摘要:為了探究在高低溫冷熱循環(huán)作用下東北季節(jié)性凍土區(qū)水利工程襯塑鋼管的耐久性，文章依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)了高低溫循環(huán)試驗(yàn)的溫度區(qū)間為-20-50℃，然后對經(jīng)歷了不同高低溫冷熱循環(huán)次數(shù)后的襯塑鋼管的結(jié)合強(qiáng)度、壓扁強(qiáng)度分別采用自主設(shè)計(jì)的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)裝置與PWS-E200電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)檢測，通過對比分析循環(huán)次數(shù)與壓扁強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度的變化關(guān)系，探討了襯塑鋼管在水利工程中的適用性。

　　研究表明:隨著高低溫冷熱循環(huán)次數(shù)的增加襯塑鋼管的壓扁強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度均呈現(xiàn)出不斷降低的變化規(guī)律，且結(jié)合強(qiáng)度的降低幅度更加顯著;為進(jìn)一步提高襯塑鋼管的耐久性與適用性，分別從埋置深度、使用環(huán)境兩個(gè)方面提出了有針對性的決策建議，可為東北地區(qū)水利工程實(shí)踐提供一定的參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞:水利工程;襯塑鋼管;耐久性;季節(jié)性凍土;東北地區(qū)

　　0引言

　　季節(jié)性凍土區(qū)的土層凍結(jié)深度往往較大且具有春季融化冬季凍結(jié)的變化特征，水利工程給排水系統(tǒng)管道對這種特殊的環(huán)境變化具有較高敏感性，因此為滿足工程需要鋼管通常具有較高的耐冷熱性能。近年來，在東北季節(jié)性凍土區(qū)具有較高運(yùn)輸效率和良好耐腐蝕性能的襯塑鋼管得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

　　工程實(shí)踐表明，襯砌鋼管外部的鋼管層與內(nèi)部的聚乙烯PE在長期施工過程中會(huì)發(fā)生脫離現(xiàn)象，從而使得給排水管道破壞。目前，對于襯塑鋼管依據(jù)《鋼塑復(fù)合管》(GB/T28897-2012)標(biāo)準(zhǔn)檢測僅僅能夠判斷出其出廠質(zhì)量狀況，而在季節(jié)性凍土區(qū)尚未形成一套系統(tǒng)、完整的耐久性評判方法[2]。

　　鑒于此，文章以東北地區(qū)某水利工程為例，通過設(shè)計(jì)在季節(jié)性凍土區(qū)襯塑鋼管的高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)評價(jià)分析了壓扁強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度的演化規(guī)律，以期為東北地區(qū)給排水系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)及材質(zhì)選擇提供一定決策依據(jù)。

　　1高低冷熱循環(huán)試驗(yàn)分析

　　根據(jù)水利工程實(shí)際情況和近5a東北地區(qū)出現(xiàn)的極端低溫、高溫狀況，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)高低溫循環(huán)試驗(yàn)的溫度區(qū)間為-20-50℃，在經(jīng)過不同次數(shù)的高低溫冷熱循環(huán)后對襯塑鋼管的結(jié)合強(qiáng)度、壓扁強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行探討分析，為進(jìn)一步提高襯塑鋼管的耐久性與適用性，分別從埋置深度、使用環(huán)境兩個(gè)方面提出了有針對性的決策建議[3]。

　　1.1試件設(shè)計(jì)

　　在水利工程中DN50型襯塑鋼管的應(yīng)用較為廣泛，所以文章選擇該型號(hào)鋼管作為試驗(yàn)試件。然后對試件尺寸按照壓扁試驗(yàn)檢測方法、鋼塑復(fù)合管等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，試驗(yàn)試件材料信息及其參數(shù)。

　　1.2試驗(yàn)裝置

　　結(jié)合強(qiáng)度與壓扁強(qiáng)度試驗(yàn)分別采用自主設(shè)計(jì)的結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)裝置與PWS-E200電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)，鋼管外觀變形采用肉眼觀測，而高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)采用恒溫水浴鍋與混凝土快速凍融裝置。

　　1.3試驗(yàn)方法

　　1)高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)。首先在水中浸泡DN50型襯塑鋼管，其長度為200mm;高溫試驗(yàn)時(shí)間為12h，溫度為50℃，試驗(yàn)裝置為恒溫水浴鍋;高溫試驗(yàn)結(jié)束后取出試件并置于常溫中自然降溫2h，然后放入混凝土快速凍融裝置，溫度設(shè)定為-20℃、試件為12h;低溫試驗(yàn)結(jié)束后取出試件并置于常溫中2h。完成上述高低溫試驗(yàn)即為1個(gè)冷熱循環(huán)周期，試樣編號(hào)E12、E9、E6、E3、R0分別與12、9、6、3、0次冷熱循環(huán)相對應(yīng)。

　　2)結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。將強(qiáng)度試件選擇為經(jīng)過不同次數(shù)冷熱循環(huán)試驗(yàn)的試件，每個(gè)試件分別選擇3段20mm長的管段，并將結(jié)合強(qiáng)度試樣標(biāo)記為1#、2#、3#。在室內(nèi)常溫下利用加載模具逐漸施壓于試件，壓力加載速率設(shè)定為1.2kN/min，加載試驗(yàn)裝置及其模具形式。

　　2結(jié)果分析

　　2.1強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　試件的結(jié)合強(qiáng)度受高低溫冷熱循環(huán)試件的影響結(jié)果。隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增大試件的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷的下降趨勢，相對于E0試件E9、E12的結(jié)合強(qiáng)度平均值降低了約25%、40%，并且低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1.0MPa的要求。

