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第22卷 第2期 湖北农学院学报 2002年4月 V0L 22 No 2 Journal of Hubei Agricultural College Apr.2002 文章编号:loo4—3888(2002)02—0141--06 PVC单、双壁波纹塑料管用作农田}{}水暗管比较研究’ 朱建强 ,欧光华 ,王纪科。 (1.湖北省涝渍地开发工程技术研究中心.湖北荆州434025;2.西北农林科技大学.陕西杨醺712100) 摘要:通过室内材料力学试验和水力学试验,对PVC单、双壁波纹塑料管有关性质进行 了比较研究,试验结果表明:PVC双壁波纹塑料管的力学性质和水力学性质均较单壁波纹塑 料管优越,适于作农田地下排水暗管。 关键词:农田排水暗管;PVC双壁波纹管;力学性质;水力学性质 中图分类号:¥276,72 文献标识码:A PVC双壁波纹塑料管在日本已经取代PVC 63 mm管材进行了试验。 单壁波纹塑料管用于农田地下排水,国内这方面 1.2有关力学性质试验 目前尚未见报道。在农田灌溉方面,国内采用 采用试验模型模拟排水暗管的埋设环境条 110 mm口径以上PVC双壁波纹塑料管作为输 件,测试在埋设条件下的实际径向承载力。排水 水管道进行农田管灌 但是,PVC双壁波纹塑 暗管埋^地下后,四周完全被土包围,周围土体既 料管用于农母排水的吸水管与用作灌溉输水管道 对暗管有均匀围压力,又对暗管有一个径向约柬 大不相同。首先这种管材作为地下排水用(吸水 作用(侧限作用)。由于径向约束作用将会暗 管)其口径一般在50~75 mm之间,其中以63 管塑性变形,故可提高塑料管的抗围压能力。本 mm使用较多,此外,需要根据排水要求沿管壁开 试验将测试塑料管受到径向约束时实际变形与荷 孔,即必须有一定的开孔率。 载的关系。试验中加垂直向荷载,以模拟上部土 长期以来,国内外在农田排水方面用的最多 层的土壤压力和轮压等荷载的作用力。为了对比 且比较普遍的是PVC单壁波纹塑料管(以下简称 分析,同时作了塑料管在无土体包围时(无侧限) 单壁管),为了在我国推行PVC双壁波纹塑料管 的变形与荷载试验。 (内壁光滑、外壁起波纹,以下简称双壁管)用于农 平行板状荷载试验:利用磅秤式压缩仪直接 田地下排水,笔者通过室内材料力学和水力学试 对管材试件加压,同时测量其变形量。将试件承 验对PVC双壁管和单壁管的力学性质及水力学 受的荷载近似看作沿管轴线分布的“线荷载”,试 性质进行了比较研究,现报告如下。 件变形用测微表观测。试验装置如图1。 1材料与方法 蜘j蕾皈 1.1材料 试验所用的单、双壁PVC管来自西安新秦塑 料厂,该厂生产的这两种管材按外径区分均有63 围1平行板状荷载试验装置示意围 mm、75mm、110mm、160mm和200mm等5种 Figure l Installalion sketch for parallel board load test 规格。在农田地下排水工程中通常用到小口径管 材,笔者采用农田排水工程实践中应用较普遍的 有侧限板状荷载试验:试验装置为一有底无 ・收稿13期:2002—0l—ll 基金项目 湖北省科技厅资助项耳(962P05O3一o5) 第一作者简介:朱建强(1963一),男,陕西省周至县人,工学硕士,湖北农学院涝渍地工程中心高级工程师 维普资讯 http://www.cqvip.com

142 期北农学院学报 2002正 盖的箱体,尺寸为25 crfl×18 cm×12∞,箱体用 1.3水力学●救翻定 2 mm厚的钢板焊接而成。在箱底部铺设一定厚 目前,市场上出售的PVC单壁和双壁管均未 度土层井适当夯实,然后将待测试件水平放置,试 蛤出这种管材有关水力学参数,为了方便设计和 件周围填土密实。试件外径63 mill,内径55 进用管材,笔者在实验室对PVC单、双壁波纹管 mm,长200 mm。对试件用磅秤式加压仪加压, 的糙率n和阻力系数 作了测定 同时用测微表测量试件与填土铷调存在下的压缩 用作农田地下排水的集水管和吸水管,通常 变形。试验装置见图2 按非满管流设计,管内水耀一般取管径的1/2~ 加压板 1/3。试验装置由供水容器、可变底坡平台和量水 堰组成(图3)。供水容器与水源相通,井有自由 溢流装置,以保持固定供水水头。量水堰箱的堰 口夹角为6O。。被测试的波纹塑料管一端与供水 容器连接,另一端通往量水堰箱。在波纹塑料管 啊2有侧限板状荷藏试验装置示童啊 上部管长的1/4、1/2、3/4处开口,以便测定水深。 Ffsure 2 fnstalfation sketch for par81 ̄l board load 试验时改变管道底坡3次,改变流量多次,以获得 lest with sofl res ̄ain 更多数据。 田3水力学试t装置示童啊 Figure 3 Installation sketch for hydraulic test 根据所测试验资料可以计算出波纹塑料管在 C=(1/n)・R 得 一(i/C)・R“ 非满管均匀流动状态下的流速、流速系数,进而求 (3)波纹塑料管阻力系数 的确定:谢才系数 得管材的糙率及阻力系数等水力参数E 。 