季节性冻土区灌溉管道排空防冻模式设计

谢崇宝，白 静，吴志琴，张家阳



季节性冻土区灌溉管道排空防冻模式设计

谢崇宝1，白 静1※，吴志琴2，张家阳2

（1. 中国灌溉排水发展中心，北京 100054；2. 黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080）

为了避免灌溉管道浅埋时管内水体冻胀造成的管道损坏问题，该文提出了可用于季节性冻土区的管道排空防冻模式。根据理论分析和典型设计确定了排空方式、压缩机的类型和工作压力、管道排气容量、管道排空时间和压缩机的覆盖面积。并进行了大田试验测试管道排空时间和管道越冬时的温度。管道排空时间的大田试验结果表明，实测管道排空时间均小于管道排空时间计算值，证明管道排空模式中管道排空时间计算公式有效；管道排空后的温度监测表明，在管道埋深为80 cm时，越冬期间，管沟是否换填对管道内的温度影响不显著，同期温度差值介于0.8～1.23 ℃之间，管内最低温度为-3.66 ℃，越冬后管道均没有损坏，表明管道浅埋排空防冻模式的防冻效果良好。

冻土；温度；灌溉；管道

0 引 言

在中国季节性冻土区，为了防止管道冻害发生，一般将管道铺设在冻土层以下，这种管道深埋模式虽然解决了管道冻害问题，但因管沟挖方量和填方量巨大，造成灌溉工程投资增加和工期延长，同时深埋也会增加管道维护工作量；另外，在地下水位较高地区，如果管道铺设采取深埋措施，管沟会出现管涌、积水和侧壁变形等问题，给管线施工带来困难[1-2]，影响了节水灌溉工程的建设进度和灌溉效益的发挥。

与饮水、市政工程[3-5]管道的工作模式不同，灌溉管道的灌溉时间远远小于空闲时间，尤其在冬季一般处于停灌期，这为灌溉管道浅埋于冻土层中提供了可能。在灌溉管道工程中，受地形条件限制和灌水设施布局需要的影响，管线不全是顺坡布置，受土体不均匀沉降的影响，在某些情况下管道内的水体无法全部排出管外，局部管段就会处于不利工作状态[6]。当埋设在冻土层中时，管道内水体的冻胀作用造成管道损坏，这是中国北方高寒地区灌溉管道破坏的常见形式[7]。

国内学者们对管道浅埋曾进行过一定的探讨和研究，如陈宝明等[8-10]进行了PE管材的田间试验与力学试验，试验结果表明PE管材在冻土层中可以安全过冬；张科亮[11]探讨了新疆石河子地区输水管道埋深的影响因素和较为复杂的防冻措施；Christ等[12]的研究中采用橡胶-沙土混合材料作为管道回填材料，混合材料对管道具有保温性能。但这些研究重点关注管道浅埋后管材性能变化和防冻措施方面，而关于灌溉管道排空防冻模式的研究比较欠缺。因此围绕管道浅埋防冻的具体实施方式，通过理论分析和计算，提出季节性冻土区管道排空防冻模式，对推动中国季节性冻土区节水灌溉发展具有一定的实用价值。

在连续输送液体的管道工程中，在冬季液体是管道的热源之一，在液体流动的条件下，管道工程的埋深问题转化为不同管道埋深条件下的融化圈和温度分布的问题[4,13-16]。而灌溉管道主要需要解决管内存水冻胀和周围土体冻胀的问题。本文主要针对管道存水冻胀破坏的问题开展研究，通过理论分析和典型设计相结合的方法提出包括灌溉管道排空方式、排空时间以及排空机械覆盖面积的管道排空防冻模式，并进行大田试验对其进行验证。

1 管道排空防冻模式试验设计

1.1 管道排水方式选择

根据管内水排出的动力不同，管道排水方式可以分为重力排水和机械排水。重力排水方式适用于坡降一致的条件下的积水，不适合灌溉管道排水。根据排水使用机械的不同可以分为空气压缩机排水和水泵排水。水泵排水对排水区是否密闭没有要求，但水泵的吸入管必须充满液体[17]。当水泵的积水区域不在工作范围时，水泵排水方式无效。空气压缩机排水通过对管道系统加压，以气液两相流的形式将水体排出管道。而在管道系统密闭性良好的情况下，采用空气压缩机排水效率很高。

