地下暗管排水系统
在田间工程中采用明沟排水，开挖工程量大，而且存在易坍、易淤、易生杂草等问题。特别是在土质比较黏重地区，为了满足降低地下水位、控制土壤适宜水分状况和高产稳产要求，如缩小排水沟间距，则势必增加占地面积，严重影响机耕。因此，地下排水暗管（沟）在我国南北方地区有不同程度的发展。目前全国暗管排水面积约90万亩，鼠道排水面积为60万亩。为适应暗管排水技术的发展，我国已初步研制成大、中、小型开沟铺管机和波纹塑料管、水泥土管、机制瓦管等多种管材和相应的施工机械，为机械化施工提供了条件。近代世界各国已广泛采用暗管排水，有的暗管排水面积已占排水总面积的70%以上。采用地下水排水系统已成为当前一种发展趋势。暗管排水可减少占用耕地，提高土地利用率，增大明沟控制面积，有利机械耕作，无坍塌和长草等问题，易于管理，节省劳力，土方工程量少，便于机械化施工。暗管排水虽有工程造价高，一次性投资大等缺点，但随着我国国民经济和农业生产的发展，暗管排水建设将会有广阔的前景。
图7-17 易旱易涝地区田间渠系布置示意图
以下对暗管排水系统的组成和布置，管道的设计和施工等问题分别进行论述。
（一）暗管排水系统的组成和布置
1.暗管排水系统的组成
暗管排水系统一般由吸水管、集水管（沟）、检查井、集水井等几部分组成。
（1）吸水管。它是埋设于田间，直接由进水孔或接缝吸收和接受土壤中多余水分的管道。
（2）集水管（沟）。用于汇集吸水管集水并输送至下一级排水沟道的暗管或明沟。在吸水管进入集水沟处应设有出口建筑物，防止水流冲刷集水沟，并在集水沟高水位时防止杂物或泥土进入暗管造成出口堵塞。
（3）检查井。当暗管系统由多级暗管组成时，设置在吸水管与集水管相交处，用于冲沙、清淤、控制水流和管道检修的竖井。
（4）集水井。当集水管出口处的外水位较高，集水不能自流排出时，需设置集水井汇集集水管的来水，由水泵排至下一级排水沟中。
在骨干排水系统可能出现高水位，集水不能自流外排时，在集水沟出口处还应设置小型泵站，扬水排出。在水旱轮作地区为了减少水田渗漏应对吸水管和集水管（沟）中水位进行控制。在旱作物生长季节有可能出现干旱时段，为了防止土壤含水率过低，应进行有控制地排水或间歇性地提高水位以进行浸润灌溉。在这种情况下，在田间排水系统中还应有控制建筑物，根据作物生长需要，对水流进行调控。
2.暗管排水系统布置的基本形式
（1）吸水管与集水管（沟）呈直角正交连接。如图7-18（a）所示，这种布置形式广泛适用于地势平坦、田块规整的平原湖区和土地平整良好的山丘冲垄地区。若排水地段土质均匀，排水要求大体一致，则吸水管一般可等距布置。
（2）吸水管与集水管（沟）呈锐角斜交连接。如图7-18（b）所示，集水管沿洼地或山冲的轴线布置，吸水管与集水沟保持一定的交角，使吸水管获得适宜的纵坡。这种布置适用于地形比较开阔，冲谷两侧坡度比较一致的山丘地区。
图7-18 暗管排水系统布置形式图
（3）排水系统不规则布置形式。如图7-18（c）所示，在渍害田面积较小，且孤立分布，或有分散的泉水溢出点，需局部进行排水时，则需要根据地形、水文地质和土壤条件布置暗管，不要求形成等距和规则的排水系统。
在农田附近有河流、渠道、湖泊或平原水库的地方，为了减少渗漏水对农田侧向补给，需平行于上述水体布设截流暗管。在农田上游地下水的逸出带，为了降低地下水位也需要布置截渗暗管。
