謝崇寶，白 靜，吳志琴，張家陽

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季節(jié)性凍土區(qū)灌溉管道排空防凍模式設計

謝崇寶1，白 靜1※，吳志琴2，張家陽2

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

為了避免灌溉管道淺埋時管內水體凍脹造成的管道損壞問題，該文提出了可用于季節(jié)性凍土區(qū)的管道排空防凍模式。根據(jù)理論分析和典型設計確定了排空方式、壓縮機的類型和工作壓力、管道排氣容量、管道排空時間和壓縮機的覆蓋面積。并進行了大田試驗測試管道排空時間和管道越冬時的溫度。管道排空時間的大田試驗結果表明，實測管道排空時間均小于管道排空時間計算值，證明管道排空模式中管道排空時間計算公式有效；管道排空后的溫度監(jiān)測表明，在管道埋深為80 cm時，越冬期間，管溝是否換填對管道內的溫度影響不顯著，同期溫度差值介于0.8～1.23 ℃之間，管內最低溫度為-3.66 ℃，越冬后管道均沒有損壞，表明管道淺埋排空防凍模式的防凍效果良好。

凍土；溫度；灌溉；管道

0 引 言

在中國季節(jié)性凍土區(qū)，為了防止管道凍害發(fā)生，一般將管道鋪設在凍土層以下，這種管道深埋模式雖然解決了管道凍害問題，但因管溝挖方量和填方量巨大，造成灌溉工程投資增加和工期延長，同時深埋也會增加管道維護工作量；另外，在地下水位較高地區(qū)，如果管道鋪設采取深埋措施，管溝會出現(xiàn)管涌、積水和側壁變形等問題，給管線施工帶來困難[1-2]，影響了節(jié)水灌溉工程的建設進度和灌溉效益的發(fā)揮。

與飲水、市政工程[3-5]管道的工作模式不同，灌溉管道的灌溉時間遠遠小于空閑時間，尤其在冬季一般處于停灌期，這為灌溉管道淺埋于凍土層中提供了可能。在灌溉管道工程中，受地形條件限制和灌水設施布局需要的影響，管線不全是順坡布置，受土體不均勻沉降的影響，在某些情況下管道內的水體無法全部排出管外，局部管段就會處于不利工作狀態(tài)[6]。當埋設在凍土層中時，管道內水體的凍脹作用造成管道損壞，這是中國北方高寒地區(qū)灌溉管道破壞的常見形式[7]。

國內學者們對管道淺埋曾進行過一定的探討和研究，如陳寶明等[8-10]進行了PE管材的田間試驗與力學試驗，試驗結果表明PE管材在凍土層中可以安全過冬；張科亮[11]探討了新疆石河子地區(qū)輸水管道埋深的影響因素和較為復雜的防凍措施；Christ等[12]的研究中采用橡膠-沙土混合材料作為管道回填材料，混合材料對管道具有保溫性能。但這些研究重點關注管道淺埋后管材性能變化和防凍措施方面，而關于灌溉管道排空防凍模式的研究比較欠缺。因此圍繞管道淺埋防凍的具體實施方式，通過理論分析和計算，提出季節(jié)性凍土區(qū)管道排空防凍模式，對推動中國季節(jié)性凍土區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展具有一定的實用價值。

在連續(xù)輸送液體的管道工程中，在冬季液體是管道的熱源之一，在液體流動的條件下，管道工程的埋深問題轉化為不同管道埋深條件下的融化圈和溫度分布的問題[4,13-16]。而灌溉管道主要需要解決管內存水凍脹和周圍土體凍脹的問題。本文主要針對管道存水凍脹破壞的問題開展研究，通過理論分析和典型設計相結合的方法提出包括灌溉管道排空方式、排空時間以及排空機械覆蓋面積的管道排空防凍模式，并進行大田試驗對其進行驗證。

