棉杆排水体在暗管排水中的应用

毕华军，刘建强，郑 强

（山东省水利科学研究院，山东，济南 250014）

暗管排水是盐碱地改良的一种有效措施，是利用人工开挖出来的地下沟或地下管道排除田间土壤多余的水分。土壤中的多余水分可以从暗管接头处或管壁滤水微孔渗入管内排走，起到控制地下水位、调节土壤水分、改善土壤理化性状的作用。

目前，国内外用于暗管排水的管材主要有砖瓦管、灰土管、陶管、混凝土管、水泥滤水管、石棉水泥管、内衬塑模外护水泥管、波纹塑料管、薄壁PVC管、内光波纹双壁聚氯乙烯管、改性PVC管等。由于黄河三角洲盐碱地区棉杆资源丰富、取用方便、价格低廉，拟采用棉杆为基材，研制安全环保、排水效果好、造价低廉、易于加工和施工的暗管排水棉杆排水体。

1 研究区棉杆资源现状

黄河三角洲位于黄河下游的鲁北平原，地势平坦、开阔，年平均降雨量为600 mm左右，无霜期长，适宜棉花生长，仅滨州、东营2市棉花种植面积就在26.7万hm2左右，我国每公顷棉田棉杆产量为2 250～3 750 kg（以风干棉杆，含水率按10%～15%计），则仅滨州、东营2市的棉杆年产量就可达到60～100万t。同时该地区农村劳动力资源充足且劳动力成本低，极其适合棉花生产。在滨州、东营的某些植棉大县，很多棉农种植棉花少则 1～2 hm2，多则 7～8 hm2。 由于黄河三角洲地区棉花种植面积大，因此棉杆产量很大，是当地取用便利、用途多样的生物环保材料。

2 棉杆排水体的制作

2.1 棉杆排水体基材选择

从棉杆不同高度横断面可知，随着棉杆高度的增加，棉杆直径逐渐减小，髓心反而增大；即随着棉杆高度增加，棉杆有用部分将逐渐减少，利用率下降，主要有用部分集中在中下部。考虑到棉杆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，防止在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。针对棉杆排水体以上特性，在其现场试验中选择了杆径较为均匀、茎干顺直的棉杆，去除细枝梗，只使用棉杆中下部。

2.2 棉杆构造分析

对棉杆进行解剖观察发现，棉杆木质部含量达81.46%，木纤维含量达62.22%。 棉杆各部分基本密度测定显示，根部密度较大，为0.353 g/cm3，地表处 0.388 g/cm3， 高 40 cm 处 0.319 g/cm3，高80 cm处0.272 g/cm3。棉杆基本密度平均为0.326 g/cm3，这和阔叶材杨树密度很接近。棉杆属于一年生禾本科双子叶植物，其茎杆的组织结构按成熟程度的不同可分为初生结构和次生结构。横向截面分为皮、木质部和髓3部分。按重量比，皮占总量的30%，木质部占65%，髓占4.50%，按体积比，皮占总体积的20.75%，木质部占63.3%，髓占15.95%。棉杆的横切面由外向内主要可分为皮质、初生木质部和髓芯部分。皮质部分叉可分为表皮、表皮角质层、皮层薄壁细胞和初生韧皮部。在初生韧皮部含有韧皮纤维，纤维细而长。最短的0.7 mm长，最长的可达20 mm以上，使棉杆具有极强的韧性，给棉杆切割带来一定的困难。

2.3 棉杆力学特性研究

茎杆的力学性能指标有拉伸强度、剪切强度、刚性模量以及秸杆的压缩特性。本研究根据制作棉杆排水体的需要，只考虑其剪切强度。

含水率对秸杆的力学性能影响较大。当含水率较大时，秸杆特性类似于塑性材料，其柔韧性较好，不易断裂，剪切强度也相对较高。而含水率减小时，其特性趋近脆性材料，柔韧性减弱，脆性增强，易断裂。含水率很低或者很高时其剪切强度均较高。当年种植的棉杆在12月中下旬1个月内较为适合切割，此时所需的剪切功较少，可以节省16.4%的剪切功。但由于现场试验时间为3～5月，该时段内棉杆基本已基本干透，棉杆脆性增大，很易折断，但同时剪切强度较大，不易切割加工。

2.4 棉杆排水体制作工艺

由于棉杆结构与木材相似，具有较强韧性和强度，在需求量大、质量要求较高、加工时间紧的情况下，对棉杆的切割加工具有一定的困难。对棉杆的切割需要较强的机械剪切力，一般人工难以承受，不能长时间大量生产，目前用于棉杆等硬茎干的切割粉碎设备不多，且设备的产量、能耗、粉碎粒度、经济性以及机具本身工作的稳定性、操作的安全性等方面存在许多缺陷，不能很好地满足棉杆切割作业的要求。因此，研究制作了小型棉杆切割装置，该装置由电动机、涡轮蜗杆减速机、联动盘、链杆、限位器、行程导轨、刀头、切割长度调节挡板、进料托盘等部件组成。

电动机转速为1 500 r/min，为装置提供动力；减速机速比为25，将电动机的高转速降为60 r/min；链杆分为上下两段，通过铰接连接，上段铰接在联动盘上，下段末端连接刀头，通过联动盘的转动带动链杆和刀头实现上下往复运动。链杆下段中部设有固定在支撑柱上的限位器和行程导轨，限定链杆运动位置，保证链杆和刀头的上下往复运动轨迹始终保持在一条中心线上。通过调节切割长度挡板与刀头的间距，可以任意控制切割长度。该装置结构简单、能耗低、易操作、运行稳定，且可以方便地对切割长度进行调整，切割均匀度较好，其切割速度和能力也能够满足试验现场制备棉杆排水体填充材料的要求。

现场填充的棉杆排水体，结构相对较为疏松，可视为散粒材料的堆积体。各规格下的棉杆直径均为30 cm，长度为1.0 cm，堆积体积70 650 cm3。经现场测量，规格2～3 cm的棉杆排水体总重约19.5 kg，裹料采用 200 g/m2无纺布，用量 1.2 m2，重约0.24 kg，则填充材料重约19.26 kg，堆积密度约为0.273 g/cm3；同法计算规格3～5 cm的棉杆排水体填充物重约18.56 kg，堆积密度约为0.263 g/cm3；规格5～7 cm的棉杆排水体填充物重约17.66 kg，堆积密度约为0.25 g/cm3。不同规格棉杆排水体的空隙率计算如表1示。

表1 不同规格棉杆排水体空隙率表

由表1可以看出，棉杆排水体填充材料长度越大，填充后的排水体堆积密度越小，其空隙率越大。即填充后的排水体密实度较小，埋地后抵抗上部土体挤压变形的能力较差，但同时能够具有较好的吸水性能和水流通过性，排水能力较强。

3 结语

同其他传统暗管管材相比较，棉杆排水体具有资源丰富、取用方便、价格低廉、绿色环保，并且排水效果好、易于加工和施工等优势，适合在暗管改碱治理盐碱地工程中应用。棉杆排水体是处于潜水临界水位线以下，与外界空气隔绝，但水中少量的溶解氧也会对棉杆排水体造成腐蚀，这应在下一步的应用中加以观察和研究。