北方寒区输水管道埋置深度分析及防冻害措施探讨

王 锋

(三门峡市水利勘测设计有限责任公司，河南 三门峡 472000)

0 引 言

北方寒区普遍分布着冻土层，因水量和温度的变化会导致周围土壤的环境，造成管道的冻胀融沉问题，对输水管道的长期安全稳定问题带来不利影响。因此，分析寒区冻土的温度场、渗流场的变化，采取不同埋深的管道埋深设计，对于预防管道冻害情况的发生具有十分重要的意义[1]。

管道的使用涉及人们生活的方方面面，如工业[2]、建筑[3]、交通[4-6]等等，但都需要根据地区气候、环境的不同，采取一定的保温防冻措施。运用运行、管理和工程措施等防冰和防冰冻措施，形成科学合理的保温防冻害体系，才能确保渠道、管道安全可靠、节能经济的运行[7-8]。张科亮等根据前人理论，对影响管道埋深的各种因素进行了详细的分析和计算[9]。郝国红结合抗冻、抗冲刷、上部耕种等要求，同时还应满足施工完成尚未通水阶段及检修阶段的抗浮要求，对管道埋深做出了相应的分析，并提出了管道埋深确定的具体意见[10]。

目前，关于寒区输水管道埋置深度的文献还比较少见。本文在分析和总结前人研究经验的基础上，以北方某输水管道设计工程为例，采用理论分析和数值计算的方法，对管道埋深进行详细分析，并针对分析结果提出相应的防冻害措施，可为类似地区的管道设计提供经验借鉴。

1 影响管道埋置深度的主要因素

1.1 土壤冻结深度

寒区冻土的冻结深度，是对输水管道埋深影响的关键因素，土壤的冻结深度与该地区的气温、风向、风力、地理位置、水文地质、地表覆盖、积雪时间和厚度等息息相关。图1为研究区多年来的最大冻土深度变化趋势。从图1中可以看出，每个年代的土壤最大冻结深度是不同的，以某一年代的最大深度作为设计冰冻线可能是不准确的，会造成管道埋深过大与工程造价的相应增加。因此，需要在输水管道设计和施工过程中，考虑历年的冻深设计期，还需预测今后的冰冻线的合理变化趋势，才能节约工程造价，同时保证管道正常安全稳定运行。

图1 最大冻土深度变化特征

1.2 地下水位

当地下水位在冰冻线以上时，这个地段的冻土深度就会明显减小，管道的埋深也会相应的减小，这对节约工程造价是有利的；当地下水是流动时，对于土体内部的热交换更为有利，使得土壤更不易发生冰冻，减小管道发生冻胀的概率。年代不同、季节不同，地下水位也不同，需要综合考虑变化趋势，以便合理确定管道深度。

1.3 其它因素

输水管道在给水系统中的作用、管道的长度，以及管道内的水温、管径、流量、流速、交叉状况等均是影响管道埋深的因素，在设计施工时均要综合考虑。

2 数值计算模型的建立

基于埋管周围温度场的复杂化性，为简化计算，作出如下假设：

①暂不考虑水分流动引起的热迁移，即管道和土壤之间仅进行纯导热方式传热。

②忽略接触热阻。

③土壤是各项均质的。

④在一定水平距离方向，没有热流。

⑤在某一深度时，地温是恒定的。

通过分析管道周围温度场的特性，将大地这一无限大区域进行有界化处理，得到如下的埋管热传二维物理模型，见图2。

图2 埋管热传二维物理模型

不考虑水分迁移的作用，那么管道对土壤的热传计算就可以简化为如下的三维模型：

(1)

式中：c为冻土比热，J/(kg·K)；λ为冻土导热系数，W/(m·K)；ρ为冻土密度，kg/m3；T为温度，K。

再根据假设，在水平距离一定长度内，没有热流，且埋深一定的土壤温度是恒定的。因此，可将式(1)再简化，得到：

(2)