1 管道排空防凍模式試驗設計

1.1 管道排水方式選擇

根據(jù)管內水排出的動力不同，管道排水方式可以分為重力排水和機械排水。重力排水方式適用于坡降一致的條件下的積水，不適合灌溉管道排水。根據(jù)排水使用機械的不同可以分為空氣壓縮機排水和水泵排水。水泵排水對排水區(qū)是否密閉沒有要求，但水泵的吸入管必須充滿液體[17]。當水泵的積水區(qū)域不在工作范圍時，水泵排水方式無效。空氣壓縮機排水通過對管道系統(tǒng)加壓，以氣液兩相流的形式將水體排出管道。而在管道系統(tǒng)密閉性良好的情況下，采用空氣壓縮機排水效率很高。

根據(jù)工作原理的不同，空氣壓縮機分為容積式空氣壓縮機和動力式空氣壓縮機[18]。容積式壓縮機通過壓縮空氣提高氣體壓強，動力式空氣壓縮機通過將動能轉化為勢能提高氣體壓強，其中往復活塞式最為常見。由于灌溉管道中容積有限，一般采用微型往復活塞式壓縮機。微型往復活塞式壓縮機的額定排氣壓力范圍0.25～ 1.4 MPa[19]。壓縮級數(shù)分為單級和兩級2種。單級往復活塞式壓縮機的額定壓力范圍為0.25～1.0 MPa，兩級往復活塞式壓縮機的額定排氣壓力范圍為0.7～1.4 MPa。灌溉管道的公稱壓力一般選在0.6 MPa，因此應選用單級往復活塞式空氣壓縮機。額定壓力小于0.6 MPa的壓縮機額定參數(shù)[19]如表1所示，為了安全起見額定排氣壓力初步選為0.25、0.4或0.5 MPa。由于II型空氣壓縮機的額定排氣量最大，為了節(jié)省管道排空時間，在管道公稱壓力為0.6 MPa時，優(yōu)先選用II型空氣壓縮機。

表1 空氣壓縮機額定參數(shù)

1.2 管道容量估算

在排空方式一定的情況下，排空時間主要取決于管道內的容量。對于特定的地塊，管道容量與該地塊的管道長度、管徑大小直接相關，而地塊面積、地塊形狀、灌溉方式影響管道長度與管徑大小。本文采用機井灌區(qū)典型地塊法，分析不同地塊形狀和面積時的管道容量規(guī)律。管道容量估算以單井控制的地塊為研究對象，根據(jù)中國北方高寒地區(qū)井灌區(qū)的實際狀況，分別選取面積為6.67、13.33、20和26.67 hm2的地塊為典型。地塊的形狀采用長寬比進行控制，由于東北地區(qū)井灌區(qū)地塊平整，狹長地塊非常少見[20]，本文中的取值介于1～5之間。典型地塊的管道布置的基本要求為：1）干管沿著地塊的長邊鋪設；2）水源井距離地塊很近，忽略水源井與地塊之間的距離；3）支管采用單側鋪設，即支管與干管之間連接采用梳子形布置體系；4）地面支管和毛管雙向布置，即支管、地面支管與毛管連接采用豐字形的管網(wǎng)布置體系；5）采用PE管道。

面積為6.67 hm2，地塊長寬比=2的管道布置見圖1。典型地塊中種植作物為玉米，行距0.7 m，株距0.3 m，土壤干容重為1.45 g/cm3，日耗水量為4.5 mm，灌溉水利用系數(shù)為0.9，田間持水率為25%。根據(jù)調查，機井的平均設計供水能力為3.75 m3/(h·hm2)[20]。在計算過程中，按照機井的設計供水能力設置輪灌區(qū)大小。按照經(jīng)濟管徑計算公式[21]進行干管和支管管徑初選，并利用管道水頭損失計算進行校核和調整。

注：dn表示管道直徑，表示排水井。

地下管道容量為

式中為管道容量，m3；L為第級管道的長度，m；d為第級管道的內徑，m。

典型地塊的管道容量如表2所示，管道容量隨著地塊長寬比和地塊面積的增加而增加。管道容量與地塊長寬比的關系如圖2所示，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，典型地塊面積一定時，管道容量與地塊長寬比呈現(xiàn)線性相關關系，面積為6.67、13.33、20和26.67 hm2地塊中，管道容量與的判定系數(shù)2分別為0.84、0.85、0.91和0.77。

