寒区低压输水灌溉管道环刚度试验及选择

吴志琴，苏安双，李兆宇，张家阳，刘丽佳

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

寒区低压输水灌溉管道环刚度试验及选择

吴志琴，苏安双，李兆宇，张家阳，刘丽佳

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

本文对水利部科技推广中心 “水利部竹基缠绕复合管示范工程” 中的竹纤维缠绕复合压力管进行了标准环境和低温环境下的环刚度试验，并通过外荷载作用下竖向变形验算，复核实际服役条件下竹复管环刚度是否满足竖向变形要求。结果表明，如果示范工程在施工中选用正确的施工方法，保证埋设情况达到设计要求，竹复管的变形能力能抵抗外荷载的作用，满足竖向变形要求。

寒区； 竹复管；低压管道；环刚度；综合变形模量；变形验算

长期以来，明渠输水灌溉一直是我国主要采用的灌溉方式，现阶段我国的明渠灌溉系统普遍存在标准低、配套差的共性问题，而管道化输配水模式既节水又减少渠系化占地，同时还利于机械作业，是世界节水灌溉技术发展的主要方向，也是我国现阶段农业实施节水灌溉工程的一种重要形式[1]。研究表明，井灌区低压管道输水灌溉系统一般可比土渠输水节约水量30%左右，灌溉保证率提高12%左右，减少占地2%左右，尽管低压管道输水灌溉具有很多优势，但由于地基土冻胀、融沉、冰冻等作用的影响，在高寒地区尚未推广，正处在试验化应用阶段。为了减少管道的冻胀破坏，过去常把管道埋至冻层以下，深埋不仅增加了工程的费用，且管沟开挖特别困难，后期维修十分不便；与此相比，寒区浅埋法能有效解决上述问题，并具有较高的经济效益和社会效益。冻土环境中实施管道浅埋，根据以往经验，在冻胀力和膨胀力的作用下，管道最易出现的问题是管道冻胀破坏和接头破损，春季灌水时，管内的水结冰尚未完全融化，过流面积减小，使春灌受阻。鉴于此，结合水利部科技推广中心 “水利部竹基缠绕复合管示范工程”，就竹纤维缠绕复合压力管(简称竹复管)的一项重要指标环刚度进行了测试和验算，为竹复管在高寒地区推广应用的结构设计提供支撑。

1 环刚度试验

环向弯曲刚度是指管道抵抗变形的能力，简称环刚度[2]。当管材管件承受内压负载时，管壁产生均匀的拉伸应力，设计时主要考虑强度，若强度不够，管材管件将发生爆裂破坏；当管材管件承受外压负载时，管壁产生的应力比较复杂，设计时主要考虑环向刚度，在高寒地区，低压输水管道除要承受管道上方土体重量及农机作业产生的压力外，还要承受土体冻胀变形对管壁产生的冻胀作用。为了保证低压输水管道在外压负载下安全工作，设计时主要考虑环刚度。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏，反之，如果环刚度太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成材料太多，成本过高[3]。

1.1 试验概况

“水利部竹基缠绕复合管示范工程”位于黑龙江省水利科学研究院水利科技试验研究中心水稻田， 东经125°45′～126°46′，北纬45°22′～46°05′间。属中温带大陆季风性气候，全年平均气温在-4～5 ℃之间，无霜期在130～140 d，11月中旬封冻，翌年4月中旬解冻，结冰期一般为190 d左右，平均冻深为1.5 m。

1.2 试验仪器

试验测试了竹复管在标准环境下20±2 ℃和低温环境下-20±2 ℃的力和位移的关系。标准环境下的主要仪器有CMT5105系列电子万能试验机、压板、量具、电脑等；低温环境下的主要仪器有DYE-300电液压式压力机、TLJ-4荷载传感器、位移传感器和DT数据采集装置等。试验参照《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》(GB/T 5352-2005)执行，标准环境下的试验装置见图1。

图1 标准环境下环刚度试验装置图

1.3 试验结果

ISO标准规定，环刚度是通过力学试验后用试

验结果计算出来的。参照《纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法》(GB/T 5352-2005)，将DN300竹复管试样夹在两个平行板间，以10 mm/min的恒定速度压试样至少达到10% di的变形，整个试验数据由计算机采集，根据试验数据，由式(1)计算管刚度，式(2)计算刚度因子，按国际标准ISO9969，由式(3)计算环刚度，试验统计结果见表1。

(1)

SF=0.0149 r3·PS

(2)

(3)

式中：PS为与管径变化量相对应的管的管刚度，MPa；ΔY为管径变化量，mm；F为与管径变化量相对应的线荷载，N/mm；r为平均半径，mm；SF为与管刚度PS相对应的刚度因子，MPa·mm3；S为与管径变化量相对应的环刚度，kN/m2；d为管材的内径，m；L为试样长度，m；F′为与管径变化量相对应的力值，kN。