以北方某地区输水管道工程为例，该输水管道的管道外管径D为0.3 m，内管径d为0.25 m，管内设计水温为Tw=278 K，冻土的导热系数λ为1.25 W/(m·℃)，比热容c1=1 432 J/(kg·℃)，土壤密度大小ρ=1 823 kg/m3，管内外的热传系数αk=2.34 W/(m2·℃),土壤与空气的热传系数αk=17.4 W/(m2·℃)，管道的导热系数大小为1.8 W/(m2·℃)，管道的密度大小为7 850 kg/m3，比热容为435 J/(kg·℃)。该地区最冷气温在每年1月份，日最低平均气温为-10℃，X、Y方向的计算边界定义为1.6和2.1 m，Z方向为管道埋深，其数值模拟网格划分结果见图3。

图3 网格划分结果

3 模拟结果分析

分别假设管道埋深为0.4、0.7、0.9、1.4以及1.9 m，模拟分析得到的埋管周围的温度场(等温线)的变化特征见图4。从图4中可以看到，不管管道埋多深，其管道周围的等温线均呈上密下疏的态势，这主要是由于埋管内的水温与地表温度有较大差别，使得向上散失的热量大于向下散失的热量。当埋深为0.4～0.9 m时，随着埋管深度的增加，273 K等温线逐渐往上偏移，这主要是因为在埋深较浅时，地表温度对土壤温度场的影响更大；当管道埋深在0.9～1.9 m时，273 K温度线的位置并没有明显变化，说明管道埋深越深，温度的变化情况就越不明显，地表温度对土壤内温度的影响越小。

图4 不同埋置深度模拟结果分析

从模拟结果可以看出，当管道埋深大于0.9 m后，埋管周围土壤温度的下降情况基本接近，即趋于稳定状态，无论地面气温再怎么变化，土壤温度场的变化都较小。因此，通过分析认为该地区输水管道的最佳埋深为0.9 m左右，既可以保证输水管道长期稳定安全运行，减小冻胀情况发生，也可以大大降低施工工程量，减少建设成本，节约工程造价。

4 管道冻害机理及防冻害措施

工程实践表明，当土壤温度为-4℃～-5℃时，输水管道内的介质就会保持流动，不会发生冻结，土壤的类型、含水率、位置以及气温等因素是影响最大冻土深度的主要因素。因此，不同地区的地温在-4℃～-5℃时的冻土深度也不一致，可根据冻土层内不同深度处的负温变化特征规律，得到任意深度Hx处的负温值：

(3)

式中：tx、tp分别为负温值以及最低月平均地面负温值；H、Hx为任意深度和最大冻结深度；n为计算系数，通过分层加权计算可得。

根据当地气象部门数据确定当地月平均最小地温值为(-4℃～-5℃)处的地层深度的大小，再根据式(3)可计算出输水管道的最浅埋置深度，并考虑土的冻胀性能，乘以一个安全系数，即可指导不同地区的输水管道埋深设计和施工。

通过上述分析和研究认为，在确定最佳埋深的基础上，防治输水管道冻害还需做到：

1) 要改善埋管周围土壤的水分条件，如地下水流向、水位等。

2) 对于易冻胀的土要进行换填，一般而言冻胀发生概率由大到小为：亚黏土、沙土>黏土>砂砾石、粗砂。

3) 采取隔热垫层防止沉降等工程措施。

4) 采取增强抗拔力的措施，如抛填、换填、木条基等。

5) 采取保温措施以及一些特殊材料构件等。

5 结 论

1) 对影响管道埋置深度的主要因素进行了剖析，并在渗流理论和传热学理论基础上，建立起寒区管道的埋深物理计算和数值分析模型。

2) 以某输水管道工程为例，对不同埋置深度下的温度场进行分析，得到0.9 m埋深为该研究区最佳管道埋深。

3) 综合研究成果和前人经验，对管道冻害机理进行了简要分析，并对输水管道的防冻害措施进行了探讨，可为类似地区的输水管道设计施工提供借鉴。