竹缠绕复合管道在高寒地区农田灌溉引水工程中的应用研究

刘传凌

(中铁十八局集团 环保科技工程有限公司,天津 301900)

为了提高我国农业综合生产能力、保障粮食安全,2022年国务院批复《全国高标准农田建设规划(2021—2030年)》,明确以推动高质量发展为主题,以提升粮食产能为首要目标,坚持新增建设和改造提升并重、建设数量和建成质量并重、工程建设和建后管护并重,加快推进高标准农田建设。高标准农田建设主要涉及田、土、水、路、林、电、技和管8 个方面目标,其中水方面的目标主要是通过加强田间灌排设施建设和推进高效节水灌溉等措施,增加有效灌溉面积,提高灌溉保证率、用水效率和农田防洪排涝标准,由此实现旱涝保收的目标。东北地区是我国重要的粮食生产基地,粮食产量约占全国的1/4,是保障粮食市场供应的重要来源,是保障国家粮食安全的压舱石,因此,亟须在东北地区开展高标准农田建设。

在我国东北、西北等高寒地区,农田灌溉引水管道内水温受外部温度影响较大,在一些施工条件受限的地方,一些管道埋设在了冰冻线以上,在冬季气温较低时,管道内容易出现冻结问题,严重影响管道的正常使用[1]。在传统的施工工艺中,管道保温一般采用管道外层包裹保温层或沟槽回填保温材料的做法,这些工艺不仅提高了工程造价,而且增加了施工难度,延长了施工周期。竹缠绕复合管道作为一种新型生物基管道,保温性能突出,可设计性强,将其应用在高寒地区的农田灌溉管网中,可以有效解决施工和使用过程中遇到的问题。

1 竹缠绕复合管道简介

竹子是一种优质的天然材料,具有生长速度快、再生能力强的特点,同时具有轴向拉伸强度高和柔韧性。我国是世界上最主要的产竹国,竹类资源、竹林面积、竹材蓄积和竹材产量均居世界首位,但每年的竹材产量仅为4 000多万吨,占竹林可砍伐量的1/4左右,每年约有1.1亿吨竹材未得到开发利用,竹资源大量被闲置。为了充分发挥竹子的经济效益、生态效益和社会效益,竹缠绕复合材料技术应运而生。竹缠绕复合管道产业化可盘活大量闲置竹资源,引领竹产业向集约型、低能耗、高附加值、智能化方向转型,有效促进竹产业发展。经过10多年的发展,已经建立了成熟的竹缠绕复合材料标准化体系,《竹缠绕复合管道工程技术规程》(T/CECS 470—2017)和《竹缠绕复合管》(GB/T 37805—2019)国家标准相继发布,同时,竹缠绕复合材料产品得到国家各部委的高度重视和大力支持,取得相关部门和行业的技术评定,获得了广泛认可。

竹缠绕复合管道是以竹材为基体材料,以热固性树脂作为胶黏剂。采用缠绕工艺制成的管道,由内衬层、结构层和外防护层组成[2](图1)。其基本原理是利用竹材抗弯能力强、弯曲模量高、拉伸强度大的特性在管道结构中形成无应力缺陷分布,使产品达到承压等工程技术要求。

图1 竹缠绕复合管道截面示意图

作为新型低碳环保管材,竹缠绕复合管道可以应用于城市给排水、水利输水、农田灌溉、工业循环水等管道工程,替代管径DN150—DN3000、压力等级不大于1.6 MPa 范围内的中低压管,玻璃钢管、塑料管、钢管、球墨铸铁管、PCCP管均为主要被替代对象。目前,竹缠绕复合管道已经在重庆、山东、甘肃、河南、内蒙古等地的市政给排水管网工程中得到推广应用。竹缠绕复合管道的技术指标[3]见表1。