根据暗管系统的组成，可分为单级暗管排水和多级暗管排水两种。单级暗管排水仅在田间一级采用吸水暗管，集水则采用明沟，如图7-19所示，我国南方平原湖区现有沟渠水网较密，大多采用此种形式。一些地区目前田块一般宽12～30m，长80～100m，每个田块布设1～2条暗管，大的田块有时可布设三条暗管。这种形式具有布置简单、施工容易，投资较少、便于检查和清理的优点。缺点是出口众多，易于损坏。多级暗管排水系统则是除吸水管外，还有1～2级以上的集水暗管，如图7-19（a）所示。这种系统又称为组合系统。组合系统明沟的长度大为减少，进一步节省了耕地，有利于机耕，节省了明沟的养护维修费用。组合系统某些管段发生堵塞，其影响范围较大，且不便检查与维修，投资也高于单级布置。多级暗管排水系统一般要求较大的坡降，暗管出口需有较大的埋深或需修泵站抽排。
图7-19 田间排水暗管布置
按集水管接纳吸水管汇流的方式，暗管排水系统的布置可分为单向布置和双向布置。采用单向布置时集水管只接纳一侧吸水管的来水。在地面坡度较大，或受田块及其他条件限制时采用这种形式。双向布置则是一条集水管（沟）汇集两侧吸水管的来水，这种布置可以扩大集水管控制面积，减少集水管的条数，在地势平坦的平原地区多采用这种形式。
（二）暗管排水系统的设计
暗管的设计包括暗管深度和间距的确定，管材和外包材料的选择，管径和坡降的确定等。田间末级排水管（沟）深度和间距的确定已在前面进行了介绍，以下仅对暗管设计的其他问题进行论述。
1.暗管的管材
国内外常用的暗管材料分为当地材料管和塑料管两大类。目前我国使用的以当地材料管为主，近年来塑料管有一定的发展。
（1）当地材料管材。
1）瓦管。瓦管是一种古老的当地材料暗管，我国河南省济源县的合瓦暗管由三片瓦拼合而成。历史上保留下来的合瓦暗管已使用了千年以上，至今仍完整无缺，排水效果良好。瓦管取材方便，制作工艺简单，耐磨蚀性强，抗压强度大，其寿命较长，是一种较好的刚性管材。我国目前使用的瓦管断面有圆形、外方内圆形和马蹄形等几种，从铺设稳定性看，后者优于前者。瓦管每节长为25～33cm。内径多为60～100mm，管壁厚15～20mm。管壁一般不开孔，利用管节间的接缝进水。为了减少进水阻力，要求管端光滑，管身平直。接缝宽度，与暗管进水量的多少有关。缝隙过大，易发生管涌；缝隙过小，进水量不能达到设计要求。每米管长的缝隙进水面积视管节长度、管长和接缝宽度而定。例如，瓦管长度为30cm，内径60mm时，接缝宽度以3mm左右为宜。
2）石屑水泥管。这种暗管是利用采石场废弃的石屑作骨料与水泥配合制作而成的，有时亦称碎石水泥管。在湖北、江苏等地得到了比较广泛的应用。经筛分分析，石屑的不均匀系数为13～10，粒径大于2mm的颗粒占石屑总重量的40%以上。各地采用的水泥与石屑的配比为1∶5.5～1∶9。目前各地采用的石屑水泥管规格有圆形（机械制作）和外方内圆形（手工制作）两种。一般每节管长33cm，内径60mm，壁厚10mm。由于石屑水泥管管壁充满透水孔隙，具有良好的排水性能。
3）水泥土管。水泥土管是一种用水泥与砂土掺水混合，经挤压凝结而成型的管材。适用于缺乏砂、石料而土料丰富的平原地区。水泥土以土中砂粒为骨架，粉粒充填，黏粒胶结，而水泥则是主要的胶凝材料，起着胶结硬化的作用，因此，水泥标号、用量、土料级配、水泥土管成型密实度和干湿状态等是影响管材强度的控制因素。根据各地经验水泥土管中水泥的用量应占干料总重量的4%～10%，用砂量占30%～70%，土的用量为30%～60%。水泥土管的规格与石屑水泥管相同。
