水利学报 2018年4月 SHUILIXUEBAO 第49卷第4期 文章编号 ：05599350(2018)04043907 地埋式自升起喷灌装置设计原理分析 谢崇宝，张国华，彭文启”，王伟杰” （1.中国淮派排水发展中心，北京100054：2.中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京100038） 摘要：地埋式自升起喷灌装置能够解决国定管道式喷淮妨碍耕作、影响收获和拆装费工等问题.
基于湿润土壤抗 剪强度降低的原理，系统分析了装置破土过程中所需克服的最大阻力和有效推动力，推导形成了多类型土壤条件 下的最小进水压强公式，研究了管径大小对破土的影响.
研究结果表明.
输水压强需达到0.7MPa才能保证无出 流的灌溉设备在类型土壤中实现破土，远大于喷淮的实际工作压力：设备顶部有出流的情况下，输水压 强仅需达到0.15MPa就可以顺利破土面出：当管径在0.01~0.09m范围变化时，破土所需的最小进水压强随着伸 缩管管径的增大面减小，当管径超过0.09m，破土所需的压强基本不变.
由此可知，本文针对地理式自升起喷雅 装置提出的设计原理分析方法，可为水力驱动自升降准设备的结构优化与设计提供依据.
关键调：地理式：自升起：一体化喷淮设备：设计原理分析 中图分类号：S275.5.TV93 文藏标识码：A dei; 10.13243/j.cnki.slsb.20170908 1概述 目前，美国、欧洲等发达国家和地区大多采用大型喷滥机和绞盘式喷灌机等既节约劳力、又有 利于规模化灌溉的喷灌技术，较少采用固定管道式喷灌这种影响农田机械化耕作和收割的灌溉方 式.
而在我国，固定管道式喷滥是推进高效节水淮溉发展的重点之一，因此解决其影响耕作、频繁 拆卸、仓储损耗等问题具有十分重要而又紧迫的现实意义.
园林绿化中常用的埋藏式喷头和大田中常用的摇臂式喷头，均不能直接接触土壤.
埋藏式喷 头，需要一个直达地表的保护管，将喷头安装在这个保护管内，防止外部土壤和杂物进人管内堵塞 喷头.
但若将其用于农田灌溉中，因种植农作物的土地需要季节性翻耕，这个保护管会对耕作活动 造成障碍，不利于农业机械化、规模化耕作.
摇臂式喷头，自身结构的限制只能安装在地面以上， 需要灌激时进行逐个安装，农作物收割前或土层翻耕时需要将其逐个拆卸并放回仓库中，不仅影响 耕作，而且工作强度和工作量巨大.
工作效率低.
用工成本高，不符合农业现代化的发展需求.
为此，作者基于理论和实践有机融合的设计理念，以不影响耕作为目标，以将喷头直接埋入土 中的方法来解决固定喷滥影响机械化耕作问题的设想，分析得出这种喷头不仅要能够实现喷酒而且 要具备破土功能的实际需求和设计思路，成功研发了地理式自升起喷灌装置”.
本文基于该设备实 际破土过程中的阻力和推动力分析.
重点研究地埋式自升起喷灌装置的顶出机理.
收弱日期：2017-07-04;网络出版日期：20180413 网络出版地址 : hbmp: /fkms.cnki.ne/kcms/detail/1.1882.TV.20180413.1431.005.htrml 基金项目：本利部技术示范项目（SF-201621）：中国水利水电科学研究院创新领军人才建设项目（环基本科研k1758） 作者简介：谢崇宝（1965-）.男，湖北人、博士，教授级高级工程师，主要从事节水雀技术与设备研究.
Emaill) xchb/263.net 通讯作者：张国华（1980-），男.
博土，教授级高级工程师，主要从事节水灌溪技术与设备研究：E-mail：zgh3111330163. 439 - ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House. A1l rights reserved. .cnki.net
2地理式自升起喷灌装置受力结构分析 地埋式自升起喷灌装置要同时具备破土和喷酒功能，必须在结构设计上寻求技术突破.
图1为地 埋式自升起喷灌装置的核心部件图，侧端出水口实现喷酒功能，顶端出水口实现破土功能，从而实 现一种设备“地下为钻头、地上为喷头“的双重功能且能够自动切换.
本文重点研究装置的破土机 理，有关喷头的结构优化与水力设计参数问题，将另文研究.
出1 出办 0 进水日 图1喷头模型 地理式自升起喷滥装置依托内部水压形成向上破土推动力，同时受到理深（即地埋设备顶部在耕 作土壤中的深度）土的自重力、土体对管道侧壁的摩擦力以及土体抵抗剪切破坏的3种力的作用.
地 埋设备向上破土受力如图2所示.
建立坐标系：以套管上沿为基准，设定==0，即伸缩管向上顶土的 起始位置，图中为伸缩管顶土高度为=时的示意图.
