管內(nèi)溫度和普通土體溫度的對(duì)比變化曲線如圖9所示。通過管內(nèi)外溫度對(duì)比情況可以分析管道保溫措施的性能，在保溫措施保溫效果好的情況下，管內(nèi)溫度滯后于土體內(nèi)溫度變化，并且管內(nèi)最低溫度高于同期土體溫度。在埋深H=60 cm處（工況B1），管內(nèi)溫度變化趨勢(shì)與同期普通土體溫度大體相當(dāng)，由于埋深淺，管內(nèi)溫度與土體溫度變化同步，管內(nèi)最低溫度比同期土體溫度最小值小2.02℃，管道防凍措施保溫效果不大（圖9（a））。工況B6中，由于只對(duì)管溝進(jìn)行了爐渣的換填和回填處理，在埋深H=80 cm處，管內(nèi)最低溫度比普通土體略低，管內(nèi)溫度變化沒有明顯滯后現(xiàn)象（圖9（f）），這可能是由于爐渣粒徑比普通土體大，密實(shí)度較差造成的。

工況B2和B3中，管內(nèi)溫度的變化過程均有明顯的滯后現(xiàn)象，即在降溫和升溫過程中，管內(nèi)的溫度的變化速率小于土體溫度變化速率，管內(nèi)最低溫度分別比同期土體溫度高5.14℃和6.15℃（圖9（b）（c））。在工況B4和B5中，降溫過程中管內(nèi)溫度的變化略滯后于土體溫度，管內(nèi)最低溫度分別比同期土體溫度高1.09℃和0.35℃（圖9（d）（e））。對(duì)比分析B3和B5可以發(fā)現(xiàn)，與珍珠巖散料輕質(zhì)土回填措施相比，EPS輕質(zhì)土回填措施的保溫效果更加明顯。

4.3 管道變形分析 管道的變形直接影響到管道的安全。在土體凍融過程中，管道會(huì)經(jīng)歷收縮和拉伸過程，在初始降溫階段，由于溫度應(yīng)力的存在，管道首先表現(xiàn)為收縮變形，且隨著溫度降低逐漸增加，待到管道水結(jié)冰后，由于冰體積膨脹，管道由收縮變形逆變?yōu)槔熳冃?，此時(shí)管道變形曲線有一個(gè)明顯的階躍，但受到土體的摩擦力作用和管道自身強(qiáng)度的雙重作用，管道的最大拉伸變形小于理論值，管道的拉伸變形最大值均發(fā)生在環(huán)境溫度上升的過程中，見圖10（由于工況B5的管道變形數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，在分析中不予考慮）。從圖10中可以看出同一個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向（0°、45°和90°）的管道變形呈現(xiàn)一致的變化，證明試驗(yàn)中PE管道的變形協(xié)調(diào)性良好。在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，管道的變形都在規(guī)范要求的5%安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。但在不同的保溫防凍措施條件下，管道的變形各不相同，將從管道的最大變形值、管道拉伸變形出現(xiàn)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間對(duì)管道的保溫防凍措施進(jìn)行評(píng)價(jià)（表6）。

圖9 相同埋深處土體溫度與管內(nèi)溫度變化曲線

（1）不同埋深條件下管道變形的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B1（埋深60 cm）和工況B2（埋深80 cm），分析埋深對(duì)管道變形的影響。在工況B1中，管道最大變形量為177.15 με，發(fā)生在試驗(yàn)中第116天，拉伸變形始于第45天，共持續(xù)98 d。在工況B2中，管道的最大變形為75.27 με，比工況B1小了101.89 με，減少比例為58%，發(fā)生在試驗(yàn)中的第124天。拉伸變形始于第92天，比工況B1晚出現(xiàn)47 d，共持續(xù)69 d，比工況B1少29 d。對(duì)比結(jié)果表明，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，管道埋深對(duì)管道的變形影響較大，當(dāng)埋深較深時(shí)，管道的變形較小，因此在實(shí)際工程中，為了減少管道的變形，應(yīng)考慮適當(dāng)加大管道埋深。

