东北季节性冻土区水利工程衬塑钢管耐久性研究

　　摘要:为了探究在高低温冷热循环作用下东北季节性冻土区水利工程衬塑钢管的耐久性，文章依据现有规范设计了高低温循环试验的温度区间为-20-50℃，然后对经历了不同高低温冷热循环次数后的衬塑钢管的结合强度、压扁强度分别采用自主设计的结合强度试验装置与PWS-E200电液伺服动静万能试验机检测，通过对比分析循环次数与压扁强度、结合强度的变化关系，探讨了衬塑钢管在水利工程中的适用性。

　　研究表明:随着高低温冷热循环次数的增加衬塑钢管的压扁强度、结合强度均呈现出不断降低的变化规律，且结合强度的降低幅度更加显著;为进一步提高衬塑钢管的耐久性与适用性，分别从埋置深度、使用环境两个方面提出了有针对性的决策建议，可为东北地区水利工程实践提供一定的参考依据。

　　关键词:水利工程;衬塑钢管;耐久性;季节性冻土;东北地区

　　0引言

　　季节性冻土区的土层冻结深度往往较大且具有春季融化冬季冻结的变化特征，水利工程给排水系统管道对这种特殊的环境变化具有较高敏感性，因此为满足工程需要钢管通常具有较高的耐冷热性能。近年来，在东北季节性冻土区具有较高运输效率和良好耐腐蚀性能的衬塑钢管得到了广泛的应用[1]。

　　工程实践表明，衬砌钢管外部的钢管层与内部的聚乙烯PE在长期施工过程中会发生脱离现象，从而使得给排水管道破坏。目前，对于衬塑钢管依据《钢塑复合管》(GB/T28897-2012)标准检测仅仅能够判断出其出厂质量状况，而在季节性冻土区尚未形成一套系统、完整的耐久性评判方法[2]。

　　鉴于此，文章以东北地区某水利工程为例，通过设计在季节性冻土区衬塑钢管的高低温冷热循环试验评价分析了压扁强度、结合强度的演化规律，以期为东北地区给排水系统管道设计及材质选择提供一定决策依据。

　　1高低冷热循环试验分析

　　根据水利工程实际情况和近5a东北地区出现的极端低温、高温状况，依据现有规范设计高低温循环试验的温度区间为-20-50℃，在经过不同次数的高低温冷热循环后对衬塑钢管的结合强度、压扁强度变化规律进行探讨分析，为进一步提高衬塑钢管的耐久性与适用性，分别从埋置深度、使用环境两个方面提出了有针对性的决策建议[3]。

　　1.1试件设计

　　在水利工程中DN50型衬塑钢管的应用较为广泛，所以文章选择该型号钢管作为试验试件。然后对试件尺寸按照压扁试验检测方法、钢塑复合管等标准规范设计，试验试件材料信息及其参数。

　　1.2试验装置

　　结合强度与压扁强度试验分别采用自主设计的结合强度试验装置与PWS-E200电液伺服动静万能试验机，钢管外观变形采用肉眼观测，而高低温冷热循环试验采用恒温水浴锅与混凝土快速冻融装置。

　　1.3试验方法

　　1)高低温冷热循环试验。首先在水中浸泡DN50型衬塑钢管，其长度为200mm;高温试验时间为12h，温度为50℃，试验装置为恒温水浴锅;高温试验结束后取出试件并置于常温中自然降温2h，然后放入混凝土快速冻融装置，温度设定为-20℃、试件为12h;低温试验结束后取出试件并置于常温中2h。完成上述高低温试验即为1个冷热循环周期，试样编号E12、E9、E6、E3、R0分别与12、9、6、3、0次冷热循环相对应。

　　2)结合强度试验。将强度试件选择为经过不同次数冷热循环试验的试件，每个试件分别选择3段20mm长的管段，并将结合强度试样标记为1#、2#、3#。在室内常温下利用加载模具逐渐施压于试件，压力加载速率设定为1.2kN/min，加载试验装置及其模具形式。

　　2结果分析

　　2.1强度试验结果

　　试件的结合强度受高低温冷热循环试件的影响结果。随着循环次数的不断增大试件的结合强度呈现出不断的下降趋势，相对于E0试件E9、E12的结合强度平均值降低了约25%、40%，并且低于设计标准1.0MPa的要求。

