高寒山区农村饮水安全管道保温及运行管理防冻措施分析

余 林

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 农村饮水安全问题

为全面建成小康社会，实现百年目标，党和国家对精准脱贫作出全面部署安排，按照打赢脱贫攻坚战的相关3a行动指导意见[1]，要大力加强解决贫困地区农村贫困居民饮水安全问题，完成工程建设任务，加强管护责任，做好工程水源范围保护，提高人饮水质，满足水量、取用方便、供水保证方便程度等。

近年来，通过一系列的工程措施，农村居民饮水安全工作取得了一定的成效，全国范围内以及偏远山区饮水安全问题基本已解决。但是在偏远新疆、北方等高寒山区农村饮水安全项目建设及运行中出现了冻胀现象，简单的保温处理并不能保证冬季供水正常。本文以新疆阿克陶县山区布伦口乡农村饮水工程为例，分析寒冷山区冻管原因，并通过保温技术措施及运行管理方式使得冻胀问题得以解决，为以后山区管道工程设计及运行提供参考意义。

2 高寒山区冬季冻管问题

阿克陶县地处中国的西面边境地区，新疆地区的西南方，在帕米尔高原东面，塔里木盆地西面，位于东经73°26′，北纬37°41′。阿克陶县为新疆深度贫困县，饮水安全为三保障的组成部分，解决阿克陶县饮水安全问题作为重要首要任务，只有决胜农村贫困人口的饮水安全攻坚战，才能全面建设小康社会。近年来阿克陶县大力开展落实农村饮水安全项目建设，包括偏远山区木吉乡、布伦口乡、塔尔乡等，做到精准不漏一户解决农村饮水安全问题。

2.1 项目概况

阿克陶县山区的布伦口乡饮水安全项目地处东经75°07′～75°38′、北纬39°00′～39°18′之间，位于阿克陶县西南部，境内高山与谷地交错，海拔在3340～4500m之间，公格尔山与慕士塔格山群峰叠连，沟壑纵横，山顶终年积雪，并有大面积冰川。项目区属高山寒冷气候，极端最低气温 -29.31℃，最大冻土深度200cm。该项目采用管井+输水方式，2018年建设完成并当年投入使用，经过冬天运行出现大面积的冻管现象，冬季无法通水，后2019年对该项目区部分管网进行整改，此项目在设计中管道埋深均为3m左右，均在最大冻土层以下，阀井均采用预制钢筋混凝土基的座玻璃钢成品井，内置挤塑保温内井盖(如图1所示)，冬季仍出现冻管问题。

2.2 原因分析

该项目在设计时已在最大冻土深度以下，阀井亦采取相应保温措施，但在仍出现冻管问题，经分析，施工中、运行管理中皆存在问题导致冬季冻管无法正常通水。

图1 管沟及阀井建筑物剖面图(单位：cm)

(1)回填土压实不够。在施工中，部分管道段开挖回填未达到标准的设计深度，管道覆土回填夯实未按照相关规范实施，若经过降雨等情况地面下沉，导致管道覆土埋深不够，出现冻管问题。

(2)回填土大石头较多。山区进入3月后，本地区地表温度开始逐渐回升，地下的冷气开始向上返，若在施工中，回填效果不好，回填的土石头较多，由于透风性较强，地下与地上的空气形成对流，大量的热量就会散出，此时管道内的水不流动就无法产生足够的热量来抵抗，致使管道温度持续下降，从而会导致管道内的水结冻。

(3)水长期不流动。阿克陶县地处边境，山区牧民多为护边员，有护边任务，出勤时间长，屋内经常几个月无人居住，屋内无暖温度较低，水龙头结冰，向管网延伸，导致整个管网冻管停水。

(4)山区牧民及运行水管人员防冻保温意识不够。山区牧民及水管人员任意上下阀井，开关阀门，导致玻璃钢阀井内置保温泡沫盖置不严，冷空气进入井内，内部温度也会降至冰点之下，闸阀关闭，水流不通，水表冻坏，最终导致管道冻胀，整个冬季无法通水。