表1 竹缠绕复合管道的技术指标

竹缠绕复合管道的抗变形能力强,在埋地1 m深、地面车载90 t的情况下,竹缠绕复合管道最大竖向变形量不到1%,远低于3%的控制标准。而且,竹缠绕复合管道在变形量超过30%时,其抗压强度会继续上升[4]。在高寒地区,部分农田灌溉管道由于受地形等条件限制,需要浅埋铺设在冻土层中,竹缠绕复合管道具有较强的抗变形能力,可以较好地解决冻胀力造成的管道破坏问题。具体的竹缠绕复合管道变形试验情况见图2。

图2 竹缠绕复合管道变形试验情况

相较于混凝土管、钢管、铸铁管,竹缠绕复合管道的保温性能较突出,经查询,混凝土的导热系数为1.28 W/(m·K),钢管的导热系数为36～54 W/(m·K),铸铁管的导热系数为42～90 W/(m·K),竹缠绕复合管道的导热系数小于或等于0.2 W/(m·K)。因此,竹缠绕复合管道的热损失远低于混凝土管、钢管和铸铁管,耐热、隔热、抗冻等保温性能表现良好,在高寒地区使用具有较明显的优势。笔者将通过实际施工案例,重点介绍竹缠绕复合管道在高寒地区的应用,分析其在保温性能方面所具备的突出优势。

2 工程应用与研究

2.1 工程应用

2.1.1 工程概况

项目位于黑龙江省哈尔滨市道里区机场路1234号,为农田灌溉引水工程。哈尔滨市地处中温带大陆性季风气候,平均年降水量523.3 mm,多集中在6—8月,约占全年总降水量的60%以上,7月份降水量最大一般为100～126 mm,2月份最小一般为2.0～2.5 mm;全年平均气温3.40 ℃,一月份最冷平均气温-19.60 ℃,夏季(6—8月)平均气温较高为20.97 ℃,7月份气温最高,平均为23.10 ℃;无霜期为120～150 d,11月中旬封冻,翌年4月中旬解冻,结冰期一般为190 d,平均冻深为1.5 m[5]。

工程灌溉管道由进水口、管身和出水口三部分组成,管内水流是充满水管的低压流,进口段由调压井控制。灌水干管采用公称直径300 mm的竹缠绕复合管道,管路按地面实际坡降顺坡埋设,灌水管中心线埋深50 cm,灌水管路图和管路平面布置见图3。

图3 灌水管路图和管线平面布置(局部图)(单位:m)

管路设置了出水口和泄水井,出水口经三通和管道热熔连接,回转阀门固定在混凝土保护池底,回转阀门与弯头热熔连接[6],滴水管与柱形回转阀门连接见图4。

图4 滴水管与柱形回转阀门连接图(单位:cm)

按照施工规范要求,输水管道的主要施工工序有土方开挖、管道砂垫层、管道铺设、接头处理、出水口现场制作、管道回填和出水口安装等环节。

2.1.2 施工工艺

按照施工规范,竹缠绕复合管道工程施工流程见图5。

图5 施工工艺流程

2.1.2.1 沟槽开挖

沟槽开挖采用机械开挖的方式进行,按照由低向高的顺序进行开挖。管沟开挖不能一次性开挖到设计底标高,要保证沟底保留约30 cm的土层,在下一道工序施工前,采用人工开挖的方式清底。在开挖时要做好沟槽内排水工作,在槽底设置排水沟和集水井[7],集水井在沟槽回填前应及时拆除。

2.1.2.2 管道安装

由于竹缠绕管道的质量较轻,仅需要1台小型挖掘机和3个工人配合即可。安装时,要按照插口顺水流方向、承口逆水流方向的方式安装,且从下游往上游进行,并在各接口处掏挖工作坑,工作坑大小以方便管道对接安装为宜,管道安装示意见图6。

图6 管道安装示意

2.1.2.3 沟槽回填

管道闭水试验完成且验收合格后,要及时进行沟槽回填。回填时,要做到分层回填、分层压实、分层检验,每层达到设计图纸内的压实度要求。管区(沟槽底至管顶以上1.5 m 范围内)禁止采用推土机等大型机械进行回填,均应采用人工回填夯实。