根据工作原理的不同，空气压缩机分为容积式空气压缩机和动力式空气压缩机[18]。容积式压缩机通过压缩空气提高气体压强，动力式空气压缩机通过将动能转化为势能提高气体压强，其中往复活塞式最为常见。由于灌溉管道中容积有限，一般采用微型往复活塞式压缩机。微型往复活塞式压缩机的额定排气压力范围0.25～ 1.4 MPa[19]。压缩级数分为单级和两级2种。单级往复活塞式压缩机的额定压力范围为0.25～1.0 MPa，两级往复活塞式压缩机的额定排气压力范围为0.7～1.4 MPa。灌溉管道的公称压力一般选在0.6 MPa，因此应选用单级往复活塞式空气压缩机。额定压力小于0.6 MPa的压缩机额定参数[19]如表1所示，为了安全起见额定排气压力初步选为0.25、0.4或0.5 MPa。由于II型空气压缩机的额定排气量最大，为了节省管道排空时间，在管道公称压力为0.6 MPa时，优先选用II型空气压缩机。

表1 空气压缩机额定参数

1.2 管道容量估算

在排空方式一定的情况下，排空时间主要取决于管道内的容量。对于特定的地块，管道容量与该地块的管道长度、管径大小直接相关，而地块面积、地块形状、灌溉方式影响管道长度与管径大小。本文采用机井灌区典型地块法，分析不同地块形状和面积时的管道容量规律。管道容量估算以单井控制的地块为研究对象，根据中国北方高寒地区井灌区的实际状况，分别选取面积为6.67、13.33、20和26.67 hm2的地块为典型。地块的形状采用长宽比进行控制，由于东北地区井灌区地块平整，狭长地块非常少见[20]，本文中的取值介于1～5之间。典型地块的管道布置的基本要求为：1）干管沿着地块的长边铺设；2）水源井距离地块很近，忽略水源井与地块之间的距离；3）支管采用单侧铺设，即支管与干管之间连接采用梳子形布置体系；4）地面支管和毛管双向布置，即支管、地面支管与毛管连接采用丰字形的管网布置体系；5）采用PE管道。

面积为6.67 hm2，地块长宽比=2的管道布置见图1。典型地块中种植作物为玉米，行距0.7 m，株距0.3 m，土壤干容重为1.45 g/cm3，日耗水量为4.5 mm，灌溉水利用系数为0.9，田间持水率为25%。根据调查，机井的平均设计供水能力为3.75 m3/(h·hm2)[20]。在计算过程中，按照机井的设计供水能力设置轮灌区大小。按照经济管径计算公式[21]进行干管和支管管径初选，并利用管道水头损失计算进行校核和调整。

注：dn表示管道直径，表示排水井。

地下管道容量为

式中为管道容量，m3；L为第级管道的长度，m；d为第级管道的内径，m。

典型地块的管道容量如表2所示，管道容量随着地块长宽比和地块面积的增加而增加。管道容量与地块长宽比的关系如图2所示，从图2中可以发现，典型地块面积一定时，管道容量与地块长宽比呈现线性相关关系，面积为6.67、13.33、20和26.67 hm2地块中，管道容量与的判定系数2分别为0.84、0.85、0.91和0.77。

表2 典型地块管道容量

图2 管道容量与地块形状关系

地块形状和面积都影响管道容量大小，为了给出不同地块的统一计算公式，将管道容量采用相同长宽比条件下面积6.67 hm2时的管道容量1进行无量纲化，将地块面积采用1=6.67 hm2进行无量纲化。无量纲1随着/1增加呈现抛物线型的变化（图3），考虑到容量拟合公式计算值应大于等于典型设计计算值，引入容量安全系数1，经过试算，1=1.2，管道容量的计算公式见式（2）。