c确定后,波纹塑料管的阻力系数^可利用 一 口=C・(R・J)“ (1) 8g/C 式 计算(式中g为当地重力加速度)而 式中t口为平均流速 c为谢才系数(流速系数)iR 得。 为水力半径,R—A÷z(A为过水断面面积, 为 湿周);,为水力坡降。 2结果与分析 (1)谢才系数的确定:在确定 、R、J之后即 2.1 PVC管材的有关力学性质试验结果 可计算出谢才系数C。 单、双壁波纹管平行板状荷载试验和有侧限 ① 的计算;依据管道通过的流量和管道的 板状荷载试验的变形与压力观测值分别见表l和 有关几何尺寸和充水深度,可确定通过该流量时 表2。 的过水断面面积。从而可计算出该流量下的相应 用3个试件在不同荷载下变形量观测值的算 流速。 术平均值可作出压力p与变形量△的关系曲线, @R、J的确定:过水断面有关水力要素可通 见图3和图4。图中SP为单壁波纹管试件的p 过实测得到,水力半径R由计算而得。因管中流 ~△关系曲线,DP为双壁波纹管试件的p~△ 态为均匀流,故可认为水力坡降J与管道底坡i 关系曲线。 相同。 (1)平行板状荷载试验结果及其分析 @C的确定:口、R、J确定之后由公式(1)可 ①压力p与变形量△的关系由图3 p~△ 计算出谢才系数C。 关系曲线可以看出,试件的变形量△随着压力p (2)波纹塑料管糙率 的确定:由曼宁公式【 的增大而增大。在p值较小时,△随p的增大呈 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 朱建强等;PVC单、双壁波纹塑料管用作农田排水暗臂比较研究 衰L PVC簟、双璧波蚊臂平行板状荷靛试幢观测结暴 Toblo L Observstion results of parallel board load lest Of single and double psrtjtion PVC w ̄.ve veins pipe mm 衰2 PVC簟、双璧波蚊臂有 阻扳状荷靛试验观测结暴 1 2 Ctmm'v ̄lcn results or p ̄'olta b删loadtesl soil or 呻日nd蛐Ie Pv。 mm 注:试件DD1周围壤土密宴度ll 7 g/cm .DD2和DD3周围填土密实度为l_5 嘶 .单壁臂平均变形量取DD2和DD3平均值 P/(NJ=m) 直线增加,且斜率较大 说明试件的变形处于弹 0 20 40 6o 8o 1∞ 性变阶段 但随着声的继续增大,△的增幅明显 0 变大,曲线明显弯曲。说明随着声增大,试件的 2 4 塑性变形增大,每次增加荷载后试件变形持续时 6 间增长。当声达到某一定值时,试件的变形会持 8 续下去,直至变形破坏。 l0 ②波纹塑料管试件的极限荷载 由试验实测 田4平行板状荷靛试验 ~△关系曲线 的声~△关系曲线形状可以看出,曲线由两部分 Figure 4 ~△rele6or ̄ipaJrve of paralell board k:edtest 组成,前半部大致呈直线,属弹性变形段;后半部 P I(Nlcm) 为曲线,属塑性变形段;直线向曲线过度的转折点 0 20 40 砷 ∞ l∞ I20 相应的压力值可视为试验管材的极限荷载。单壁 0 管试件的极限荷载约为30 N/cm;双壁管试件的 5 £ { 10 极限荷载约为70 N/cm。 司 I5 ③单、双壁波纹管试件声~△关系曲线的异 2o 同点 由图3可以看出,单、双壁波纹管试件的声 25 ~△关系曲线形状基本相似。曲线均由两部分组 田5有 限板状荷靛试幢 ~△关系曲线 成:即直线段和曲线段,不同之处在于直线斜率不 Figure 5 口~△relationship curve of parallel load 同 tset with soil restrain 设单壁波纹管声~△关系曲线直线段与△坐 维普资讯 http://www.cqvip.com

144 湖北农学院学报 2002正 橼帕的夹角为 ,双璧波纹管的夹角为岛.则其斜 载”的影响 率分别为tg 和tg岛。分别确定tg 和tg岛的 比较有无侧限时单、双壁波纹管的“单位变形 值,即可确定单、双壁波纹管产生单位变形量所需 荷载”.褥: 相应的荷载。可称为“单位变形荷载”。 单壁波纹管 (P2一 /P 1)=(14.9/8.7)= 本次试验装置及试验条件下,单、双壁管的单 1.71(N/(cm・ram)) 位变形荷载可用两点法分别确定: 双壁波纹管 ( —z/P 一z)一(105.3/24.4) 单壁管P l—tg l一(30—20)-b(3.21— 一4.32(N/(cm・ram)) 2.O6)一8.7(N/(cm・ram)) 可以看出.单壁波纹管在侧限条件下加压.其 双壁管P㈩=tg 一(40—2O)-6-(2.O3— 抗外压的能力较无侧限时提高0.71倍;双壁波纹 1.21)一24.4(N/(cm・ram)) 管在侧限条件下加压,其抗外压能力较无侧限时 比较Pt—z与P :P /P1一 =24.4/8.7— 提高3.32倍。