4）其他管材。常用的当地材料管材还有由粉煤灰与石灰和石膏或与水泥、砂子配合而制成的粉煤灰管，用作大孔径集水管的混凝土管，管壁透水的多孔水泥滤水管，竹管和柳枝管等。在石料资源丰富的山丘冲垄田改造中有时采用由石料砌成的暗沟排水。在平原湖区作为临时性的排水措施有时采用特别的狭长土锹，开挖窄深的沟槽，上面盖以留有稻草茬的硬土；夯实形成地下土暗沟。在南方长期种植水稻地区，地面以下20cm处形成5cm厚的透水性差的质密层，一些地区采用特别的犁刀划破犁底层形成缝隙，称为土线沟。
（2）塑料管。塑料管具有重量轻、耐磨蚀、易于搬运和铺设，且联结简便等特点，目前在国外已得到广泛采用。塑料管多由聚乙烯（PE-Polyethylene）和聚氯乙烯（PVC-Polyvinyl Chloride）材料制成，后者由于抗压强度大，且造价较低，应用更为普遍。塑料管材耐久性强，但在强阳光紫外线曝晒下易于损坏。聚氯乙烯在冻结温度下易变脆而破裂。
塑料管按外形分有光滑管、波纹管和塑料片等3种。目前应用最多的为波纹管。波纹管有平行环状、单螺纹和双螺纹3种。波纹管由于水流糙率n值的增大（由0.002增至0.014～0.016），在通过相同流量时管径须增大20%。但因光滑管厚度大，在相同输水能力的情况下，波纹管与光滑管的每米造价几乎是相等的。
为了便于排水在波纹管的波谷内打有进水孔（缝），进水孔在管壁周长均匀分布，开孔面积每米管长不少于800mm2。
我国自70年代末已先后研制出环状波纹管和双螺旋形波纹管。规格有内径55mm和70mm两种，壁厚分别为0.4～0.5mm，波纹深2.6mm和3mm，纹距6.35mm，每米管长进水孔面积3300mm2。虽然塑料管具有多种优点，但由于其价格较高，在我国尚未普遍采用。目前只在一些经济条件较好的地区应用或在小面积试区铺设。
2.管材的选择
管材的选择应坚持因地制宜、就地取材、技术可行、经济实用的原则。管材的技术性能包括化学性能和物理性能两个方面。在化学性能方面管材应耐酸碱、耐腐蚀；在物理性能方面则应满足一定抗压强度和透水性能的要求。在符合技术性能要求规定的前提下，管材的选用主要决定于价格比较和是否符合就地取材的原则。
由于在水流通过有限的进水孔或管间缝隙进入暗管，因而产生一定的水头损失，这一损失的大小决定于进水面积的大小。为了比较各种管材的透水性能，一般可用决定水头损失的阻力系数α表征：
式中 he——进水水头损失，m；
α——阻力系数，无因次；
Q——进入暗管的单位管长流量，m3/（m·d）；
k——暗管外包材料的导水率，m/d。
α的变化范围为：
瓦管和混凝土管 α=0.4～2.0
光滑塑料管α=0.4～0.6
波纹管α=0.05～0.1
阻力系数α值是选用管材和外包材料的重要指标。
当地材料管价格比较低廉，是目前各地采用的主要管材。在有丰富石料资源的平原地区，大都选用石屑水泥管。石料缺乏的地区，有的采用水泥土管。邻近电厂的地区常使用粉煤灰管，山丘区常用竹管、砌石暗沟等。瓦管则是平原区和山丘区均可采用的通用管材。塑料管的重量轻，运输方便，铺设质量对排水性能影响小，便于机械施工。虽然造价较高，但随着国民经济的发展将具有广阔的应用前景。