表2 典型地塊管道容量

圖2 管道容量與地塊形狀關系

地塊形狀和面積都影響管道容量大小，為了給出不同地塊的統(tǒng)一計算公式，將管道容量采用相同長寬比條件下面積6.67 hm2時的管道容量1進行無量綱化，將地塊面積采用1=6.67 hm2進行無量綱化。無量綱1隨著/1增加呈現(xiàn)拋物線型的變化（圖3），考慮到容量擬合公式計算值應大于等于典型設計計算值，引入容量安全系數(shù)1，經(jīng)過試算，1=1.2，管道容量的計算公式見式（2）。

式中V1為地塊長寬比為k、面積為6.67 hm2時的管道容量，散點擬合公式為，m3；A為地塊面積，A1=6.67 hm2。

1.3 灌溉管道有效排水時間計算

考慮到管道回流的影響，管道排空過程按兩階段進行。第1階段排水的模式為，空氣壓縮機接入管道系統(tǒng)預留的接口，關閉排水閥，啟動空氣壓縮機后，依次輪流打開每個分干管的出水栓閥門，第1階段管道排水總時間根據(jù)管道容量、空氣壓縮機的型號計算確定，并按照出水栓數(shù)分配出單次水栓開啟時間。在管道水回流后，進行第2階段管道排水，關閉出水栓閥門，打開排水閥，第2次管道排水時間根據(jù)經(jīng)驗確定。為了保險起見，管道回流時間設定為1 h，實際運用中可以通過壓縮機工序安排避免空氣壓縮機停機等待管道回流。

空氣壓縮機總排氣量為

單個地塊總排水時間包括第1次管道有效排水時間、第2次管道有效排水時間和移機時間，總排水時間為

II型空氣壓縮機額定排氣量為2.5 m3/min，根據(jù)公式(2)～(4)計算了不同地塊排水時間見表3。從表3中可以看出，在當前計算條件下，=6.67 hm2、=5的地塊需要的排水時間最長，為12.60 min/hm2。按照此最不利條件計算，1天工作時間為8 h，空氣壓縮機日排水面積為38 hm2，其工作周期按照7 d計算，單個空氣壓縮機理論工作面積A約為266 hm2。

表3 典型地塊排水時間

2 管道排空模式大田試驗驗證

2.1 管道排空模式大田試驗條件

為了檢驗管道排空防凍模式中排水時間的有效性，在確定管道排空方式、管道排空機械的額定排氣容量后，對排空時間進行驗證以保證計算的準確性，隨機選擇地塊，測量其長寬比，實測其排空時間，將其與公式計算值進行比較。

為了檢驗管道排空防凍模式的防凍效果，在黑龍江省進行了大田試驗，在灌溉結束后對地埋管道進行排空。對灌溉管道而言，管內水體發(fā)生相變和管周土體凍脹、融沉作用是管道安全的影響因素[24-26]。根據(jù)凍脹率的不同，土體可以分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強凍脹和特強凍脹。根據(jù)以往的研究成果，土體的礦物成分、級配、土體初始含水量、土體溫度、土體的飽和度[27-29]等對在越冬期間土體的凍脹量影響很大，由于凍脹量和土體的粒徑呈負相關[30]，在凍脹性土體中埋設管道時，需要進行管溝換填，在試驗中設置3種不同管溝回填和換填工況。試驗工況的參數(shù)見表4。黑龍江省哈爾濱市屬于季節(jié)性凍土區(qū)，凍深為1.5 m左右[31-32]，試驗中考慮到承載田間機械的影響，減少埋深降低投資的可能性以及管道保溫[33]的需求，結合現(xiàn)有的室內試驗成果[34]，A1～A3工況管道的埋深選為80 cm，管溝處理措施見圖4。其中A1工況的管溝深度86 cm，采用原土回填；A2和A3工況中管溝深度均為156 cm，分別采用爐渣和中砂換填至地面下86 cm處，鋪設管道后分別采用爐渣和中砂回填至耕作層。每種工況中在管道內壁沿著管道走向布置3個點，監(jiān)測點的間距為0.5 m，每個監(jiān)測點布置1個溫度傳感器監(jiān)測管內溫度。布設1個氣溫監(jiān)測點采集氣溫數(shù)據(jù)。管內溫度和氣溫數(shù)據(jù)采用自動采集系統(tǒng)進行監(jiān)測[35]，采集頻次均為1次/h。

