谈季节性冻土区给排水系统冻害及防治措施摘要【摘要】对埋置在冻土层内的管道因周围土体力学特征的改变及管道自身的冻结危害进行了分析，列举了管道系统易发生的常见冻害，并且对其发生机理进行了系统阐述。针对不同的冻【摘要】对埋置在冻土层内的管道因周围土体力学特征的改变及管道自身的冻结危害进行了分析，列举了管道系统易发生的常见冻害，并且对其发生机理进行了系统阐述。针对不同的冻害类型，提出了多种有效的防冻解决措施以及保温措施，为季节性冻土区给排水系统的设计及施工提供了依据。【关键词】冻胀破坏,融成破坏,冰冻破坏,防冻措施,保温措施1引言我国地域辽阔、气候复杂，其中季节性冻土区面积占全国总面积的53.5%1】。季节性冻土的特征是土体的力学性能随水分冻结与融化而发生改变，形成胶结力与冻胀力，易对管道等其他工程设施造成不利影响回。在寒冷地区，因冬季气温较低，设计给排水系统的管网时，不仅要考虑埋冻土层中土体力学特征的改变带来的不良影响，同时需要防止管道自身冻结造成的危害。给排水系统作为重要公用工程的一部分，若防治不当，将对生活、环境等带来不利影响。鉴于给排水管道冻害对给水排水工程设计与施工质量带来的危害，国内外诸多学者对给排水系统冻害的类型生机理及防治措施进行了研究3。在给水排水工程中，管道工程的投资约占总投资的50%70%，因此对季节性冻土区给排水系统冻害及其防治措施的探讨有很大的经济意义。基于此，本文针对我国目前季节性冻土区给排水系统冻害及其防治措施进行了探讨与总结，以期为季节性冻土区给排水系统抗冻设计和维护提供参考。2给排水系统常见冻害我国西北一带是典型的冻土区域，所谓的冻土是指当外界环境温度低于土体的冻结温度，土体内开始结冰。一般根据冻土的时间长短可分为短时期冻土、季节性冻土和多年冻土。在季节性冻土岖，冬季气温往往较低，当气温在0*C或0C以下时，会使土体内部及管道内水分结冰，土体及管道内部水分受冻膨胀，给管道带来不利影响。季节性冻土区给排水管道的冻害，一方面，主要由冻土区管道外界土壤的冻胀和融沉现象导致，因管道与土壤相接触，土壤受冻时，两者之间必产生相互作用力，使给排水管道发生翘曲上拱、折皱、焊缝开裂等破坏，从而管道失效【5l;另一方面，因管道内液体结冰，从而发生冻害现象。2.1冻胀破坏冻胀是指当外界环境低于O C时，土体孔隙中水分在温度梯度影响下，向冻结区迁移遇冷结冰，土体体积膨胀的现象。被包裹的管道在穿越不同冻胀土时，因土体体积膨胀，两者之间相互作用产生冻胀力。管道破坏程度与冻胀力成正比，冻胀力越大破坏程度越大。冻胀力对管道的破坏主要包括：管道受冻胀力影响应力过大使管道发生破坏或连接处泄漏;管道与土体交界处的土体沿管线长度方向的不均匀冻胀使管道产生弯曲应力，使得管道发生变形阄，破坏管道的稳定性和整体性，影响其正常使用寿命。2.2融沉破坏融沉问题是目前在冻土地区铺设管道遇到的难题之一。因季节性温度变化和管道温度的变化会影响管道周边冻土层的温度场分布，从而改变冻土的力学特征，使其发生冻结或融化。管道内介质温度较高时，土体温度升高，冻土层吸收热量逐渐升温开始融化，土层中的冰晶体受热后融化成水，由冰融化成水后体积减小，导致管道周围冻土融化下沉，使管道下沉变形，甚至断裂。与此同时，在土层的自重和上方荷载作用将发生排水固结现象，从而导致土层颗粒重新组合引起压缩密实沉降。2.3冰冻破坏水在寒冷的气候条件下，给排水管道中的液体介质在达到冰点或低于其冰点温度时，管内液体会发生结冰，使介质密度增大，滞留黏结在弯节或管壁上，减小甚至完全阻止管道中介质的通过，堵塞管道，从而发生冻害11。