3.暗管的外包滤料(https://www.daowen.com)
外包滤料指包裹或充填在排水暗管周围的材料，它的作用是阻止土壤颗粒进入暗管，以避免沉淀和暗管阻塞，稳定暗管周围的土壤，改善暗管通道的渗水能力，以提高暗管的排水功能。充填在暗管周围，主要用于防止土壤中的细颗粒进入暗管的外包层，一般称为滤层；主要用于改善暗管的渗透性能而放置在暗管上部或周围的外包层，称为裹层。
用作外包滤料的材料，一般有有机材料，无机材料和合成材料等三大类。有机材料多采用农业生产的副产品，如稻草、稻壳、麦秸、棕皮、椰衣、芦苇、锯末等，我国应用较多的为稻草，日本应用较多的为稻壳。这类材料可就地取材，价格低廉，因此，应用比较普遍。稻草在埋管初期可以有效地阻止细颗粒土壤进入暗管，虽经一定时期（如2～3年）会腐烂，但此时已形成稳定的滤水层，可保证暗管正常的排水功能。无机材料包括砂、碎石、贝壳等，这些材料耐久性极好，只要级配得当，它适合于各种暗管的透水防砂要求，但它有重量大、用量多、运输和施工不便，且投资较高等缺点。合成材料主要是化纤制品，有粒状、片状和碎屑状等多种，但应用较多的有合成纤维丝和编织物、聚氯乙烯、聚苯乙烯等碎屑。近年来一些国家采用塑料网或无纺布作为外包滤料，取得良好效果，但我国合成外包材料的使用尚不普遍。外包滤料的选择，应以取材容易，价格便宜，施工方便为原则，并应符合耐酸碱、不易腐烂，不污染环境的要求。
4.暗管管径和坡降的确定
暗管管径的大小应保证在无压流的情况下排除设计的排水流量，田间吸水管在仅承担排除地下水的情况下可以采用较小的管径。根据我国各地经验在采用当地材料管（如瓦管、石屑水泥管、水泥土管等）时，其内径为50～100mm，塑料管内径为50mm和75mm。管径的大小可以根据经验选定，也可以通过计算确定。
一条暗管在排水时是在其全长上进水的，所以在上游端其过水流量Q=0，在距上游端x处的流量为Q=qBx/1000m3/d，在下游出口处逐渐增加为Q=qBL/1000m3/d。式中q为排水系数（或排水模数），以mm/d计，B为管线排水面积的宽度，L为排水管线的长度。由于暗管的类型不同，在选取暗管设计流量时常遵循两种不同的原则：
（1）输水原则。即认为在暗管全长上均以同一流量满管输水（按均匀流设计），水力坡度线位于暗管断面的顶部。由于在管的首端流量为0，仅在出口处满流，因而设计是不经济的。
（2）排水原则。即认为暗管流量沿程是变化的（按非均匀流设计），暗管首端流量为0，末端流量最大。在这种情况下，水力坡降自管的首端为0，逐渐增加至出口处达到最大。根据这种设计原则，可以采用较小管径，水力坡降线将高出管顶，使暗管承压，如图7-20所示，对排水形成不利影响。由于管道承压水头过大造成陶管接缝处土壤的冲刷，管道出口处淤塞以及土壤过湿影响牲畜和机械下田，为此，管道承压一般应限制在20cm以下，压力水位应限制在地面以下60cm。
图7-20 均匀流与非均匀流水力坡降线
考虑到经济管径和管道承压之间的矛盾，一般建议在设计吸水管时采用非均匀流，但将承压值限制在20cm以内。为了避免因主管承压而影响吸水管排水，主管的设计则采用均匀流。
排水暗管（吸水管）的设计最小坡降应满足不产生淤积的要求，管内径小于100mm时，一般采用1/300～1/600。大于100mm时可采用1/1000～1/2500。由于在暗管的下游或出口断面负荷最重（流量最大），在田面成凸或凹形坡度的地区，应采用暗管下游1/3段的地面坡降为设计坡降。