2.2 应用监测与研究分析

为了研究竹缠绕复合管道的保温性能,本项目通过温度传感器检测管道内部和管壁外的温度,通过对比管道内外的温度差,论证管道的保温性能。在检测管内温度时,研究人员将温度传感器探头绑扎在铁丝上,并将绑扎温度传感器的铁丝从竹缠绕复合管道的末端开口处缓缓伸入管道内部。在此过程中,操作人员必须将铁丝拉直,并在插入管道过程中使铁丝保持在平直状态。为防止管道端口与外界产生空气交换,在将绑扎温度传感器的铁丝安装完成后,及时对端口进行回填、密封。同时,在管道外壁绑扎温度传感器探头,管道铺设时随管道一起埋设,便于检测管壁外的温度。

在将温度传感器安装完后,研究人员开始对竹缠绕复合管道管内、管壁外的温度进行监测,主要监测结果见表2。

表2 管道内部、管壁外侧温度监测结果

由表2可知,竹缠绕复合管道内温度测试结果趋于稳定,在-0.30～0.11 ℃,即在水的结冰点附近,管壁外侧的温度为-3.55～-1.35 ℃,由此可见,管道内的温度明显高于管壁外的温度,证明竹缠绕复合管道具有较好的保温性能。

为了研究季节性冻土区预埋的竹缠绕复合管道在冻融期内温度场的变化情况,本项目在对竹缠绕复合管道管内温度进行监测的同时,对管外土体的地温值也进行了监测。地温监测采用SLST1-8A数字式温度传感器,沿管线每隔10 m设置一处监测点,监测点与管道的水平距离为1 m。在每个监测点,温度传感器按照距离地面0,20,40,60,80,100,120,140,180 cm的深度设置在监测孔内。温度传感器布置见图7和图8。

图7 传感器埋入土壤位置图(单位:cm)

图8 监测点平面布置图(单位:m)

经过几个月的不间断测量,每隔5 min记录1次数据,得到了土壤温度数据文件,将数据汇总后,检测结果见图9。通过对图9进行分析可知,因受外界气温波动的影响,埋深0～40 cm地温具有一定的波动性,其中地表温度受气温影响波动最大,埋深60 cm以下地温受外界气温影响小、变化较为平缓,其变化规律可分为三个阶段,即温度迅速下降阶段、温度缓慢下降阶段、温度达到准稳定阶段[8]。

图9 地温观测曲线图

通过对本工程的应用研究可知,竹缠绕复合管道相较于传统管道具有良好的保温性能,其在高寒地区农田灌溉引水工程中的应用可以解决管道内水体冻结的问题。同时,竹缠绕复合管道每根长度为12 m,减少了管道连接口的数量,提高了施工质量,降低了管道渗漏风险。在高寒地区,全年适合工程施工的时间较少,工程周期短,施工任务重,竹缠绕复合管道具有质量轻、安装简便的优点,施工速度是传统管道的3～6 倍,采用竹缠绕复合管道,可以大幅缩短施工周期,减轻施工压力。

3 结 论

竹缠绕复合管道是一种新型管材,其各方面的性能指标优于现在常用的传统管材,且具有绿色环保、可再生、生产能耗低等特性,符合我国循环经济发展要求,其在高寒地区农田灌溉引水管网方面的应用具有巨大潜力。笔者结合实际工程案例,对竹缠绕复合管道在高寒地区的工程应用进行了阐述,实践得出:竹缠绕复合管道在高寒地区农田灌溉引水工程的应用不仅可以解决冬季管内水体冻结的问题,而且可以减少开挖量,降低工程成本,提高工程质量,缩短工程周期,具有良好的经济效益、社会效益和生态效益,其推广应用价值巨大,可为今后类似工程运用提供参考。