表4 大田試驗參數(shù)

圖4 大田試驗管溝處理示意圖

2.2 大田試驗結果

管道排空防凍模式的驗證結果包括管道排空模式排空時間驗證和排空防凍模式的防凍效果驗證，在黑龍江隨機選擇3個地塊測定其排空時間，結果如表5所示，從表4中可以看出管道總排空時間實測值均小于計算值，證明本文提出的管道排空模式是可行的。地塊3的實測排空時間比計算值偏大，主要是由于地塊周邊道路已經(jīng)硬化，實際移機時間小于預期值造成的。

表5 不同地塊排水總時間計算值與實測值對比

在11月份至次年3月期間對管道溫度進行監(jiān)測，不同工況管道內的溫度和氣溫變化曲線如圖5所示，其中管內溫度和氣溫為日均值。從圖5中可以看出，管道內的溫度呈現(xiàn)先下降后略微上升的趨勢，由于土體和下臥層的保溫作用，管道內溫度高于氣溫。工況A1～A3中管道內溫度相近，同期溫度相差幅度在0.8～1.23 ℃之間，最低溫度依次為–3.66、–2.62和–3.22 ℃，分別發(fā)生在2月28日，2月27日和2月26日。管道內溫度開始低于結冰點的日期分別為12月30日，次年1月4日和1月13日，最早結冰時間和最晚結冰時間相差15 d。在2018年1月24日，試驗地處的氣溫達到最低值為–32.03 ℃，工況A1、A2、A3管內溫度分別為–1.67、–0.67和–1.16 ℃。總體上，爐渣換填回填和中砂換填回填的溫度略高于原土回填的溫度，但相差不顯著。從試驗數(shù)據(jù)中可以看出，在淺埋條件下如果管道內局部存在滿管水流，由于水體的凍脹會造成管道局部損壞，為了保證管道的安全，應該排空管道內的水體。在埋深為80 cm時，回填的土體類型（原土、中砂和爐渣）對管道內的溫度影響不太大。在凍脹土分布區(qū)管溝可以采用沒有凍脹特性的材料進行換填和回填，如中砂和爐渣等[36]。在非凍脹土分布區(qū)管溝采用原土回填，在適宜埋深條件下，管道排空防凍模式對防止管道破壞有效。

圖5 氣溫和不同工況中管道內溫度的變化

3 結 論

本文提出了一種管道排空防凍模式，將管道淺埋排空防凍模式進行大田試驗，檢驗其防凍效果，主要結論如下：

1）灌溉管道的排空防凍方式宜采用壓縮機強排的工作方式；

2）結合灌溉管道容量，確定了壓縮機型號和覆蓋面積。推薦選用額定排氣壓力為0.4 MPa，額定排氣量為 2.5 m3/min的往復活塞式空氣壓縮機進行管道排空，采用兩階段排水法時單機理論覆蓋面積為266 hm2；

3）采用大田試驗對管道淺埋防凍模式的排空時間和防凍效果進行了論證。通過排空時間實測發(fā)現(xiàn)，管道排空時間實測值小于計算值，證明采用本文提出的管道排空模式可行。通過采集不同回填換填措施下的管道內溫度變化過程可以發(fā)現(xiàn)，在原土、中砂和爐渣回填換填處理情況下，管道內的溫度相差不顯著，管內最低溫度為–3.66 ℃，在越冬前采用壓縮機強行排空的淺埋管道防凍模式防凍效果可靠。

