多功能蒸滲測坑一體化結構在泉州市灌溉試驗中心站的應用

曾少森

(泉州市山美灌區水資源調配中心，福建 泉州 362000)

1 引 言

灌溉試驗是水利建設與管理的一項重要基礎性工作。我國曾幾次規?；_展了灌溉試驗工作，建設試驗站蒸滲測坑、測筒試驗平臺，利用其平臺取得了一大批階段性成果，對一定時期的農田灌排工程建設、灌溉用水管理及農業生產發展起到了重要的促進作用。

蒸滲測坑、大型稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測筒是灌溉試驗站的試驗平臺建設中極其重要的一部分，其結構和形態各式各樣。蒸滲測坑屬于非稱重式蒸滲測坑，一般建設有20或24個2m×2.33m×3m的方形測坑，配套有模擬控制測坑地下水位的自動供排水裝置，大型稱重式蒸滲儀使用精密天平或稱重傳感器稱量15～20t的箱體測坑來獲取箱體重量，軌道式蒸滲測筒多半建設成10行4列共計40個測筒的測筒群，通過軌道式小車自動稱取每個測筒重量。

根據水利部對灌溉試驗的整體規劃布局，近五年內，國內各地試驗站開始升級改造原蒸滲測坑或建設新蒸滲測坑，應用新型技術提高觀測精度，提高整個蒸滲測坑的自動化能力，實現信息化目標。國內建設蒸滲測坑普遍采用分散式結構，非稱重式蒸滲測坑、稱重式蒸滲儀、蒸滲測筒各建設成1個獨立地下室，投入3次人力物力，3類不同人員建設3類獨立的觀測系統。隨著國內蒸滲測坑技術的發展、結構設計的成熟以及信息化的發展，采用更加適合泉州灌溉試驗站應用要求的一體化結構，提高蒸滲測坑試驗效率和蒸滲測坑信息化技術水平，為灌溉試驗蒸滲測坑信息化的開展奠定了基礎。

2 工程概況

泉州市灌溉試驗中心站(以下簡稱試驗站)是全國100個、福建省4個灌溉試驗重點站之一，是福建省的灌溉試驗中心站，水利部把試驗站納入了全國試驗站站網建設。試驗站基地對外交通十分方便，位于永春縣東北部的湖洋鎮；水利條件好，距龍門灘水庫(總庫容5251萬m3)直線距離為20km。

試驗站主要任務與功能是承擔水利部布置的農田水利常規試驗工作：收集整理灌溉農業基礎數據，定期匯總整編灌溉試驗資料上報，承擔水利部或高校協作研究任務和福建省設置的科研課題, 推廣節水灌溉新技術、作物灌溉科研成果的示范推廣工作。因工作需要試驗站內建設有水稻試區、旱作物試區、花卉試區、坡地試區、高效節水灌溉和水生態修復試驗區，配套蒸滲測坑試驗群、氣象園、需水量測坑和集水池；同時根據生產生活需要，布置主干道進站道路、機耕道連接道路和圍墻等附屬設施，項目總占地面積76.2畝。

泉州試驗站蒸滲測坑結構建設初期參考全國試驗站蒸滲測坑建設情況，計劃采用分散式結構建設，即在灌溉試驗站內東側并列開挖2個地下室分別建設大型稱重式蒸滲儀、蒸滲測坑及軌道式蒸滲測筒，同時建設獨立的數據采集系統。但在地質勘察過程中，發現試驗站東側有部分場地靠近河道，不適合開挖建設地下室，即無法將兩個地下室并列建設。勘測同時發現該地段一側屬于地勢低洼地段，2017年遇到了多年未遇的山洪，沖掉了防洪墻，若按照原設計參考全國灌溉試驗站分散式結構建設，若再次遭遇特大山洪，所投入的大量科研設備儀器會損壞，造成不必要的國家財產損失，而且山洪也威脅到正在試驗區做試驗的科研人員人身安全。綜上考慮，最終采用靠東面地勢高處“一字”形一體化結構。設計考慮試驗站蒸滲測坑一體化結構的防滲水平、防剪切浮力問題、防臺風因素及防洪水能力。對比原分散式結構，該一體化設計使蒸滲測坑試驗區占用農田面積更小，減少了開挖、回填、防滲工作量及資金投入。