由于瓦管的接缝大、出口条件差、坡度过小以及回填质量差等原因，管内可能出现淤积，在设计管径时应当考虑留有安全余量。在设计时为了考虑可能的淤塞和暗管错位，最简便的办法是对设计流量乘以加大系数，在稳定土壤地区采用1.33，对易淤塞土壤则采用2.00。
采用均匀流设计时计算公式为
表7-9 排水管内糙率系数表
在管径为d时，上式可写成
在采用瓦管n=0.014时：
根据上式瓦管的管径可自曲线图7-21中实线查得。
图7-21 暗管管径计算曲线图
（引自Smedema和Rycroft农田排水）
均匀流 
非均匀流
采用非均匀流时，距上游端任一点x处的流量为
自式（7-33）得
将式（a）代入式（b）得
利用条件x=0，z=0，得
对式（c）进行积分得
引入平均水力坡降：
【例7-5】 暗管间距B=35m，管长L=200m，排水模数q=10mm/d，坡降采用i=0.1%，试比较采用瓦管和波纹塑料管按非均匀流和均匀流设计时要求的管径。
解 暗管出口流量为
（三）暗管的施工
暗管的施工包括暗管的定线和暗管的铺设两个方面。
1.定线
在暗管的首末两端用桩定出中心线位置，在暗管的长度较大时中间每隔20m加桩。测定各木桩顶高程，并将桩顶至沟槽底的开挖深度标注在相应的木桩上。
2.铺设暗管
暗管可以铺设在人工或机器开挖的沟槽中，也可以直接用机械埋设在土壤中而不需要先开挖沟槽。采用开沟埋管的方法进行施工时包括以下过程：①开挖沟槽；②铺设暗管和外包滤料；③回填沟槽。沟槽的开挖和暗管与外包滤料的埋放可由机械连续作业完成。在劳力较多，缺乏机械或排水面积较小的地区多采用人工埋管。利用机械开沟时可以采用人工埋管，也可用机械自动埋管。
开沟铺管机主要有链刀式和链斗式两种。在机器向前行驶过程中通过链刀或链斗同时旋转，挖成矩形沟槽。挖出的土壤由输运器输送至沟槽的一侧或两侧。管道则通过管箱铺设于沟底，然后填入滤料。
我国目前采用的国产暗管施工机具主要有1KP-100、1KP-150型开沟铺管机和1KM-100、1KM-180和1KM-250开沟埋管机。1KP-100和1KP-150开沟铺管机的配套动力分别为12马力（8.8k W）和35马力（25.7k W）的拖拉机，开沟深度为0.6～1.2m和1.2～1.5m，采用人工铺设瓦管和塑料管。1KM-100和1K-180开沟埋管机动力为50HP，开沟深度分别为1.0m和1.8m，可自动铺放波纹塑料管。1KM-250型开沟埋管机动力为55k W，开沟深1.6～2.5m，可用于人工铺放瓦管和自动埋放波纹塑料管。
自60年代末以来，国外开始采用无沟埋管机铺设暗管，其工作部件是带塑孔器和铺设管道斜槽的犁刀，利用这些部件将地面开出一条沟缝，同时向沟缝铺放暗管和滤料。施工过程中利用激光设备控制暗管坡降。在田块的边缘安放激光发射器，通过光束的旋转在田间形成一个选定坡度的参考平面，通过埋管机上的接收器将信息传送到控制系统。
暗管的机械施工应在地面有足够承托重型机械能力的较干旱季节进行。一般履带式埋管机要求的土壤承载力为20～30k Pa。
埋管后沟槽应用表土由人工或装在机械上的叶片推土机进行回填，高于地面的回填土用开沟机压实，以免水流通过未沉实的沟槽，造成土壤流失而淤塞集水管。