　　研究表明，在溫差為70℃的東北季節(jié)性凍土區(qū)的極端環(huán)境中該塑性鋼管結(jié)合強(qiáng)度明顯下降的冷熱循環(huán)至少要經(jīng)歷9次。在實(shí)際環(huán)境中，東北地區(qū)的極端氣溫平均為多年一遇，因此利用該塑性鋼管作為給排水系統(tǒng)管道具有較強(qiáng)的安全性與可靠性，從長遠(yuǎn)的角度分析為增大鋼管的使用壽命，可采取適當(dāng)?shù)谋�溫防凍措施�?/p>

　　2.2壓扁強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

　　對試件壓扁強(qiáng)度受冷熱循環(huán)試驗(yàn)的影響進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)鋼塑復(fù)合管標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定管徑壓縮量為1/4。可以看出，E0試件經(jīng)壓扁試驗(yàn)后未出現(xiàn)肉眼觀測到的內(nèi)塑層與鋼管層分離的現(xiàn)象。相對于R0試件平均壓扁強(qiáng)度經(jīng)過9次循環(huán)試驗(yàn)后的E9試件降低了約7%。

　　在試驗(yàn)機(jī)壓力作用下原本未發(fā)生分離的高低溫循環(huán)后的試件出現(xiàn)塑層分離時(shí)的強(qiáng)度值，經(jīng)過12次循環(huán)后的E12試件在壓力作用下出現(xiàn)肉眼能夠觀察到的分離現(xiàn)象，且試件發(fā)生破壞無法測試其壓扁強(qiáng)度。通過對比分析表2、3值發(fā)現(xiàn)，襯塑鋼管壓扁強(qiáng)度受高低溫冷熱循環(huán)的影響程度相對較弱，而結(jié)合強(qiáng)度的影響較為顯著。

　　結(jié)合強(qiáng)度在經(jīng)過第9個(gè)冷熱循環(huán)后基本趨于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值的1.00MPa，在同等條件下的壓扁試件剛剛出現(xiàn)分離現(xiàn)象。由此表明，襯塑鋼管的結(jié)合強(qiáng)度與壓扁強(qiáng)度在一定程度上存在關(guān)聯(lián)作用，在內(nèi)外層結(jié)合緊密度相對較低時(shí)，鋼管內(nèi)外層不僅在徑向上承載上部壓力而發(fā)生內(nèi)外分離，而且在長度方向上會(huì)出現(xiàn)滑移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

　　2.3適用性分析

　　通過分析可知，隨著襯塑鋼管本身的內(nèi)外層黏結(jié)性能的增強(qiáng)其抵抗冷熱循環(huán)破壞的能力逐漸增大，且鋼管材質(zhì)的質(zhì)量逐漸提升。由于該管材一般應(yīng)用于水利工程給排水管道，在溫度<冰點(diǎn)時(shí)管道會(huì)受到內(nèi)部結(jié)冰的擠壓作用。為提高管材的適用性與安全性，在極端低溫氣候使用過程中為維持管道溫度宜采用電伴熱保溫措施。

　　在埋地后襯塑鋼管承受上覆土壓力的能力可根據(jù)壓扁試驗(yàn)反映，通常情況下水利工程管道埋置換填土為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及砂土，本研究對管道頂部在4種不同土質(zhì)下所承受的豎向壓力利用理論計(jì)算的方法確定。根據(jù)土體與管道的相對剛度在給排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的劃分方法，周圍土地的變形模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼管的彈性模量，因此管道可按照鋼性計(jì)算[4]。

　　3結(jié)論

　　文章以東北地區(qū)某水利工程為例，通過設(shè)計(jì)在季節(jié)性凍土區(qū)襯塑鋼管的高低溫冷熱循環(huán)試驗(yàn)評價(jià)分析了壓扁強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度的演化規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下:

　　1)文章對襯塑鋼管在季節(jié)性凍土區(qū)的耐久性設(shè)計(jì)了一種新的抗溫變性能的檢驗(yàn)方法，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增大試件的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷的下降趨勢，利用該塑性鋼管作為給排水系統(tǒng)管道具有較強(qiáng)的安全性與可靠性，從長遠(yuǎn)的角度分析為增大鋼管的使用壽命，可采取適當(dāng)?shù)谋�溫防凍措施�?/p>

　　2)塑鋼管的結(jié)合強(qiáng)度與壓扁強(qiáng)度在一定程度上存在關(guān)聯(lián)作用，在內(nèi)外層結(jié)合緊密度相對較低時(shí)，鋼管內(nèi)外層不僅在徑向上承載上部壓力而發(fā)生內(nèi)外分離，而且在長度方向上會(huì)出現(xiàn)滑移錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

　　3)襯塑鋼管內(nèi)外層在1.8m換填土埋置深時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象，從而保證了管道的正常運(yùn)行與安全狀態(tài)。在工程實(shí)踐中應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的埋置深度與土質(zhì)條件，由此降低施工成本和減少管道頂部壓力。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[3]徐海洋，伍鶴皋，石長征.日照溫差影響下明鋼管支座受力特性研究[J].水力發(fā)電，2010，36(12):27-30

　　水利方向評職知識(shí)：水利工程管理的現(xiàn)代化與精細(xì)化路徑

　　摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國水利工程建設(shè)受到國家有關(guān)部門的高度重視，水利工程作為我國民生建設(shè)中的重要組成部分，是我國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)工程。而當(dāng)前我國水利工程的管理方式還較為傳統(tǒng)，無法適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。因此，水利工程管理的現(xiàn)代化與精細(xì)化建設(shè)成為水利工程管理的重要目標(biāo)。