严寒地区输水管材选择及其埋设

田利萍，舒子亨

（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）

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。

表1 各种管道沿程损失公式中的f、m、b值

从表2比较同管径、同壁厚UPVC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、同壁厚在公称外径小于140 mm时UPVC管工作压力高于HPPE80管，而单价还略低于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。

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28 m3/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360 m，支管平行3行，左右共6条，支管间距120 m。支管上竖管接地面辅管，每条支管接18条辅管，每条辅管长9.3 m；每条辅管左右双向接16对共32条毛管，每条毛管长60 m。干管为续灌，支管、辅管、毛管为轮灌，每轮灌组开启2条支管，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60 m，则滴头数为60/0.3=200个，每条毛管最大流量为 2.10×200=420L/h。

1条辅管连16对（32条）毛管，每条辅管设计流量为 16×2×0.42=13.44 m3/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13.44 m3/h。

1条干管每次轮灌2条支管，故干管设计流量为13.44×2=26.88 m3/h。比单井出水量28 m3/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%～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。

表2 同管径同壁厚不同材质塑料管工作压力和单价

表3 滴灌系统各级管道流量及管径

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10年或无资料时，可根据当地的10年以上气温资料，计算出冻结指数多年平均值，按式（1）计算工程地点的标准冻深。

式中，H0为工程地点的标准冻深，cm；I0为冻结指数的多年平均值，（℃）；α为系数，按表4取用。

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。

式中，Hd为工程设计冻深，cm；Kp为频率模比系数，在标准冻深≥1.0 m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0～2 m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2 m，开挖管槽有困难，特别是地下水水位深埋小于2 m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109 cm，0～80 cm 为砂壤土，80 cm 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，但随着冻深的增加，地下水水位与冻结锋面距离的缩小，地下水对冻胀的影响逐渐增大。试验研究在3个冻结期进行，得出0～80 cm冻胀率较大，80～100 cm冻胀率较小，认为在冻深1.09 m时，管道在管道在冻土层适宜埋深应在0.8 m以下。

为村镇提供自来水用塑料管埋深，应严格在冻深以下，美国规定塑料管埋深不小于冻深以下0.3 m，日本规定不小于0.2 m。

表4 标准冻深计算式中系数α值

表5 国外自来水管不同管径和管槽底宽

表6 国内自来水管不同管径和管槽底宽

四、管槽横断面及回填

管项埋深确定后加上管径即可确定管槽开挖深度。管槽底宽主要根据管径并考虑施工要求确定，自来水管资料可供参考，国外自来水管不同管径管槽底宽见表5，我国自来水公司不同管径管槽底宽见表6。对于农村地埋硬塑管管槽底宽宜取管径加0.50 m。

至于管槽两侧边坡与地基土性质有关，由于管槽开挖铺管之后还要回填，在保证边坡稳定条件下，边坡尽可能陡。

管道可直接铺设在未经扰动的原状土地基上，如地基为岩石、砾石时必须在其上铺设细土或砂垫层，其厚度为0.10～0.20 m。

管道铺设后要及时对管槽进行回填，要保证回填质量，管周20 cm不应有直径大于2.5 cm的砾石和直径大于5 cm的块石，也不得夹杂尖硬物。注意管道两侧同时进行回填，严禁单侧回填。直接与管壁接触处应先用砂土或颗粒粒径不大于12 mm的土回填至管顶上侧30 cm处，经夯实后方可回填厚土，每层20 cm，分层轻夯。若回填土为砂土，可采用浸水水坠方法自行压实。

[1]灌溉与排水工程设计规范（GB 50288—1999）[S].北京：中国计划出版社，1999.

[2] 泵站设计规范（GB50265—1997）[S].北京：中国计划出版社，1997.

[3]水工建筑物抗冰冻设计规范（SL 211—2006）[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[4]童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治[M].北京：水利电力出版社，1985.

[5]土工合成材料应用手册编写委员会.土工合成材料工程应用手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[6]水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程实用手册[M].北京：中国水利水电出版社，2005.