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        季節(jié)性凍土區(qū)管道淺埋換填防凍模式研究

        2018-06-11 08:06:32謝崇寶吳志琴
        水利學(xué)報(bào) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:最低溫度管內(nèi)保溫

        白 靜,謝崇寶,吳志琴

        (1.中國灌溉排水發(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

        我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的農(nóng)業(yè)灌溉大國,發(fā)展噴灌、微灌及管道輸水等節(jié)水灌溉是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的長期戰(zhàn)略需求。在節(jié)水灌溉工程建設(shè)中,無論是噴灌、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應(yīng)的深度進(jìn)行相關(guān)分析,得出了針對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,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)有的研究僅僅關(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),分析不同因素對管道工作狀態(tài)的影響,從而對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、施工和維修簡便、使用壽命長等優(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,使用壽命長達(dá)50年[6-7]。根據(jù)《中國塑料管道行業(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×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 野外凍土場日平均氣溫和概化曲線

        表1 野外凍土場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)?,F(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,對比不同的管道埋深、保溫措施、回填措施、換填措施對管道工作狀態(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1.5 m,首尾密封。考慮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,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 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)測軟件系統(tǒng)自動采集[20]:

        (1)溫度:主要監(jiān)測試驗(yàn)過程中的環(huán)境溫度、土體溫度和PE管內(nèi)的溫度。環(huán)境溫度觀測點(diǎn)位于模型上方40 cm處;管內(nèi)溫度觀測點(diǎn)位于每個(gè)工況PE管內(nèi)中點(diǎn)處。考慮到土體溫度測點(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)測主要包括管道的軸向變形監(jiān)測和徑向變形監(jiān)測,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)測點(diǎn),每個(gè)測點(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,不會對灌溉造成影響。

        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)兩種埋深的對比研究。通過對比工況B1和工況B2,分析埋深對管內(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)不同換填方式的對比研究。通過對比工況B2和工況B3,分析換填方式對管內(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)不同保溫方式的對比研究。通過對比工況B4和工況B5,分析保溫方式對管內(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)不同回填方式的對比研究。通過對比工況B3與工況B5,分析回填方式對管內(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比 同一埋深處管內(nèi)溫度和普通土體溫度的對比變化曲線如圖9所示。通過管內(nèi)外溫度對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)間對管道的保溫防凍措施進(jìn)行評價(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比研究。通過對比工況B1(埋深60 cm)和工況B2(埋深80 cm),分析埋深對管道變形的影響。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。對比結(jié)果表明,在當(dāng)前試驗(yàn)條件下,管道埋深對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比研究。通過對比工況B2和工況B3,分析換填方式對管道變形的影響。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,但不到12 με。對比結(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比研究。將工況B6與工況B2—B4平均值進(jìn)行對比分析,評價(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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