棉秆排水体与塑料暗管排水效果对比试验

郑强，刘建强，毕华军

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

棉秆排水体与塑料暗管排水效果对比试验

郑强，刘建强，毕华军

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

以黄河三角洲地区暗管排水试验为基础，根据黄河三角洲盐碱地区棉秆资源丰富、取用方便、价格低廉等特点，采用棉秆为基材，研制了棉秆暗管排水体，并对棉秆排水体和塑料排水暗管的排水性能进行了对比试验研究。试验结果表明，棉秆排水体空隙率越大，排水效果越好，在同一覆盖物及厚度、同一水头条件下，塑料管排水量大于棉秆排水体排水量，但二者相差不大。

棉秆排水体；塑料排水体；暗管排水；排水试验

暗管排水技术始于19世纪初，到20世纪中期在欧美日等发达国家广泛应用，从管材到施工技术都得到了极大的发展。由于暗管排水工程一次性投资较大，在我国现有经济发展条件下推广有一定困难，且塑料管材的埋设对土壤存在潜在的二次污染。

黄河三角洲位于黄河下游的鲁北平原，地势平坦、开阔，无霜期长，适宜棉花生长且种植面积大，棉秆资源丰富。根据黄河三角洲盐碱地区棉秆资源取用方便、价格低廉等特点，以其为基材，研制了安全环保、造价低廉、易于加工和施工的棉秆暗管排水体。并对棉秆排水体和塑料排水暗管的排水性能进行了对比试验研究。

1 棉秆排水体制作

1.1 棉秆排水体基材选择

棉秆排水体需要具有相对较大的密实度以获得足够的抗压能力，防止埋入地下时被上部土体挤压变形，从而保证能够形成连续顺畅的排水通。同时为能够获得较好的吸水能力、良好的水流通过性以及防淤积能力，其结构密度又不宜过大，要保持一定的空隙率。针对棉秆排水体需具备的特性，在现场试验中选择了杆径较为均匀、茎干顺直的棉秆，去除细枝梗，只使用棉秆中下部。

1.2 棉秆排水体的制作

由于棉秆结构与木材相似，具有较强韧性和强度，在需求量大、对切割长度及均匀度要求较高的情况下，对棉秆的切割加工具有一定的困难。根据现场试验的需要，利用自制棉秆切割装置，按照2～3 cm、3～5 cm、5～7 cm等不同规格将棉秆切割成均匀的小段，作为填充材料，装入用200 g/m2无纺布缝制的直径30 cm、长1 m的布袋中，做成圆柱状排水体。填充排水体时要分层填装，每填装20～30 cm要振捣挤压密实，同时要避免造成无纺布裹料破坏，影响排水体的使用。

2 棉秆排水体排水试验及装置设计

2.1 研究目的

棉秆排水体作为一种多孔介质排水体，按照研究要求深度埋设后，通过模拟不同的回填物与覆盖条件及定水头与变水头条件下的渗流排水工况，测试其在固定覆盖深度，不同覆盖条件、不同灌溉水头条件下的透水能力，及其与介质结构、孔隙率、水头等相关影响因素的关系。

2.2 试验装置设计

试验装置适用于棉秆排水体排水能力测试的常水头与变水头试验。该装置为砌砖结构，由试验池、溢流孔、稳流花墙、导流槽、直角三角堰板、回水槽、蓄水池等组成。蓄水池用于为装置试验提供足够的试验用水及回收溢流水量。试验池用于模拟棉秆排水体埋设情况，试验池内壁设有刻度尺，可准确量测排水体上部覆盖厚度及水深。试验池一侧设有进水口，为试验池注水，同侧下游段设有放水阀，通过调节进水流量和放水流量，可以方便快捷准确地调节试验池内水头并保持稳定。试验池下游侧墙上设置与棉秆排水体直径相同的溢流孔，其下游设置导流槽和花墙，其长度满足大于下游最大水头时水舌宽度10倍的要求，可以很好地平顺溢流孔下泄水流。导流槽末端设置测流堰板，由于溢流孔流量较小，因此选择设置适于量测小流量且量测精度较高的三角薄壁堰板，堰板采用钢板精确加工制成，堰口角为90°。导流槽侧墙设置测针，用于量测堰前水深。回水槽将堰板溢流水量导回到蓄水池，使整个装置的水流系统形成一个回路。试验装置见图1。

图1 棉秆排水体试验装置设计图

2.3 试验方法

试验用排水体由2根直径30 cm、长1 m的棉秆排水体串联而成，置于试验池中。试验时排水体一端与溢流孔对接，连接处用油泥、玻璃胶等密封材料填充封闭紧密，防止由于连接处对接不严造成漏水，影响试验精度。排水体连接完成后，在其上覆土或覆砂，并严格按照试验要求控制覆盖厚度。然后向试验池中注水，并打开放水阀，通过调节进水流量与放水流量来控制试验池中水头，并利用设置在试验池壁上的刻度尺随时观测池中水位变化，直到池中水位保持稳定。在向试验池中注水过程中，排水体开始排水，并通过导流槽平顺水流流态后，经三角量水堰溢流。待堰前水头稳定后，利用设置在导流槽侧墙上的测针，读取堰前水位，计算堰顶水头，并参照三角形薄壁量水堰流量公式计算溢流量。