（2）不同換填方式條件下管道變形的對(duì)比研究。通過對(duì)比工況B2和工況B3，分析換填方式對(duì)管道變形的影響。在工況B3中，管道的最大變形為55.00 με，比工況B2小了20.27 με，減小比例為27%，發(fā)生在試驗(yàn)中的第133天。拉伸變形始于第90天，比工況B2早出現(xiàn)2 d，共持續(xù)83 d，比工況B2多14天。在后期雖然拉伸變形持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，但不到12 με。對(duì)比結(jié)果表明，在當(dāng)前試驗(yàn)中相同的保溫回填和埋深條件下，與砂土換填條件相比，爐渣換填時(shí)，管道的變形較小，在管道拉伸變形持續(xù)過程中，管道的拉伸變形量增速較小，沒有明顯的突變現(xiàn)象，整體上爐渣換填的效果略好于砂土換填，可能是爐渣的摩擦力大造成的。

（3）保溫措施與裸管的對(duì)比研究。將工況B6與工況B2—B4平均值進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)只進(jìn)行爐渣換填和回填的效果。工況B2—B4平均情況為：管道的最大變形為67.84 με，發(fā)生在試驗(yàn)中的第122天，拉伸變形始于第84天，共持續(xù)71 d。在工況B6中，管道的最大變形為97.36 με，在管道的允許變形范圍內(nèi)，比工況B2-B4平均大29.52 με，發(fā)生在試驗(yàn)中的第83天，拉伸變形始于第66天，比工況B2—B4平均早發(fā)生18 d，共持續(xù)69 d，比工況B2-B4平均短了2 d。在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，采用裸管的效果與工況B2—B4平均值相比，保溫效果略差，管道的最大變形增加。

圖10 不同工況條件下管道應(yīng)變變化曲線

表6 不同試驗(yàn)方案管道中變形變化特征

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了一系列室內(nèi)PE管道淺埋試驗(yàn)，通過模擬外界環(huán)境溫度變化過程，比較不同條件下PE管道工作狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明：管道埋深對(duì)PE管內(nèi)工作溫度和管道變形影響顯著，埋深80 cm時(shí)PE管內(nèi)最低溫度為-1.86℃，比埋深60 cm時(shí)增加82%，埋深80 cm時(shí)PE管道拉伸變形量為75.27 με，比埋深60 cm時(shí)減少58%，因此實(shí)際工程中考慮80 cm的埋深。

管道換填方式和保溫方式對(duì)管道內(nèi)的溫度和結(jié)冰時(shí)間影響不顯著。爐渣換填方式中管道的最大變形為55.00 με，比砂土換填減小27%，并且管道拉伸變形沒有明顯突變，推薦爐渣換填方式，管道不設(shè)保溫層。

回填方式對(duì)管內(nèi)溫度影響較大，EPS輕質(zhì)土回填時(shí)管內(nèi)最低溫度為-1.72℃，比珍珠巖散料輕質(zhì)土高72%。管道在只進(jìn)行爐渣換填和回填處理時(shí)，可以達(dá)到較好的防凍效果，與復(fù)雜工況（換填措施+回填措施+保溫層）相比保溫效果略差，管內(nèi)最低溫度減小2.94℃和管道最大變形增加了29.52 με。

考慮工程施工便捷性、建設(shè)工期和工程投資等因素，田鼠活動(dòng)層的影響和承載大型農(nóng)耕機(jī)械的需要，在黑龍江等季節(jié)凍土區(qū)（凍深＜2.3 m）PE管推薦采用80 cm的埋深。在具有凍脹特征的區(qū)域，優(yōu)先推薦采用爐渣換填和回填措施，也可因地制宜采用砂土換填和回填措施。

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