　　研究表明，在温差为70℃的东北季节性冻土区的极端环境中该塑性钢管结合强度明显下降的冷热循环至少要经历9次。在实际环境中，东北地区的极端气温平均为多年一遇，因此利用该塑性钢管作为给排水系统管道具有较强的安全性与可靠性，从长远的角度分析为增大钢管的使用寿命，可采取适当的保温防冻措施。

　　2.2压扁强度试验结果

　　对试件压扁强度受冷热循环试验的影响进行计算，根据钢塑复合管标准要求设定管径压缩量为1/4。可以看出，E0试件经压扁试验后未出现肉眼观测到的内塑层与钢管层分离的现象。相对于R0试件平均压扁强度经过9次循环试验后的E9试件降低了约7%。

　　在试验机压力作用下原本未发生分离的高低温循环后的试件出现塑层分离时的强度值，经过12次循环后的E12试件在压力作用下出现肉眼能够观察到的分离现象，且试件发生破坏无法测试其压扁强度。通过对比分析表2、3值发现，衬塑钢管压扁强度受高低温冷热循环的影响程度相对较弱，而结合强度的影响较为显著。

　　结合强度在经过第9个冷热循环后基本趋于标准设计值的1.00MPa，在同等条件下的压扁试件刚刚出现分离现象。由此表明，衬塑钢管的结合强度与压扁强度在一定程度上存在关联作用，在内外层结合紧密度相对较低时，钢管内外层不仅在径向上承载上部压力而发生内外分离，而且在长度方向上会出现滑移错动现象。

　　2.3适用性分析

　　通过分析可知，随着衬塑钢管本身的内外层黏结性能的增强其抵抗冷热循环破坏的能力逐渐增大，且钢管材质的质量逐渐提升。由于该管材一般应用于水利工程给排水管道，在温度<冰点时管道会受到内部结冰的挤压作用。为提高管材的适用性与安全性，在极端低温气候使用过程中为维持管道温度宜采用电伴热保温措施。

　　在埋地后衬塑钢管承受上覆土压力的能力可根据压扁试验反映，通常情况下水利工程管道埋置换填土为黏土、粉质黏土、粉土及砂土，本研究对管道顶部在4种不同土质下所承受的竖向压力利用理论计算的方法确定。根据土体与管道的相对刚度在给排水管道结构设计标准的划分方法，周围土地的变形模量远远低于钢管的弹性模量，因此管道可按照钢性计算[4]。

　　3结论

　　文章以东北地区某水利工程为例，通过设计在季节性冻土区衬塑钢管的高低温冷热循环试验评价分析了压扁强度、结合强度的演化规律，得出的主要结论如下:

　　1)文章对衬塑钢管在季节性冻土区的耐久性设计了一种新的抗温变性能的检验方法，随着循环次数的不断增大试件的结合强度呈现出不断的下降趋势，利用该塑性钢管作为给排水系统管道具有较强的安全性与可靠性，从长远的角度分析为增大钢管的使用寿命，可采取适当的保温防冻措施。

　　2)塑钢管的结合强度与压扁强度在一定程度上存在关联作用，在内外层结合紧密度相对较低时，钢管内外层不仅在径向上承载上部压力而发生内外分离，而且在长度方向上会出现滑移错动现象。

　　3)衬塑钢管内外层在1.8m换填土埋置深时均不会出现分离现象，从而保证了管道的正常运行与安全状态。在工程实践中应选择经济合理的埋置深度与土质条件，由此降低施工成本和减少管道顶部压力。

　　参考文献:

　　[1]诸葛睿.明钢管支座的横向推力[J].云南水力发电，2007，23(03):33-34，72.

　　[2]周敏.加钢管旋喷桩在大口径输水管线基坑支护中的应用[J].水利规划与设计，2016(07):101-102，11.

　　[3]徐海洋，伍鹤皋，石长征.日照温差影响下明钢管支座受力特性研究[J].水力发电，2010，36(12):27-30

　　水利方向评职知识：水利工程管理的现代化与精细化路径

　　摘要：随着社会经济的发展，我国水利工程建设受到国家有关部门的高度重视，水利工程作为我国民生建设中的重要组成部分，是我国实现现代化发展，推动社会经济建设的重点工程。而当前我国水利工程的管理方式还较为传统，无法适应社会经济发展需求。因此，水利工程管理的现代化与精细化建设成为水利工程管理的重要目标。