公共图书馆是促进出版公共服务标准化均等化的重要载体。2018年1月起开始施行的《中华人民共和国公共图书馆法》以立法的形式规定县级以上人民政府应当设立公共图书馆、乡镇和农村应当设立图书室。截至目前，我国公共图书馆数量已由改革开放之初的851个增加到3162个。

2.4 试验方案设计

1）固定稳渗水头试验方案。试验中棉秆排水体填充物长度分为2～3 cm、3～5 cm及5～7 cm，覆土深度分别为0、20 cm、30 cm；覆砂深度分别为20 cm、10 cm，0。试验排水体由2节棉秆排水体组成，置于试验池内，其下部填土20 cm，上部覆盖30 cm。试验池稳渗水头保持20 cm，裹料采用2 mm厚土工布。通过试验，观察和实测不同土层与砂层厚度状态下，排水体的稳渗流量。

2）可变稳渗水头试验方案。依然采用固定稳渗方案3种规格的棉秆排水体，其上部覆砂30 cm，试验池稳渗水头控制在30 cm和50 cm。通过试验，对在砂层厚度保持30 cm状态下，稳渗水头不同时，排水体的稳渗流量进行观察和实测。

2.5 试验过程

1）在试验池中先装20 cm厚的土，固定好排水体，密封排水体与溢流孔接口处，在固定好的排水体周围按照试验要求覆盖滤料，然后逐层填土密度接近自然土体情况。

2）由进水口缓慢均匀地向试验池注水,至土体饱和并保持一定的水层为止，以便保持一个稳定的水头。观察渗管的渗流情况，待渗流稳定，即行观测。

3）按上述方法过程进行多方案多次试验观测，以便取得充分的观测数据。

2.6 试验结果

表1 固定稳渗水头条件下渗流量

2）在可变稳渗水头状态下，排水体规格、覆盖物及厚度对排水量的影响试验结果见表2。

3 塑料排水暗管排水效果试验

地埋塑料管排水管道的水力学野外试验，与棉秆排水体野外试验使用同一装置，其试验方法与过程也与棉秆排水体的试验相同。

表2 可变水头条件下渗流量

3.1 试验方案设计

1）固定稳渗水头试验方案。试验方案中塑料管道分为DN160、DN200及DN315三种规格。试验塑料管道长1.7 m，固定在试验池内，其下部填土20 cm，上部覆盖30 cm，覆土深度取0.20 cm，覆砂深度为20 cm、10 cm。试验池稳渗水头保持20 cm，试验裹料采用2 mm厚土工布。通过试验，观察和实测不同土层与砂层厚度状态下，塑料管道的稳渗流量。

2）同水头、同管径有无裹料试验方案。试验方案中采用DN200塑料管，其上部覆土20 cm，覆砂10 cm，试验池稳渗水头控制在20 cm。通过试验，对塑料管的稳渗流量进行观察和实测。

3.2 试验结果

1）在固定稳渗水头状态下，排水体规格、覆盖物及厚度对排水量的影响试验结果见表3。

表3 固定稳渗水头条件下渗流量

2）在固定稳渗水头状态下，同一规格、覆盖物及厚度，在有无裹料情况下对排水量的影响试验结果见表4。

4 试验结果分析

4.1 棉秆排水体试验结果分析

从表1、表2的试验结果可以得出如下结论：1）不同排水体规格的试验结果标明排水体填充物规格越大排水量越大，且填充物规格对排水量的影响较明显，即排水体在同一直径下，填充物规格越大，形成的空隙率越大，则排水能力越强。2）不同的水头也会影响排水量，对同一规格排水体，水头大，排水量亦大。在同一水头状态下，不同排水体，规格越大，排水量亦大，即空隙率越大，排水能力越强。3）排水体的覆盖物及厚度也影响排水量，同一覆盖物及厚度、同一水头、3种规格（5～7 cm、3～5 cm、2～3 cm）排水体的试验结果都表明，空隙率越大的排水体稳定渗流量越大，排水能力越强。

表4 有无裹料条件下渗流量

4.2 地埋塑料管排水试验结果分析

从表3、表4的试验结果可以得出如下结论：1）同一覆盖物及厚度、同一水头试验结果都表明管径越大排水量大，且管径对排水量的影响较明显。2）有无裹滤料也影响排水量，同一覆盖物及厚度、同一水头、同一规格塑料管试验结果表明有裹料的管道比无裹料的管道稳定排水量大。

4.3 棉秆排水体与塑料排水暗管结果对比分析

通过对棉秆排水体和地埋塑料管排水管道排水效果试验，形成如下初步结论：1）在相同条件下，不管是棉秆排水体还是塑料管，规格或管径都对其排水量具有非常明显的影响，规格或管径越大，空隙率越大，排水量也越大，排水能力越强。2）在相同条件下，塑料管排水量大于棉秆排水体排水量，但二者相差不大。由于棉秆排水体取材方便、造价低廉、制造工艺简单易行，且在同样具有较好排水效果的同时，具有明显的绿色环保优势，因此可作为暗管排水管材的替代材料。3）棉秆排水体的腐蚀过程对排水效果及使用寿命的影响本试验没做进一步研究。

S276

B

1009-6159（2014）-02-0010-03

水利部公益性行业专项“黄河三角洲盐碱地综合治理技术与装备研究”（编号：201001073）。

（责任编辑赵其芬）

2013-12-06

郑强（1980—），男，工程师