3 解决冻管问题技术措施

3.1 管道采取保温措施

根据现有的工程经验及研究成果，对高寒易冻地区，输水管道可以采用保温方法。电伴热保温措施防冻，在高寒牧区相应电压不稳，农村饮水采用此方法成本较高，不宜采用。一般采用保温材料对管道进行保温[5- 6]。目前，根据国内已有的工程经验，在农村饮水项目中使用较多的保温材料有玻璃棉制品、岩棉制品、柔性泡沫橡塑保温材料等，国内其它保温材料还有例如复合硅酸盐制品、矿渣棉制品、硅酸镁纤维毯制品等。

管道保温结构基本组成为防腐层+绝热层+保护层，管道防结露结构基本组成为防腐层+绝热层+防水层+保护层。管道保温防冻的效果主要是取决于保温材料与采取的保温厚度，需要经过计算或者有限元分析选取合理的保温厚度，确保工程实用并且经济。若管道保温层太薄，则管道的热量损失严重，保温效果差，起不到较好的保温作用；反之，并不是保温层取得越厚越好，会导致其保温工程投资过大，不经济。故要根据工程实际情况对保温结构的材料选取，确定相应工程最佳保温效果的保温层厚度[7- 11]。管道选取保温厚度的计算公式如下：

非金属管道外表面温度T0：

(1)

保温层表面温度Ts：

(2)

保温层厚度：

(3)

(4)

式中，δ—需计算的保温层厚度，mm；D、D0—管道的内、外径，mm；D1—保温层外径，mm；λ—保温绝热材料的导热系数；αs—保温绝热层外表面和周围空气接触的换热系数；T0、Ta—管道的外表面温度及管道周围环境的温度；[Q]—单位每平方米保温层外表面积所允许的最大热损失量。

非金属管的保温厚度计算结果见表1。

表1 不同管径的塑料管保温厚度统计表

经过计算可得，保温层的厚度取值与管道的外径成反比例关系，管道的直径越大，需要的保温层越薄，越不容易发生冻胀问题，管径越小需要的保温层厚度越大，当管径过小选取较厚的保温层厚度进行保温十分不经济，经济性降低。根据的工程经验，在农村饮水安全自来水管道，可采用岩棉保温或者管道周围铺设苇巴子草再覆土等措施保温。

3.2 管沟回填处理措施

在管道工程里，管道的保温温度与土体的地质情况有关，还与管道的埋深、管沟底的换填材料、管沟内管腔料的回填压实材料及管沟回填区的回填压实度有关。管沟、阀井换填及回填不规范，不密实，空隙较多，透风性强，大量的热量就会散出，致使管道周围环境温度持续下降，从而导致管道内的水结冻。根据已有的工程及试验经验[2]，管沟换填采取保温措施，一般采取炉渣换填或者砂土换填保温，管沟在回填时，要除去土层杂质，硬土块应打碎，用轻质土进行回填压实。阿克陶县布伦口乡饮水安全项目处理整改采用了将冻结主管道管沟挖出，采用细砂细土回填，并上部浇水压实，确保管道周围环境的密实性，经过整改后防冻保温效果较好。

3.3 阀井建筑物保温处理措施

在输水管道工程主管线沿线主要包阔节制阀门井、进排气阀井和泄水阀井、减压池等附属建筑物，因阀井进人孔基本都与地面平齐或以上，阀井下部部分在最大冻土深度以内，冷空气进入阀井内部，会导致其内部管道和阀门极易发生冻胀，从而影响给管道正常供水，可采取如下保温措施：①一般对阀井进人孔处的井盖采用保温井盖，在其进人孔下至阀门井内部入口处另设置一层保温盖，保温盖一般采用厚100mm的保温苯板；②将一些碎聚苯乙烯块、细土或者碎棉絮放在袋中，所有填充物必须密实[3- 4]，制成保温袋在放置于井室内，盖在裸露的管道、阀门及水表上，起到隔绝冷空气的效果，防止冻坏；③在阀井的井内外壁铺设厚100mm的保温苯板，深度在冻土层以下，防止井室周围土体环境温度过低导致阀井内冻胀； ④根据工程经验，由于普通粘土砖的导热系数比钢筋混凝土的小，阀井最优选择砖砌井，来增加阀井的保温效果。布伦口乡项目整改将阀井周围的土体挖出，井壁及顶部采用苯板保温，再采用细砂土进行回填，浇水密实或使用平板夯机进行夯实，减少回填土孔隙率，不能有效保暖的问题。