表1 环刚度试验结果统计表

由表1可知，当管径变形率为3%和5%时，低温环境下竹复管的刚度、刚度因子和环刚度均大于标准环境温度；相同温度下，管径变形率越大，其刚度、刚度因子和环刚度越小。

2 环刚度验算

2.1 验算公式

在实际工程设计中一般按管道的竖向变形来控制环刚度的大小，埋地低压管在外压力作用下，其竖向直径的变形率应小于管道直径允许变形率5%。即：

(4)

管道在荷载准永久组合作用下的最大竖向变形量Wd,max按式(5)计算：

(5)

Fs v,k=1.2·γSHSD1

(6)

则：

(7)

式中：Kd为管道变形系数；Fs v，k为每延米管道上管顶的竖向土压力标准值，kN/m；φq为可变荷载准永久值系数；qv k为单个轮压传递到管顶处的竖向压力与地面堆积载荷的最大值；Sp为管材环刚度，kN/m2；DL为变形滞后系数；D1为管外径，m；D0为管计算管径，m；Ed为管侧土的综合变形模量，kN/m2。γS为回填土的重力密度，取18 kN/m3；HS为管顶至设计地面的覆土高度，示范工程0.6 m；

2.2 参数选择

(1)管侧土的综合变形模量Ed

由于没有实测资料，管侧土的综合变形模量Ed根据管侧土回填的土质、压实密度和槽基两侧原状土的土质综合评价确定。根据示范工程实际，管侧回填土压实密度为95%时，查《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》表C.0.2-1，Ee=3 MPa，En=1 MPa，按标准公式计算，Br/D1=3.80时综合变形模量Ed为2177.38 kN/m2；

(2)变形滞后系数DL

示范工程管道工作压力较小，为低压输水管道，DL取1.48。

(3)管道变形系数Kd

根据示范工程实际确定，取0.096。

(4)单个轮压传递到管顶处的竖向压力qv k与地面堆积载荷qs k

考虑到管道灌溉区春耕和秋收时会有农田机械进地，车辆荷载按二级公路荷载计算，经计算qv k=66.42 kN/m2。地面堆积压力标准值qs k=

10 kN/m2，由于车辆荷载大于地面堆积荷载，因此取车辆荷载。

(5)可变荷载准永久值系数φq。准永久值系数是对于可变荷载而言的，取0.5。

依据以上确定的参数确定环刚度Sp≥0.62 kN/m2。

3 结 语

(1)管刚度和环刚度是两个不同的概念，在低压管道结构设计时应注意区分。

(2)环刚度选择是一个比较复杂的过程，管道承受外部荷载的能力不仅取决于管材的性能，当外部作用一定时，基于Spangler理论分析得到的埋地柔性管道变形计算的竖向挠曲变形主要取决于管侧土体综合变形模量，而管侧土体综合变形模量是由施工埋设所决定的。如果示范工程在施工中选用正确的施工方法，保证埋设情况达到设计要求，竹复管的变形能力能抵抗外荷载的作用。

[1] 国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 农田低压管道输水灌溉工程技术规范: GB/T20203-2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.

[2] 上海市城市建设设计研究院. 埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程:CECS 164: 2004 [ S] .北京：中国标准出版社，2004.

[3] 张玉川. 塑料管环向刚度的定义、标准、选择和实现[J].塑料，2002,1(31)：50-57.

[4] International Standardization Organization. Thermoplastics pipes - Determination of ring stiffness: ISO 9969 2007[S].Geneve:Inte- rnational organization Standardization,2007.

Ring stiffness experimental investigations and analysis of low pressure irrigation pipeline in cold region

WU Zhiqin, SU Anshuang, LI Zhaoyu, ZHANG Jiayang, LIU Lijia

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

The ring stiffness of bamboo-based composites pipe was studied under the standard environment and low temperature environment in this paper, which was used in demonstration project of Ministry of Water Resources. Checking whether the ring stiffness of bamboo-based composites pipe to meet the requirements of vertical deformation in actual service condition through the vertical deformation calculation. The deformation calculation results show that if we choose the right construction methods in the construction to ensure the construction quality to meet the design requirements, the deformation coordination of bamboo-based composites pipe can resist external loads.

cold region; bamboo-based composites pipe; low pressure irrigation pipeline; ring stiffness; composite deformation modulus; deformation analysis

吴志琴(1984-)，女，四川达州人，工程师，主要从事寒区水利工程研究。E-mail:hljskywzq@163.com。

TU992

A

2096-0506(2017)01-0007-03