3 一體化結構設計

蒸滲測坑、稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測筒一體化結構整體采用地下鋼筋混凝土結構(見圖1)，包括南側上下樓道、軌道式蒸滲測筒、測筒區與大型稱重式蒸滲儀連接縫、大型稱重式蒸滲儀控制室、大型稱重式蒸滲儀、蒸滲測坑、蒸滲測坑保護坑、蒸滲測坑觀測廊道、地下水位控制大廳、蒸滲測坑數據采集區電腦監控室、供水水箱、北側上下樓道、地下室通風口，其特征在于：所述一體化結構設計兩端均設置上下樓道(1、12)，從南側上下樓道1進入，通往軌道式蒸滲測筒(2)，經過軌道式蒸滲測筒與大型稱重式蒸滲儀連接縫(3)后，進入大型稱重式蒸滲儀試驗區，可看見大型稱重式蒸滲儀控制室(4)及大型稱重式蒸滲儀(5)；繼續往里，可見蒸滲測坑(6)、地下觀測廊道(8)、保護測坑(7)、地下水位控制大廳(9)及地下室通風口(13)，所述蒸滲測坑(6)和蒸滲測坑保護坑(7)布置于地下觀測廊道(8)兩側，地下水位控制大廳(9)與蒸滲測坑保護坑(7)相鄰；繼續往里，可見蒸滲測坑數據采集區電腦監控室(10)，位于最里端半層樓處，通過半層樓處北側上下樓道進出地下實驗區。

圖1 測坑、測筒一體化結構

3.1 一體化設計關鍵點

一體化結構設計與分散式結構設計相比，性能指標更為嚴格，考慮一體化結構整體長度由原來分散式的35m變成了一體式的76m，該結構設計時須充分考慮抗剪切力和抗浮力，在按設計標準計算強度時設置一個安全性能系數并根據泉州試驗站因地制宜考慮防洪水防臺風及地下水防滲設計。

3.2 鋼筋結構設計

考慮防30年一遇洪水，蒸滲測坑一體化結構的鋼筋混凝土不能等同一般建筑物，測坑按使用50年設計，墻體厚度不小于25cm并進行防開裂設計。

3.3 防水結構

防水結構參考《地下建筑防水構造》(10J301)，使一體化結構防水等級達到國家地下建筑防水等級一級標準，即不允許滲水，結構表面無濕漬。

底板防水設計[2]從上到下標準步驟依次為：C30鋼筋混凝土地板、水泥基滲透結晶防水涂料、防水砂漿保護層、三合一高分子自修復加強防水層、防水砂漿找平層、C30防水混凝土墊層、素土夯實(見圖2)。

圖2 底板設計示意圖

外墻防水設計[2]從左到右標準步驟依次為：灰土分層夯實、保護層防水涂料防水層、水泥砂漿防水層、防水混凝土外墻(見圖3)。

圖3 外墻設計示意圖

因為頂板上部為作物種植區，頂板防水設計[2]采取種頂防水標準，從上到下依次為種植土及植被層、過濾層、排水層、50～70mm厚C20細石混凝土、找斜坡(坡度1%)、隔離層、耐根穿刺防水層、普通防水層、20mm厚1∶3水泥砂漿找平層、防水混凝土頂板(見圖4)。

圖4 頂板設計示意圖

3.4 試驗區頂板、頂板變形縫設計

蒸滲測坑、大型稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測筒一體化結構的整體建筑框架較長，應在每一類設施結構之間增加底板和頂板變形防水縫，增強整個一體化結構防水防滲能力(見圖5)。

圖5 底板和頂板變形縫防水構造(單位：mm)