设地埋装置在耕作土壤中的埋深为h=0.4m，伸缩 耕作土壤深度 土重力G A=40cm 剪切力7 ; = y (6 2 ]a =K)(hz) 摩擦力 =Kyb 推动力 外部 &管 图2地埋式自升起喷淮装置顶土过程受力分析 2.1有效推动力破土有效推动力W推导如下：系统底部的输水压强P.
，喷头出水面损失的压强即 管内局部损失P.
伸缩管内水柱的压强P三者相减即为作用在伸缩管顶部的有效压强，再乘以伸缩 管的截面积S，得到伸缩管道的向上推力.
设定伸缩管自身的重量为G，最终得到破土的有效推动 力W为 440- ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing Housc. A1l rights rescrved. .cnki.net
W=S (P.
-P -P)- G (1) 根据局部损失室内实验分析测定，换算出不同工况条件下水平喷头处的实际顶推压强，以及压 强损失量P，如表1所示.
表1不同进口流量压力下装置的有效压强换算 进口压力P/MPa 顶推力/N 顶管处有效压强(P-P)/MPa 压强损失P/MPa 0.20 217.782 0.11 0.09 0.19 221.706 0.11 0.08 0.18 217.782 0.11 200 0.16 127.530 0.06 0.10 0.12 112.815 0.06 0.06 由最优线性拟合可以得到有效压强P.
-P 与进口压强P的关系式为（单位Pa) (P.
- P )= 0.7931 × P.
- 43398 (2) 从装置底部到伸缩管顶部的高度约为1.3m，则水柱最大高度为1.3m，则伸缩管水柱的压强P= 12740Pa，式（1）可表示为： W= S [(0.7931 × P.
- 43398) P ] G (3) 2.2重力在垂向方向土的自重应力为： =（h-=) (4) 由式（4）可知随着埋深越大，土的自重应力越大，o 为土的自重应力（N/m²）.y为土的容重（N/ m）.则管道在破土过程中（0≤：≤h）所受到土体重力作用为： s（=-q）=9 (5) 伸缩管道在最底部（即：=0处）受到土体最大重力，其表达式为： Gan = =yhad² (6) 2.3摩擦力在破土过程中，由于土体侧向压力的存在，管道侧壁与土体产生相对滑动时，将会受 到土体对其的摩擦阻力作用.
首先分析伸缩管道受到的侧向应力，从图1可以看出，随着埋深越大，侧向应力也随之越大，伸 缩管道顶部：处的侧向应力为： α =Ky(h-) (7) x=0处的侧向应力为： α =Kyh (8) 式中：o 为侧向应力，N/m²；K为土的侧向应力系数.
如图1的右侧受力分析所示，侧向应力呈线性 分布，可得伸缩管道受到的平均应力为： Ky（2h-=） (9) 则伸缩管道受到的压力N为： N=sKy（2h-=) (10) 根据摩擦定理，破土过程中（0≤：≤h）管道受到的摩擦力N为： (11) 当伸缩管刚开始顶出地面（即：=h），管道受到最大的侧向应力，即受到最大摩擦力F为： f=xduKyh² (12) 2.4剪切力在伸缩管工作的过程中，土体被逐层剪切破坏.
根据摩尔-库伦破坏准则，对于黏性土 441 - ?1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing Housc. All rights rcserved..cnki.nct
壤，抗剪强度公式为： uo /= (13) 式中：r 为土壤的抗剪强度：c为土壤的黏聚力：a为滑动面上的法向应力；为土壤的内摩擦角.
即为抗剪强度线的倾角.
对伸缩管顶部土体进行受力分析，如图3所示，侧向应力为α，，垂向应力为土重力加上顶管对土 体施加的力a.
dy，根据应力圆与土体抗剪强度公式的关系，可得将土体剪切破坏所需要满足的关 系式为： 0.a =o an²） （42） （42） (14) 由于最初破土阶段所需的剪切力是最大的，故o和a取埋深h=40cm处的土重力和侧向应力.
图3未浸润土体在钟第管作用下的受力图 则将土进行剪切破坏所需的最大剪切力为： T...=o (15) 2.5阻力合力为了简便起见，要实现滥溉设备的破土过程，需克服土体最大重力G、最大摩擦力 f以及最大的土体剪切破坏力T、即： (16) 考虑有不确定因素存在，例如灌溉设备中内外套管之间存在的摩擦阻力等，为保证管道可以顺利 破土面出，设定阻力余量系数为β=1.05，可得破土所需克服的最小阻力F为 F =β (G T) (17) 3地埋式自升起喷灌装置顶出分析 3.1最小进水压强计算公式破土所需要的条件为破土推动力大于或等于其受到的阻力，即 W ≥ Fn (18) 将式（3）代入上式，即可得到系统输人压强要满足的条件，而的动力均来源于管道输水压力： {F G P≥ P_ 43398 1060/ (19) 故最小的输水压强为： Poms F G P43398 /0.7931 S) (20) 实际情况中的耕种土壤有多种类型，或是多种土壤类型的混合.
