Applicability of pipeline materials under specific complex geological conditions

При реализации ирригационных проектов сложные геологические условия, такие как большой перепад высот в горных районах, распределение скальных пород, слабые грунтовые основания и высокая коррозионная активность почв в некоторых районах, создают трудности при выборе материалов для оросительных трубопроводов. Различные материалы для оросительных трубопроводов обладают своими особенностями, которые определяют их применимость в конкретных сложных геологических условиях. Изучение применимости различных материалов для оросительных трубопроводов в конкретных сложных геологических условиях имеет большое значение для обеспечения долгосрочной стабильной работы оросительной системы, снижения затрат на проектирование и повышения эффективности использования водных ресурсов.

Анализ характеристик материалов распространенных ирригационных трубопроводов

1. Трубы из поливинилхлорида (ПВХ)

• Физические свойства: трубы из ПВХ обладают хорошей коррозионной стойкостью и способны противостоять эрозии, вызываемой различными химическими веществами. Гладкая внутренняя стенка обеспечивает низкое сопротивление потоку воды и эффективно снижает потери напора. Например, в некоторых регионах с определенным уровнем pH трубы из ПВХ могут сохранять стабильные эксплуатационные характеристики.

• Механические свойства: умеренная прочность, способность выдерживать определенное внутреннее давление и внешнюю нагрузку. Однако при низких температурах трубы становятся хрупкими, снижается их прочность и они легко ломаются. В холодных северных районах зимой, если вода в трубе не сливается вовремя, она может разорваться из-за расширения при замерзании.

• Стоимостные характеристики: относительно низкая цена, простота монтажа, различные способы соединения, такие как клеевое соединение, соединение с помощью резиновых колец и т. д., могут снизить затраты на строительство. В некоторых проектах по водному хозяйству небольших сельскохозяйственных угодий трубы из ПВХ широко используются для снижения общей стоимости проекта. 

2. Полиэтиленовые (ПЭ) трубы

• Физические свойства: хорошая гибкость, адаптация к определённой степени деформации фундамента. Высокая химическая стойкость, устойчивость к большинству химических веществ. В некоторых районах с небольшой осадкой фундамента полиэтиленовые трубы благодаря своей гибкости могут снизить повреждения трубопровода, вызванные изменениями фундамента.

• Механические свойства: хорошая ударопрочность, выдерживают определённые внешние воздействия. Прочность увеличивается с увеличением плотности, поэтому полиэтиленовые трубы различной плотности подходят для ирригационных систем с различными требованиями к давлению.

• Стоимостные характеристики: отработанная технология производства и относительно низкая стоимость. Преимущество в плане экономической эффективности очевидно, особенно при использовании труб большого диаметра. Полиэтиленовые трубы часто используются для прокладки магистральных трубопроводов в некоторых крупномасштабных ирригационных проектах.

3. Композитная труба из сталепластика

• Физические свойства: Сочетают в себе высокую прочность стали и коррозионную стойкость пластика. Внутренний слой пластика предотвращает контакт воды со сталью, предотвращает её ржавление и гарантирует чистоту воды.

• Механические свойства: Высокая прочность и жёсткость, способность выдерживать большое внутреннее давление и большие внешние нагрузки. Подходит для случаев, когда к прочности трубопровода предъявляются высокие требования, например, при пересечении дорог, рек и других участков.

• Стоимостные характеристики: Из-за композитной конструкции цена относительно высока, а процесс монтажа относительно сложен. Для подключения и монтажа требуется профессиональное оборудование и специалисты, что увеличивает стоимость строительства.

4. Бетонная труба

• Физические свойства: Высокая прочность, длительный срок службы и возможность стабильной работы в течение длительного времени в суровых природных условиях. Как правило, подходит для постоянных ирригационных проектов с высокими требованиями к сроку службы трубопровода.

• Механические свойства: Высокая прочность на сжатие, выдерживает большое внешнее давление, например, боковое давление грунта. Однако бетонная труба имеет большой собственный вес и требует высокой несущей способности фундамента.

• Стоимостные характеристики: При крупномасштабном использовании и большом диаметре трубы стоимость относительно невысока. Однако для транспортировки и монтажа требуется крупногабаритное механическое оборудование, что увеличивает сложность и стоимость строительства. Бетонные трубы находят применение в районах с относительно ровным рельефом и высокими требованиями к прочности трубопровода, например, в ирригационных магистралях крупных фермерских хозяйств.

Влияние сложных геологических условий на применимость материалов для оросительных труб

1. Основание из мягкого грунта

• Трубы из ПВХ: Поскольку основание из мягкого грунта склонно к осадке, хрупкость труб из ПВХ может привести к их легкому разрушению при осадке фундамента. Хотя устойчивость труб можно повысить, укрепив фундамент, например, уложив песчаную подушку, в целом, их применение на основаниях из мягкого грунта относительно ограничено.

• Трубы из полиэтилена: Высокая гибкость труб даёт им определённые преимущества на основаниях из мягкого грунта. Они способны компенсировать неравномерную осадку фундамента, не разрушаясь. Однако слишком большая осадка может привести к чрезмерной деформации трубопровода и повлиять на водоподачу.