说明围土对提高波纹管的抗外压 2.8 目日力有相当明显的作用。另外,围填土的密实程 可见,双壁波纹管的单位变形荷载较单壁波 度对波纹管的抗外压能力也有影响,围填土越密 纹管高出1.8倍。说明双壁波纹管较单壁波纹管 实,对增加波纹管的抗外压能力的作用就越大。 有更优良的受力特性。 2.2 PVC管材水力学参数试验结果 (2)有侧限板状荷载试验结果及其分析 单、双壁波纹管在不同底坡、不同流量下3个 ①压力P与变形量△的关系 由图4中的 测深断面的水探及相应的堰上水头等有关数据测 户~△关系曲线可以看出,试件受力后的变形特 定结果列于表3中。利用表3所测的资料可以计 性与平行板状荷载条件下的变形特征相似。不同 算出波纹塑料管在非满管均匀流动状态下的流 之处在于曲线靠近p坐标轴,说明在同样变形量 速、流速系数,进而求得管材的糙率及阻力系数等 下,试件在侧限条件下加压,需要的压力较无侧限 水力参数。水力计算结果见表4。从表4试验结 更大些,llP@!U限条件下,波纹塑料管的抗外压能力 果可以看出,单壁波纹管的糙率 和阻力系数 较无侧限大。 分 0为0.010和0.032,双壁波纹管的糙率 和 ⑦围填土对波纹管抗外压力的作用 利用 阻力系数 分别为0.007和0.01 6 可见双壁波 图4中的两条曲线的直线段,求其直线的斜率,即 纹管的水力学性能较单壁波纹管优越。 可确定出两种波纹管在侧限条件下试件承载力的 差异。设单壁管的户~△关系曲线的直线段与△ 3结论与讨论 坐标轴的夹角为 ,双壁管的夹角为 。用两 (1)通过平行板状荷载试验得出管材无侧限 点法求得两条直线的斜率,即“单位变形荷载”。 极限荷载值,单壁波纹管为3O N/cm,双壁波纹管 本试验条件下,单、双壁波纹管的“单位变形荷载” 为7O N/cm。通过有侧限板状荷载试验得出管材 为: 有侧限极限荷载值,单壁波纹管为40 N/cm,双壁 单壁管P。 =tg =(30—20)÷(2.11 波纹管为80 N/cm。两种类型试验均说明PVC —1.44)一14.9(N/(cm・ram)) 双壁波纹管的力学性能比单壁波纹管的优越。 双壁管P 2一tg, 一(40—20)--)-(0.43— (2)PVC单壁管的糙率 为0.010,阻力系数 0.24)一105.3(N/(Cll1.・ram)) 为0.032;双壁管的糙率n为0.007,阻力系数 可见.在侧限条件下,双壁波纹管的单位变形 为0.01 6。试验表明PVC双壁管的水力学性能 荷载远比单壁波纹管的大。 比单壁管的优越。 ③侧限条件下波纹管的极限荷载: 从户~ (3)周围填土(视为侧限)和增加填土的密实 △关系曲线特性分析有侧限条件下波纹管的极限 度在一定程度上能提高塑料管的抗外压能力。由 荷载,可取曲线与直线的转折点处相应的荷载值。 于有侧限板状荷载试验与暗管在地下实际受力条 本试验条件下,单、双壁波纹管的极限荷载分别为 件相似,建议按有侧限板状荷载试验结果评价暗 4ON/era和80N/cm。 管的抗外压能力。 (3)有无侧限对单、双壁波纹管“单位变形荷 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 束建强等:PVC单、双壁波纹塑料管用作农田捧水暗臂比较研究 145 单壁臂0.016 0.042 5 0.012 0.013 0.013 0.013 0.O51 0 0.018 0.018 0.018 0.018 0.057 4 0.O23 0.023 0.023 0.023 0.O18 0.0471 0.015 0.015 0.015 0.01 5 0.056 3 0.020 0.020 0.020 0.020 0.060 4 0.O23 0.023 0.023 0.023 0.024 0.028 4 0.006 0.006 0.O06 0.O06 0.044 5 0 O12 0 O12 0.012 0.012 0.058 0 0.020 0.022 0.022 0.022 双壁臂0.018 0.050 0 0.014 0.014 0.Ol4 0.014 0.057 0 0 O17 0.O17 0.017 0.017 0.062 0 0.022 0.022 0.O22 0.022 0.020 0.048 6 0.012 0.012 0.012 0 O12 O.062 O 0.020 0.019 0.019 0.019 0.068 8 0.024 0.023 0.023 0.023 0.022 0.052 4 0.O14 0.014 0.014 0.014 0.063 8 0.02l 0.020 0.020 0.020 0.071 0 0.022 0.023 0.023 0.023 单壁臂0.016 0.013 0.000 438 0.000 305 0.69 47.3 0.0i0 0.035 0.018 0.000 669 0.000 482 0.72 49.3 0.010 0.032 0.023 0.000 907 0.000 847 0.71 48.6 0.010 0.033 0.O18 0.O15 0.000 506 