为了理论分析，这里选用均匀松 砂、均匀紧砂、有机质软黏土以及压实情况下的有机质软黏土为研究对象，分析推求不同类型土壤对 滥溉装置的阻力.
以及破土所需的最小输水压强.
3.2无出流的顶管破土所需最小进水压强为了研究顶管出流对地理式自升起喷滥装置破土能力的 影响，本文计算了顶管不出流工况下的最小进水压强，计算结果见表1.
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由于顶管顶部土体未被浸润，故土体的重度选用干重度：摩擦力系数取0.5；对于砂土的侧向应 力系数取0.3-0.5，对于黏土的侧向应力系数取0.5-1.0.面压实状态的黏土取0.5-3.0：砂土的黏 聚力为零，黏土的黏聚力取20-60kPa，砂土的内摩擦角取36°-45°，黏土的内摩擦角取30°- 45°，另外顶管自重为20N.
综合考虑各种因素的影响，各参数取值如表2所示.
表2无出流的管道破土所需的最小进水压强计算 土的种类 均匀松砂 均匀紧砂 有机土 压实有机黏土 土重度yx(N/m) 14994 14994 17738 10388 10388 10388 10388 侧向应力系数区 0.3 0.5 0.3 0.5 0.5 1.0 0.5 3.0 摩擦力系数 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 黏聚力c/Pa 0.00 0.00 0.00 0.00 20000 60000 20000 60000 土体内摩擦角( 36 45 36 45 30 45 30 45 土体最大重力G_/N 11.08 11.08 61 13.39 7.16 7.16 7.16 7.16 最大摩擦力f_/N 26.60 44.33 32.14 28.63 57.26 9 最大剪切力T_/N 1.72 21.22 2.08 25.64 139.61 603.40 196E1 8'989 需克服的合力F/N 41.38 80.47 50.00 97.23 184.17 701.21 184.17 909.08 重力所占百分比/% 28 14 28 14 4 1 4 1 摩擦力所占百分比/% 68 58 68 58 16 9 16 20 剪切力所占百分比/% 4 28 4 28 80 90 80 79 破土需蔡的量小进水压强/MPa 0.110 0.135 0.116 0.146 0.202 0.534 0.202 0.667 根据表2，采用式（17）计算可得，在均匀松砂情况下，破土所需要的阻力最小，为41.38N；面 在压实情况下的有机黏土（极端情况），破土所需要的力最大，为909.08N.
对于均匀松砂，破土所需 要的最小进水压强为0.11MPa，对压实的有机黏土情况下，破土所需要的输水压强竞然高达0.667 0.7MPa，远高出喷灌实际工作压力.
并且从上表中可以看出，从松砂到紧砂，从一般有机黏土到压 实的有机黏土，剪切力所占的百分比逐步增加；对于有机黏土而言，剪切力占合力79%～90%，说 明要在黏土中实现破土面出，主要需要克服土体的剪切力.
3.3有出流的顶管破土所需最小进水压强针对地埋设备的有出流的伸缩管，由于破土过程中土体 在水流的作用下逐渐丧失黏聚力”，所以破土所需要的水压相比传统顶管会大幅减小.
对于黏性土 壤，地理设备破土过程中的喷水，使得土体的黏聚力随着含水量的增加而迅速减小，砂土的黏聚 力为零，为计算方便，土壤的黏聚力取15kPa-，则根据式（15）可得将土进行剪切破坏所需的剪切 力为58.9N.
对于土体重度，由于顶管出流将使其周围的土体趋于饱和，而远离顶管的土体受其影响较小， 所以这里采用80%的干重度加上20%的饱和重度作为破土过程中土体的综合重度.
对于摩察系数.
试验研究表明，不同类型、不同含水量状态下的土壤对不同材料间的摩擦系数有着显著差异，地理 设备的材质为超高分子量聚乙烯，其摩擦系数介于0.3-0.5之间.
对于侧向应力系数，由于土体含水 量在顶管出流的作用下迅速增加，土体接近饱和液化，侧向应力系数也会比通常情况小，这里采用 0.1-0.2，对于压实有机黏土的侧向应力系数最大取到0.4；另外顶管自重为20N.
综合考虑各种因 素的影响，各参数取值如表3所示.
根据表3，采用式（17）计算可得，在均匀松砂情况下，破土所需要的力最小，为18.3N；而在压 实情况下的有机黏土（极端情况），破土所需要的力最大，为97.82N.
从表2中可以看出：对于均匀 松砂，破土所需要的最小进水压强为0.095MPa，对压实的有机黏土情况下，即地理设备破土最为不 利的状态，当输水压强达到0.146MPa时，该地埋设备可以联利破土而出，达到正常工作状态.
也就 是，在最不利的土壤条件下，只要灌溉输水压强达到0.15MPa以上即可满足地理式自升降高效节水 灌溉设备的正常工作.
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