• Композитная труба из сталепластика: Она обладает высокой прочностью и способна выдерживать давление, возникающее при осадке основания из мягкого грунта. Однако её большой собственный вес может оказывать повышенное давление на основание из мягкого грунта, что ещё больше усугубляет осадку фундамента. Фундамент требует специальной подготовки, например, забивки свай, что увеличивает стоимость проекта. • Бетонная труба: имеет большой вес и требует высокой несущей способности для слабых грунтовых оснований. При использовании на слабых грунтовых основаниях необходимо провести достаточную подготовку фундамента, например, армирование свай глубинного смешивания, в противном случае труба с большой вероятностью разорвется из-за осадки фундамента. Как правило, не рекомендуется использовать бетонные трубы на слабых грунтовых основаниях, не прошедших полную подготовку.

2. Скальные породы

• ПВХ-труба: имеет относительно низкую твердость. При прокладке в скальных породах она легко царапается и прокалывается краями и углами скальных пород, что приводит к повреждению трубы. При прокладке в скальных породах требуется специальная подготовка траншеи, например, укладка песчаной подушки или использование защитного кожуха.

• Полиэтиленовая труба: также подвержена царапанию камнями. Однако ее гибкость может в определенной степени компенсировать локальное давление камней на трубу. При прокладке в скальных породах также необходимы защитные меры для продления срока службы трубы. • Композитная труба из сталепластика: Стальная часть обеспечивает более высокую прочность и лучше противостоит износу и выдавливанию горных пород. Применение в скальных породах относительно невелико. Однако при монтаже следует избегать повреждения внутреннего пластикового слоя в результате строительных работ, таких как сварка.

• Бетонная труба: Она обладает высокой прочностью на сжатие и хорошо выдерживает внешнее давление в скальных породах. Однако из-за сложности разработки скальных пород транспортировка и монтаж бетонных труб затруднены, что увеличивает стоимость строительства. При использовании в скальных породах необходимо комплексно учитывать условия строительства и факторы стоимости.

3. Зоны с сильной коррозионной активностью грунта

• Труба из ПВХ: Она обладает хорошей коррозионной стойкостью и может использоваться в условиях сильной коррозионной активности грунта. Не требуется дополнительных мер защиты от коррозии, что может снизить затраты на техническое обслуживание.

• Труба из полиэтилена: Она обладает высокой химической стойкостью и устойчива к эрозии, вызываемой сильной коррозионной активностью грунта. В таких зонах полиэтиленовая труба является одним из наиболее подходящих вариантов. • Композитная труба из сталепластика: Хотя внутренний слой пластика может предотвратить коррозию стали под воздействием воды, при отсутствии должной защиты внешнего слоя стали она может подвергнуться коррозии под воздействием коррозионных веществ, содержащихся в почве. Для стальной поверхности требуется специальная антикоррозионная обработка, например, нанесение антикоррозионного покрытия, что увеличивает стоимость и объем работ по обслуживанию.

• Бетонная труба: Как правило, бетонные трубы обладают определенной устойчивостью к коррозионным веществам, содержащимся в почве. Однако в почвах с высокой коррозионной активностью могут возникнуть такие проблемы, как карбонизация бетона и коррозия стальной арматуры, что влияет на срок службы трубы. Требуется специальная антикоррозионная обработка бетона или антикоррозионное покрытие трубы.

Анализ ситуации

1. Проект горного орошения: Гора имеет значительную неровность рельефа и сложные геологические условия. Некоторые участки представляют собой скальные образования, а некоторые – мягкие грунтовые основания. На начальном этапе проекта в качестве материала для оросительных труб были выбраны трубы из ПВХ. В процессе укладки скальных образований было обнаружено, что большое количество труб было поцарапано камнями, что привело к утечке воды. Позже траншея была обработана песчаной подушкой, а некоторые трубы защищены обсадными трубами, но полностью избежать повреждений труб не удалось. В зоне мягкого грунтового основания некоторые трубы из ПВХ порвались из-за осадки фундамента. Впоследствии в зоне скальных образований были заменены композитные трубы из стали и пластика, в зоне мягкого грунтового основания – полиэтиленовые трубы, а в зоне мягкого грунтового основания было выполнено армирование песчаными сваями. После корректировки система орошения работала стабильно, а повреждения труб были значительно снижены.

2. Проект прибрежного солено-щелочного орошения: Почва в этой зоне обладает высокой коррозионной активностью. Изначально в качестве оросительных труб были выбраны обычные бетонные трубы. После определенного периода эксплуатации было обнаружено, что бетонные трубы обуглились, внутренние стальные прутки подверглись коррозии, а прочность труб снизилась. Впоследствии их заменили на трубы из ПВХ, что эффективно решило проблему коррозии труб и обеспечило нормальную работу ирригационной системы.

Существуют различия в применимости различных материалов для ирригационных труб в сложных геологических условиях. В мягких грунтах полиэтиленовые трубы обладают определенными преимуществами благодаря своей гибкости; в скальных породах относительно более гибкими являются композитные трубы из сталепластика; в районах с высокой коррозионной активностью предпочтительны трубы из ПВХ и полиэтилена. При реализации конкретных проектов необходимо в полной мере учитывать геологические условия, стоимость проекта, сложности строительства и другие факторы, а наиболее подходящие материалы для ирригационных труб следует выбирать после комплексной оценки, чтобы обеспечить долгосрочную и стабильную работу ирригационной системы, повысить эффективность использования водных ресурсов и способствовать устойчивому развитию сельскохозяйственного производства. В то же время, благодаря постоянному развитию материаловедения и инженерных технологий, ожидается, что в будущем появятся новые материалы для ирригационных труб, более подходящие для сложных геологических условий, что предоставит больше возможностей для реализации ирригационных проектов.