此外，若管道自身材料性能较差，在寒冷环境下较硬脆，因结冰后介质膨胀使得管道内部收压，可能会导致管道产生胀裂破坏。3给排水系统防冻保温措施3.1冻胀防治措施将给水管道敷设到当地冰冻线以下是解决冰胀问题的根本措施，然而受到地下水位和当地施工条件的限制，达到给水管道的基本埋深要求难以实现，为抑制季节性冻土的冻胀对管道结构产生的破坏作用，通过分析给排水管道的各种破坏形式可知，土壤中的热情况、水分状况均会引起冻害。季节性冻土中敷设的给水管道主要是通过周围的土壤介质不断散热，当给水温度降至冰点以下时，管内外出现较大温差，随着介质土的温度下降，部分孔隙水开始冻结，且介质土中的未冻水含量随着温度的降低逐渐减少，介质土中的水逐渐以冰的形态存在，致使管壁挂冰，缩小通流断面，逐渐使管道形成冰塞构成冻害。且介质土温越低，发生冻害的可能性越大，而介质土因土质不同，其冻结温度也不相同，如普通砂土在O C时冻结，粉土在.0.5C冻结，黏土在.1冻结，因此介质土温的高低是发生冻害的重要因素，回填土类型的选择决定季节性冻土引起的冻害严重。冷毅飞【l2】指出，相同负温情况下，砂类土的抗压(抗剪)强度最强，黏性土抗压(抗剪)强度最弱。在一12C时，细砂土的抗压强度为12.3MPa，粉质黏土的抗压强度为4.15MPa。何建平I3认为，各类土体对冻胀亲水生不同，在相同充分饱和水条件下，土壤冻胀不同。亚黏土、亚砂土冻结时，土中水分向冻结面迁移，使冻结水量增加，土壤体积增加;黏土层能使水分迁移受阻，所以冻胀量小一些;粗砂和砂砾石冻结时，重力水向下移动使冻结水量减少，因此冻胀性较弱。对于含冰量大的薄层冻土，若设计埋深较浅，可全部挖除含冰量大的冻土层，换填碎石、砂砾石、粗砂等非冻结敏感性材料置换地基中的黏性土，使地基土的冻胀变形削减至管道允许变形范围之内。通过换填砂砾石基础达到防治冻融破坏的目的，在实际工程中，当黏性土地基的地下水位在冻结锋面0.5m以下，可认为有排水条件。用卵料(其中or3.2融沉防治措施在冻土区域铺设的管道会因为土体内冰层融化失去支撑，造成管道下沉，甚至是断裂的现象。这种融沉现象对已铺设的管道危害院挺，尤其是在土层为黏土或粉质黏土的地方，融沉性较大，一旦发生融沉很难维修。温度变化易导致融沉现象，造成土体温度升高的原因有管道中传输介质的温度过高和外界环境的升温。如果能够有效地阻止土体受热，保护冻土不融也就避免了融冗。对此，可采取防融化措施，即给管道外层包裹严密的保温材料以及表面涂层，或是在保温层内埋设冷冻管，利用冷冻管将热量带走，避免管道传输介质温度过高造成周围土体受热发生融沉，保持周围冻土的稳定性。除此之外，也可采取防下沉措施，如在铺设管道前采用卵石垫层和聚苯乙烯隔热垫层;或者是采用架空铺设的方法，同时架空桩基采用热管进行冷却，此方法适用于穿越冻土相对不稳定地区，但是费用较高;或者是将管道周围的强融性的粉质黏土换填为融沉性较小的粗粒土。具体做法为将粗粒土装进袋子，然后将其放置在管沟中，此方法经济有效且适用于融沉性较大的地区。最后，在管道自身能做的防融沉措施只有增加管道的壁厚，或者减小管道的径厚比来降低下沉量。3.3冰冻防治措施在寒冷地区，冬季生产、给水的运行温度较低，与结冰温度(0)相差很小，导致给水管很容易发生冻结，同时不同管材的抗冻性差异较大，如非金属管材在冰冻条件下易脆化。在实际工程中需根据管道用途确定管材种类，如生活水管可选用金属管道，因此采用强度高的管材不仅增强了管道抗冰冻破坏的能力，同时可以节约造价。3.4保温措施给排水管道的保温措施也能降低多年冻土对其破坏的影响，目前加设保温结构来解决管道防冻保温主要有2种方法：常规保温和电伴热保温。