式中V1为地块长宽比为k、面积为6.67 hm2时的管道容量，散点拟合公式为，m3；A为地块面积，A1=6.67 hm2。

1.3 灌溉管道有效排水时间计算

考虑到管道回流的影响，管道排空过程按两阶段进行。第1阶段排水的模式为，空气压缩机接入管道系统预留的接口，关闭排水阀，启动空气压缩机后，依次轮流打开每个分干管的出水栓阀门，第1阶段管道排水总时间根据管道容量、空气压缩机的型号计算确定，并按照出水栓数分配出单次水栓开启时间。在管道水回流后，进行第2阶段管道排水，关闭出水栓阀门，打开排水阀，第2次管道排水时间根据经验确定。为了保险起见，管道回流时间设定为1 h，实际运用中可以通过压缩机工序安排避免空气压缩机停机等待管道回流。

空气压缩机总排气量为

单个地块总排水时间包括第1次管道有效排水时间、第2次管道有效排水时间和移机时间，总排水时间为

II型空气压缩机额定排气量为2.5 m3/min，根据公式(2)～(4)计算了不同地块排水时间见表3。从表3中可以看出，在当前计算条件下，=6.67 hm2、=5的地块需要的排水时间最长，为12.60 min/hm2。按照此最不利条件计算，1天工作时间为8 h，空气压缩机日排水面积为38 hm2，其工作周期按照7 d计算，单个空气压缩机理论工作面积A约为266 hm2。

表3 典型地块排水时间

2 管道排空模式大田试验验证

2.1 管道排空模式大田试验条件

为了检验管道排空防冻模式中排水时间的有效性，在确定管道排空方式、管道排空机械的额定排气容量后，对排空时间进行验证以保证计算的准确性，随机选择地块，测量其长宽比，实测其排空时间，将其与公式计算值进行比较。

为了检验管道排空防冻模式的防冻效果，在黑龙江省进行了大田试验，在灌溉结束后对地埋管道进行排空。对灌溉管道而言，管内水体发生相变和管周土体冻胀、融沉作用是管道安全的影响因素[24-26]。根据冻胀率的不同，土体可以分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。根据以往的研究成果，土体的矿物成分、级配、土体初始含水量、土体温度、土体的饱和度[27-29]等对在越冬期间土体的冻胀量影响很大，由于冻胀量和土体的粒径呈负相关[30]，在冻胀性土体中埋设管道时，需要进行管沟换填，在试验中设置3种不同管沟回填和换填工况。试验工况的参数见表4。黑龙江省哈尔滨市属于季节性冻土区，冻深为1.5 m左右[31-32]，试验中考虑到承载田间机械的影响，减少埋深降低投资的可能性以及管道保温[33]的需求，结合现有的室内试验成果[34]，A1～A3工况管道的埋深选为80 cm，管沟处理措施见图4。其中A1工况的管沟深度86 cm，采用原土回填；A2和A3工况中管沟深度均为156 cm，分别采用炉渣和中砂换填至地面下86 cm处，铺设管道后分别采用炉渣和中砂回填至耕作层。每种工况中在管道内壁沿着管道走向布置3个点，监测点的间距为0.5 m，每个监测点布置1个温度传感器监测管内温度。布设1个气温监测点采集气温数据。管内温度和气温数据采用自动采集系统进行监测[35]，采集频次均为1次/h。

表4 大田试验参数

图4 大田试验管沟处理示意图

2.2 大田试验结果

管道排空防冻模式的验证结果包括管道排空模式排空时间验证和排空防冻模式的防冻效果验证，在黑龙江随机选择3个地块测定其排空时间，结果如表5所示，从表4中可以看出管道总排空时间实测值均小于计算值，证明本文提出的管道排空模式是可行的。地块3的实测排空时间比计算值偏大，主要是由于地块周边道路已经硬化，实际移机时间小于预期值造成的。