3.4 采用防冻给水栓

在阿克陶县布伦口乡等高寒山区，由于牧民长期不在家，屋内温度过低将供水管网冻结，宜采用给水防冻栓(如图2所示)，牧民外出或者放牧长期不在家时，将上阀体关闭，自来水通水管的水进入渗水槽，保持通水管无水状态，通水管不会冻结，亦不会影响供水主管。若牧民回房内，需要用水时，将上阀体打开，供水主管内的水进入通水管，从水龙头处用水。采用防冻给水栓已解决村内部分牧民不在家影响冬季冻管的问题。

图2 防冻给水栓原理图

3.5 采用集中供水点方式

在高寒山区，供水管网一旦停水冻结，将会导致整个冬季无法通水，为确保山区农村牧民饮水安全问题得以解决，可以在片区集中的地方采取应急集中供水点方式，保温房+防冻给水栓，由专门管护人员进行管护，仅供冬季停水应急使用。采用集中供水点方式亦可满足水量、取用水得方便程度、供水保证情况、水质达标的四项指标，使山区牧民使用上安全用水。此方法已在布伦口乡、木吉乡等分散点采取应用，确保冬季供水不出问题。

4 运行管理防冻措施

开展实施农村贫困农牧民饮水安全项目是改善农村饮水问题的重要方法，根据目前现阶段农村饮水安全项目进展情况来看，工程基本都已建设完成，正在从投资建设阶段转向运行管理阶段，加强提升项目运行管理的质量，已转变为现阶段水利行业部门、管护人员的工作重心，实现工程的良性运行及长效机制。根据目前各个地区项目实际运行情况来看，项目的运行管理仍然存在很多问题，例如缺少专业的管护人员、维修人员，项目基础设施损坏严重，维修跟不上、工程的使用价值地下等情况。在高寒山区，供水主管冻胀并不是一个简单技术建设问题，后期的运行维护防冻措施亦非常重要，若运行管护不到位，管道内水长期处于静止状态，非常易冻，影响正常供水，从而影响农村饮水项目的效益良性运行。

4.1 采用泄水长流方式

水处于一直在流动状态时，不会冻住结冰的，增加用水的流动性，供水主管一般都有末端泄水阀等，在冬季极端寒冷气温下，把泄水阀打开一点，不要全部关死，使其管道保持水的流动性，让其小流量滴水，尽管有浪费水源的缺陷，但是在高寒山区，一旦冻结，整个冬季将无法正常供水，泄水长流能有效防止管网冻结。

4.2 管护人员履行职责

在高海拔山区，冬季寒冷，管护人员落实职责不到位，工程若无人巡查，很快就会冻结，山区牧民缺乏技术知识，任意上下阀井，经常开关阀门，会导致冷空气进入阀井内，冻坏水表、管道等情况，影响工程正常运行。

4.3 宣传管道防冻知识

针对山区牧民，采用防冻给水栓的水龙头，要大力宣传防冻措施，培训使用，防止因不会开关防冻栓、忘记开关防冻栓导致管网冻结，影响片区其它村民供水。

5 结语

(1)要解决高寒山区农村饮水安全工程管道防冻问题既要采取工程技术措施，亦要做好运行管理防冻措施。根据已解决冻管问题工程实例分析，山区管道防冻工程措施可以采取管道外包保温材料；优选采用细砂土进行回填压实，去除土层杂质、硬土块，减少回填土孔隙率；对阀井进人孔及阀井内采用保温苯板、保温材料袋等进行保温；入户管采用防冻给水栓进行防冻；必要时可建立应急集中供水点，解决冬季供水问题。

(2)在高寒山区，工程建设完成后，后期的运行维护防冻措施亦非常重要，若运行管护不到位，管道内水长期处于静止状态，非常易冻，影响正常供水，宜采用泄水长流方式、要大力宣传、培训防冻措施，避免失误导致管网冻结，影响供水。如何保证工程的价值及效益良性运行，需从后期运行管理去完善，对运行管理单位亦是一项重大考验。