0.000 395 0.78 50.7 0.010 0.031 0.020 0.000 758 0.000 617 0.81 52.6 0.O09 0.028 0.023 0.000 99'7 0.000 752 0.83 53.9 0.O09 0.027 O.024 0.006 0.000 131 0.000 111 0.85 47.8 0.0i0 0.034 0.012 0.000 388 0.000 343 0.88 49.4 0.010 0.032 0.022 0.000 768 0.000 664 0.86 48.3 0.0i0 0.034 X 0.010 0.032 双壁瞥 O.018 0.014 0.000 449 0.000 458 L O2 66.2 0.O07 0.018 0.O17 0.000 622 0.000 636 L O2 66 2 0.O07 0.018 0.O2L 0,000 768 0.000 785 1 O2 66.2 0.007 0.018 0.020 0 O12 0.000 388 0.000 427 1.10 67.5 0.O07 0 017 0.019 0.000 767 0.000 785 1.17 71.8 0.007 0.O1 5 0.023 0.000 907 0.O01 020 1_ll 65.i 0.007 0.O16 0.022 0.014 0.000 449 0.000 530 1.18 69.0 0.007 0.016 0.020 0.000 702 0.000 843 1.2O 70.2 0.007 0 O16 O.023 0.000 907 0.001 100 1.2l 70.8 0.007 0.016 0.007 0.O16 维普资讯 http://www.cqvip.com

湖北农学院学报 2002疰 (4)笔者通过调查,就用作农田排水暗管的小 波纹管相比,双壁波纹管的不足之处是不能盘曲, 口径(50 ̄63 ram)双壁波纹管而言,其价格与单 因此,对目前国外用于农田暗管施工的集开淘、铺 壁波纹管处于同一水平(4.0~5.5元/m),因此 管、回填滤料于一体的机械来说,使用上不太方 价格不会成为双壁波纹管取代单壁波纹管作为农 便。 田地下排水暗管的主要因素。和同质的单壁 参考文献: [1]熹高巍,樊志升.内光外避鲑兢壁聚氯乙烯管的应用研究[刀.灌溉排水,1989 8( ):8~15 [2] 叶填田.水力学与桥涵水文学[M].北亭:人民变通出版社,i998.85~l23. Comparative Study of Single and Double Partition PVC Wave Veins Plastic Pipe as a Conduit for Farmland Drainage ZHU Jian-qiang ,OU Guang—hua ,WANG Ji—ke。 (1.Hubei Provincial Engineering and Technology Research Center for Waterlogged Land Development,]ingzhou,Hubei 434025,China;2.Hydraulic and Architectural Engineering College, North Western Sci-Tech University of Agriculture and Forestry,Yangling,Shaanxi 712100,China) Al ̄tract:Through tests on the mechanic properties and hydraulic properties in laboratory,the rel— evant characters of single and double partition PVC wave veins plastic pipe were compared.The re— suits showed that the mechanic properties and hydraulic properties of double partition PVC wave veins plastic pipe were superior to those of single partition PVC wave veins plastic pipe.Therefore double partition PVC wave reins plastic pipe is better as a conduit for farmland drainage Key words:conduit for farmland drainage;double partition PVC wave veins plastic pipe;mechanic properties;hydraulic properties 

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