表5 不同地块排水总时间计算值与实测值对比

在11月份至次年3月期间对管道温度进行监测，不同工况管道内的温度和气温变化曲线如图5所示，其中管内温度和气温为日均值。从图5中可以看出，管道内的温度呈现先下降后略微上升的趋势，由于土体和下卧层的保温作用，管道内温度高于气温。工况A1～A3中管道内温度相近，同期温度相差幅度在0.8～1.23 ℃之间，最低温度依次为–3.66、–2.62和–3.22 ℃，分别发生在2月28日，2月27日和2月26日。管道内温度开始低于结冰点的日期分别为12月30日，次年1月4日和1月13日，最早结冰时间和最晚结冰时间相差15 d。在2018年1月24日，试验地处的气温达到最低值为–32.03 ℃，工况A1、A2、A3管内温度分别为–1.67、–0.67和–1.16 ℃。总体上，炉渣换填回填和中砂换填回填的温度略高于原土回填的温度，但相差不显著。从试验数据中可以看出，在浅埋条件下如果管道内局部存在满管水流，由于水体的冻胀会造成管道局部损坏，为了保证管道的安全，应该排空管道内的水体。在埋深为80 cm时，回填的土体类型（原土、中砂和炉渣）对管道内的温度影响不太大。在冻胀土分布区管沟可以采用没有冻胀特性的材料进行换填和回填，如中砂和炉渣等[36]。在非冻胀土分布区管沟采用原土回填，在适宜埋深条件下，管道排空防冻模式对防止管道破坏有效。

图5 气温和不同工况中管道内温度的变化

3 结 论

本文提出了一种管道排空防冻模式，将管道浅埋排空防冻模式进行大田试验，检验其防冻效果，主要结论如下：

1）灌溉管道的排空防冻方式宜采用压缩机强排的工作方式；

2）结合灌溉管道容量，确定了压缩机型号和覆盖面积。推荐选用额定排气压力为0.4 MPa，额定排气量为 2.5 m3/min的往复活塞式空气压缩机进行管道排空，采用两阶段排水法时单机理论覆盖面积为266 hm2；

3）采用大田试验对管道浅埋防冻模式的排空时间和防冻效果进行了论证。通过排空时间实测发现，管道排空时间实测值小于计算值，证明采用本文提出的管道排空模式可行。通过采集不同回填换填措施下的管道内温度变化过程可以发现，在原土、中砂和炉渣回填换填处理情况下，管道内的温度相差不显著，管内最低温度为–3.66 ℃，在越冬前采用压缩机强行排空的浅埋管道防冻模式防冻效果可靠。

[1] 张聪.地下水位变化对砂土地基承载特性影响试验研究[D]. 沈阳：沈阳建筑大学，2011. Zhang Cong. Experimental Study on Influence of Groundwater Level Change on Bearing Characteristics of Sandy Foundation[D]. Shenyang: Shenyang Jianzhu University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[2] 赵代鹏，王世梅，谈云志，等. 库水升降作用下浮托减重型滑坡稳定性研究[J]. 岩土力学，2013，34(4)：1017－1024. Zhao Daipeng, Wang Shimei, Tan Yunzhi, et al. Stability studies of buoyancy weight loss landslides under reservoir water level fluctuation[J].Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(4): 1017－1024. (in Chinese with English abstract)

[3] 戴佳琦. 寒区村镇饮用水输配管道的保温防冻分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2014. Dai Jiaqi. Research on the Insulation of the Pipeline in Cold Area[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[4] 王炎. 东北村镇地区间歇供水模式下给水管道浅埋保温技术研究[D]. 长春：吉林建筑大学，2015. Wang Yan. The Research of Shallow Buried Insulation Technology of Water Supply Pipe under Intermittent Water Supply System in Northeast Rural Places[D]. Changchun: Jilin Jianzhu University. (in Chinese with English abstract)

[5] 白莉，王炎. 大庆地区给水管道合理埋深的数值研究[J]. 水资源与水工程学报，2014(5)：28－31. Bai Li, Wang Yan. Numerical investigation of optimal buried depth of water supply pipe in Daqing region[J]. Journal of Water Resources & Water Engineering, 2014(5): 28－31. (in Chinese with English abstract)

[6] 白静，谢崇宝，高虹，等. 东北地区灌溉管道的浅埋技术研究[J]. 中国农村水利水电，2016(11)：135－138. Bai Jing, Xie Chongbao, Gao Hong, et al. Research on the technology of irrigation pipeline buried in a shallow layer of northeast China[J]. China Rural Water and Hydropower, 2016(11): 135－138. (in Chinese with English abstract)