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Design of irrigation pipeline emptying anti-freezing mode in seasonal frozen soil region

Xie Chongbao1, Bai Jing1※, Wu Zhiqin2, Zhang Jiayang2

(1.100054;2.150080,)

In order to meet the anti-freeze requirements, traditional irrigation pipelines generally are laid below the ground frozen layer in seasonal frozen region. Although the deep-buried mode of the pipeline solved the freezing problem of pipelines, it has increased investment in irrigation projects and prolonged construction schedules, affecting the development of water-saving irrigation projects relying on ground water. Since irrigation was suspended during the winter, which provided the possibility that irrigation pipelines could be buried in the frozen ground. In order to solve the problem of pipelines damage, we proposed an anti-freeze mode for irrigation pipelines based on evacuation. First the emptying mode of pipelines and version of air compressors were recommended through analysis and comparisons. Because of the limited volume of irrigation pipelines, micro reciprocating piston compressor was recommended. Working pressure, rated discharge capacity of air compressors were 0.4 MPa and 2.5 m3/min, respectively. The laying out of pipelines was obtained according to similar designing rules. The pipeline distribution, length, diameter, as well as the volume of typical plots with different length to width ratios and areas were estimated through a series of design and calculation. The pipeline capacity increased along with the length to width ratio as well as the plot area. The dimensionless pipeline volume formula was obtained based on calculations and regression analysis. A mode of working-suspending-working was introduced into water drainage of pipelines. We estimated the working time of an air compressor by the pipeline volume and discharge capacity of air compressor, and the suspending time was set according to experiences. After that draining time of all typical plots was calculated and the time per area for the plots of 6.67 hm2was longer than any others. The covering area of the recommended air compressor was suggested to be 266 hm2under the conditions of 8 hours per day in a weekly working period. We conducted field experiment in Heilongjiang province in order to verify the effect of the emptying mode of pipelines. With the impact of carrying machinery, reducing the potential investment and the need for pipe insulation, the burial depth of pipelines was selected to be 80 cm. Frost heaving and thaw settlement is another key factor in the seasonal frozen earth region. When the pipe was buried in the ground frozen layer, it was necessary to carry out the pipe trench filling. Replacement by non-frost materials was a common and effective measure. We set up 3 types of pipeline ditches backfilling conditions including original soil, medium sand, slag. We dynamic monitored the temperature in pipelines from November 2017 to March 2018. The result showed that the calculated drainage time could meet the need of pipeline emptying. The temperatures fell first and then increased slowly and the lowest temperature was –3.66, –2.62 and –3.22 ℃ in the ditches with backfilling with original soil, slag and medium sand. When the burying depth of pipelines was 80cm, the temperature differences in the pipelines were not obvious, which varies from 0.8 to 1.23 ℃, under the three condition. Using original soil or non-frost materials (such as sand and slag, etc.) for replacement and backfilling, the pipelines would be safe if the forced draining and evacuation mode is used through an air compressor.

frozen soil; temperature; irrigation; pipeline

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.010

TV93, S277

A

1002-6819(2018)-21-0082-07

2018-04-10

2018-09-10

國家科技計劃課題“節(jié)水增糧高效灌溉關鍵技術與裝備”（2014BAD12B05）資助

謝崇寶，博士，教授級高級工程師，主要從事農田水利與飲水安全方面的研究。Email：xchb@263.net

白 靜，高級工程師，博士，主要從事農田水利和河流動力學方面的研究。Email：625540202@qq.com

謝崇寶，白 靜，吳志琴，張家陽.季節(jié)性凍土區(qū)灌溉管道排空防凍模式設計[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(21)：82－88. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.010 http://www.tcsae.org

Xie Chongbao, Bai Jing, Wu Zhiqin, Zhang Jiayang.Design of irrigation pipeline emptying anti-freezing mode in seasonal frozen soil region [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 82－88. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.010 http://www.tcsae.org