3.4.1常规保温保温结构很重要的一部分是保温层，保温材料构成保温层，常规保温主要是通过利用保温材料来防止管道冻害，保温材料的选择尤其重要，一般会选导热系数不大于0.12、密度小、质量轻、柔韧性好的材料，用于给排水管道冻害的防治。目前，常见的保温材料分有机材料和无机材料，有机材料主要包括橡塑海绵、聚苯乙烯、聚氨酯泡沫等;无机材料有岩棉、玻璃棉等。在实际工程中，需根据保温材料本身的特点和保温对象所处的环境来选择保温材料。无机材料岩棉、玻璃棉等保温材料耐高温性能好，但保温效果较差，多用于石油、化工等管道的保温材料;有机材料橡塑海绵、聚苯乙烯、聚氨酯泡沫3种均用于给排水管道的保温材料口¨，其材料的主要优缺点见表1，在使用过程中可根据工程要求选择相应的保温材料。3.4.2电伴热保温给排水管道内的水在输水和贮水过程中水温会有所损失，电伴热保温主要是在绝热层和管道壁之间安装电热带，然后通电发热来补充水温热量的散失，当管道内水温低于保温系统设置温度时，会自动加热，以保证其温度在一定的范围内，从而达到保温和防冻的目的，应用较为广泛。电伴热保温有其明显的优缺点，其优点在于减少了保温材料的使用，能主动为管道加热，使管道内温度升高，降低冻土对管道的冻胀破坏，保证给排水管道的正常运行，其缺点是增大了工程投资和耗电量。4结语以上通过对冻胀、融沉和冰冻破坏的分类阐述及其发生机理的分析，让我们更加清楚地了解到季节性冻土区冻害的危险。对于地质条件不同的区域，会发生其中一种冻害或多种冻害同时发生，这样给该地区管道系统安全运行带来了极大的威胁。针对防冻措施，遵循保护冻土的原则有利于保护管道周围及建筑物基础等的受力平衡;针对保温措施，采用有机材料保温效果好且施工方便，这样既经济又有效。因此，在设计及施工前，对管道进行防冻及保温的双重保护措施是非常重要的。【参考文献】【1】武立波，祁伟，牛富俊，牛永红.我国季节性冻土区公路路基冻害及其防治研究进展J.冰川冻土，2015，37(5)：1283-1293.【2】龙克.浅谈冻土地区管道建设的工程技术难题J_科技创新导报，2011(27)：139.【3】吴洁.浅谈寒冷地区化工企业给排水管道设计J.上海化工，2015，4O(7)：15-19.【4】祁荣富，丁宝玉，赵延飞，等.季节性冻土敷设给水管道的研究与应用【J】.给水排水，2004(6)：88-92.【5】吴军.冻土区油气管道破坏分析D】.北京：中国地质大学(北京)，20l6.【6】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.【7】吕宏庆，李均峰，苏毅.多年冻土区管道的失效形式及监测技术【J】.天然气工业，2008(9)：98-100.【8】龙红伟.严寒地区土层冻胀对管系破坏及解决方案的探讨【J】.河南科技，2013(8)：50-51.【9】郭高峰.影响多年冻土融沉特性的因素研究D.长春：吉林大学，2008.【10】郑宪.季冻区非饱和粉质黏土融沉特性试验研究【D.哈尔滨：东北林业大学，2016.【11】Penner,E.，Pressuredevelopedduringtheunidirtionalfreezingofwatersaturatedporousmaterials.ProceedingsInternationalConferenceOllLowTemperatureScience.Sapporo：HokkaidoUniversity.1996(1)：1401-1412.【12】冷毅飞.中俄石油管道多年冻土物理力学性质试验研究及温度场数值分析【D