[7] 赵薇娜. 塑料压力管道破坏机理的损伤力学研究及其数值模拟[D]. 成都：四川大学，2007. Zhao Weina. Study and Numerical Simulation of Fracture Mechanics in Plastic Pressure Pipes by Damage Mechanics[D]. Chengdu: Sichuan University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[8] 陈宝明，陈若霆，王秀花. 寒冷地区低压输水灌溉管道的适宜埋深[J]. 水利水电技术，1994(7)：47－52.

[9] 郭新禧. 晋北地区PE塑料管道浅埋试验研究[J]. 中国农村水利水电，1998(2)：35－36.

[10] 解放庆，白小丹，郭新禧. 晋北高寒地区PE塑料灌溉管道浅埋方法[J]. 山西水利，1998(1)：24－26.

[11] 张科亮. 寒区地下输水管道合理埋置深度的研究[D]. 石河子：石河子大学，2013.Zhang Keliang. The Research for Rational Burying Depth of Underground Water Pipeline in Cold Region[D]. Shihezi: Shihezi University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[12] Christ M, Park J B, Hong S S. Laboratory observation of the response of a buried pipeline to freezing rubber-sand backfill[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2010, 22(9): 943－950.

[13] 管岫峰，刘建军，李伟. 季节性冻土区给水管道周围温度场与埋深的数值模拟及分析[J]. 石河子大学学报(自科版)，2015，33(3)：362－367. Guan Xiufeng, Liu Jianjun, Li Wei. Numeric simulation and analysis of temperature field and burying depth of underground water pipeline in seasonal Frozen area[J]. Journal of Shihezi University (Natural Science), 2015, 33(3): 362－367. (in Chinese with English abstract)

[14] 管岫峰. 季节性冻土区市政给水管道合理埋置深度研究[D]. 石河子：石河子大学，2015.Guan Xiufeng. Research for Rational Burying Depth of Underground Water Supply Pipeline in Seasonal Region[D]. Shihezi: Shihezi University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[15] 林名桢，李传宪，杨飞. 管道埋深对稳定运行热油管道热力特性的影响[J]. 石油化工高等学校学报，2008，21(3)：63－67. Lin Mingzhen, Li Chuanxian, Yang Fei. Effect of buried depth on thermodynamic properties of hot oil pipeline in steady operation[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2008, 21(3): 63－67. (in Chinese with English abstract)

[16] Song Weon Keun. Thermal transfer analysis of a freezing soil medium with an embedded pipeline[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2006, 20(1): 20－36.

[17] 刘家春. 水泵与水泵站[M]. 北京：中国水利水电出版社，1998.

[18] 徐少明. 空气压缩机实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，1994.

[19] GB/T 13928-2002.微型往复活塞空气压缩机[S].

[20] 中华人民共和国水利部.东北四省区节水增粮行动高效节水灌溉项目实施方案[R]，2011.

[21] 水利部农村水利司. 节水灌溉工程实用手册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[22] 钱焕群，胡志华，王跃社，等. 水平管气液两相间歇流含气率研究[J]. 应用力学学报，2003，20(1)：114－117.

Qian Huanqun, Hu Zhihua, Wang Yueshe, et al. Study of liquid slug void fraction for gas-liquid flow in horizontal pipe[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2003, 20(1): 114－117.

[23] 中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程管理手册[R]，2015.

[24] 齐吉琳，马巍. 冻土的力学性质及研究现状[J]. 岩土力学，2011，31(1)：133－143.Qi Jilin, Ma Wei. State-of-art of research on mechanical properties of frozen soils[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 31(1): 133－143. (in Chinese with English abstract)

[25] 何平，程国栋，杨成松，等. 冻土融沉系数的评价方法[J]. 冰川冻土，2013，25(6)：608－613. He Ping, Cheng Guodong, Yang Chengsong, et al. The evaluation of thawing-settlement coefficient of frozen soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2013, 25(6): 608－613. (in Chinese with English abstract)

[26] 杨凤学，张喜发，冷毅飞，等. 冻土融化体积压缩系数的经验确定方法[J]. 岩土力学，2011，32(11)：432－436. Yang Fengxue, Zhang Xifa, Leng Yifei, et al. Empirical method for determining thawing volume compression coefficient of frozen soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(11): 432－436. (in Chinese with English abstract)

[27] 冷毅飞，张喜发，张冬青. 季节冻土区公路路基细粒土冻胀敏感性研究[J]. 冰川冻土，2006，28(2)：211－216. Leng Yifei, Zhang Xifa, Zhang Dongqing. Study of frost heaving susceptibility of fine-grain soil of high way subgrade in seasonally frozen ground regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2006, 28(2): 211－216. (in Chinese with English abstract)

[28] 严晗，王天亮，刘建坤. 粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究[J]. 岩土力学，2013，34(11)：3159－3165. Yan Han，Wang Tianliang, Liu Jiankun. Experimental study of repeated frost heave and thaw settlement properties of silty sand[J].Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(11): 3159－3165. (in Chinese with English abstract)

[29] 李安原，牛永红，牛富俊，等. 粗颗粒土冻胀特性和防治措施研究现状[J]. 冰川冻土，2015，37(1)：202－210. Li Anyuan, Niu Yonghong, Niu Fujun, et al. Research status of frost heaving properties and controlling measures of coarse grained soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(1): 202－210. (in Chinese with English abstract)

[30] 周家作，韦昌富，李东庆，等. 饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2017，36(2)： 485－495. Zhou Jiazuo, Wei Changfu, Li Dongqing, et al. Experimental study and numerical simulation to the process of frost heave in saturated silt[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(2)：485－495. (in Chinese with English abstract)

[31] 邱国庆，刘经仁，刘鸿绪，等. 冻土学辞典[M]. 兰州：甘肃科学技术出版社，1994.

[32] 汪恩良，张安琪，包天鹅，等. 寒区不同材质垂直埋管土壤冻结深度测量差异性分析[J]. 水利学报，2017，48(1)： 86－95. Wang Enliang, Zhang Anqi, Bao Tiane, et al. Variability analysis of freezing depth mode of vertical buried pipes with different materials in cold area[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(1): 86－95. (in Chinese with English abstract)

[33] 陈继，李昆，盛煜，等. 季节冻土区埋地管道水温的变化规律及其影响因素分析[J]. 冰川冻土，2014，36(4)：836－844. Chen Ji, Li Kun, Sheng Yu, et al. Variations and influencing factors of the water temperature within the pipe buried in seasonally frozen ground areas [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014, 36(4): 836－844. (in Chinese with English abstract)

[34] 白静，谢崇宝，吴志琴. 季节性冻土区管道浅埋换填防冻模式研究[J]. 水利学报，2018，49(5)：588－597.Bai Jing, Xie Chongbao, Wu Zhiqin. Research on anti-freezing pattern of shallow buried pipe by replacement filling of pipe trench in seasonal frozen area[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2018, 49(5): 588－597. (in Chinese with English abstract)

[35] 钟华，张滨，汪恩良，等. 冻土远程实时监测软件系统的开发与应用[J]. 黑龙江水利，2015，1(10)：8－12.

[36] 颉铎铃. 某输气管道沿线冻土的分布及其工程特性研究[J]. 土工基础，2016，30(3)：355－357. Xie Duoling. Design and construction of a gas pipeline in frozen soils[J]. Soil Engineering and Foundation,2016, 30(3): 355－357. (in Chinese with English abstract)

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

国家科技计划课题“节水增粮高效灌溉关键技术与装备”（2014BAD12B05）资助

谢崇宝，博士，教授级高级工程师，主要从事农田水利与饮水安全方面的研究。Email：xchb@263.net

白 静，高级工程师，博士，主要从事农田水利和河流动力学方面的研究。Email：625540202@qq.com

谢崇宝，白 静，吴志琴，张家阳.季节性冻土区灌溉管道排空防冻模式设计[J]. 农业工程学报，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