3.5 雙上下樓道設計

一體化結構使整個地下室加長，東西各設計一個上下樓道。

4 一體化結構的作用

灌溉試驗站中核心的試驗平臺為蒸滲測坑試驗設施。蒸滲測坑試驗設施承擔著農作物需水量觀測的任務，主要由蒸滲測坑、大型稱重式蒸滲儀和軌道式蒸滲測筒組成，這三種蒸滲測坑平臺是泉州試驗站作物需水量及灌溉節水技術試驗的主要觀測平臺，其中蒸滲測坑裝置主要側重于使用測坑地下自動供排水裝置及測坑土壤傳感器監測設備研究水分運移規律、節水灌溉技術等；大型稱重式蒸滲儀多用于使用稱量方式研究與非稱重式蒸滲測坑體積一樣的大型測坑內作物的蒸騰蒸發量；軌道式蒸滲測筒裝置側重開展多個小型測筒內作物的需水量研究，通過自動升降稱重方式快速稱量出每個測筒每日的重量變化量從而計算出筒內作物日蒸騰蒸發量。一體化結構建設完成后，可開展水利部布置的農田水利常規試驗，承擔水利部或高校協作研究任務和省級設置的科研課題, 推廣節水灌溉新技術和作物灌溉科研成果。

5 一體化結構的優點

a.一體化結構考慮防30年一遇洪水，以及抗剪切力和抗浮力要求，測坑按使用50年設計，防水等級達到國家地下建筑防水一級標準，解決了泉州灌溉試驗站防洪、防滲、防臺風問題。

b.建設成地下混凝土一體化結構，做試驗測量不僅不受外界風雨天氣的干擾，同時避免了原每個試驗區單獨建設造成的重復性建筑占地，此結構便于試驗人員集中開展科研試驗。

c.一體化結構設計成“一”字形，蒸滲測坑試驗區地表設計成一套3截自動防雨棚，從而避免了原分散式結構須分別在軌道式蒸滲測筒、大型稱重式蒸滲儀和蒸滲測坑兩個區域各建一套自動防雨棚。

d.一體化結構使三類蒸滲測坑試驗設施集中布局，便于蒸滲測坑試驗數據集中采集到蒸滲測坑數據電腦監控室，為所有數據集中管理、集中進行信息化數據遠程傳輸提供了便利。

e.一體化結構的蒸滲測坑數據采集區的電腦監控室內布置3臺工控計算機，測坑數據采集區電腦監控室面向地下水位控制大廳一側設有玻璃窗，在試驗區域布設監控設備，便于在監控室查看試驗設施運行狀況。

6 一體化結構數據分析

6.1 測坑基礎建設數據情況對比

對全國近期新建的3個灌溉試驗站蒸滲測坑基建情況進行了調研，對比結果如表1所列。

從表1分析可得：采用一體化結構可少占地54～74m2，基建工程預算節約30萬～40萬元，數據采集系統一體化結構系統相對集中，便于傳輸。

表1 3個灌溉試驗站蒸滲測坑基建情況

6.2 全國近期新建的2個灌溉試驗站蒸滲測坑溫度數據對比

廣西欽州試驗站采取應用一體化結構蒸滲測坑，系統從測坑、測筒、蒸滲儀采集到的土壤數據，在同一個小氣候條件內、同一埋深溫度差異小，最大差值為0.5℃。江蘇沿?；夭捎梅稚⑹浇ㄔO，收集了3個區域、3個不同試驗采集的土壤溫度情況，因小氣候變化不一樣，同一埋深的土壤溫度試驗數據差別較大，最大差值達到1.4℃。由于該結構屬于最新設計結構，試驗數據相對較少。數據對比情況詳見表2～表3。

表2 欽州市欽靈灌區續建配套與節水改造工程2017年度項目(二期)灌溉試驗站工程蒸滲測坑測筒溫度設備數據選取對比(一體化結構)

表3 江蘇省水利科學研究院沿海試驗基地項目測坑測筒溫度設備數據選取對比(分散式建設結構)

7 結 語

該一體化結構采用地下鋼筋混凝土結構，結合泉州灌溉試驗站實際地勢問題，考慮了防30年一遇洪水以及一體化結構抗剪切力和抗浮力參數；測坑按使用50年設計，防水等級達到國家地下建筑防水一級標準，解決了泉州灌溉試驗站防洪、防滲、防臺風問題。

該一體化結構較分散式結構節約了10%～20%占地面積，蒸滲測坑測筒試驗平臺基建節約了5%～15%經費，信息化建設經費投入少，傳輸更便捷。

該一體化結構提高了蒸滲測坑試驗效率，在全國試驗站提出了一種新的結構模式，符合現代化經濟節能理念，滿足現代信息化建設要求。這種新型蒸滲測坑試驗平臺結構模式可供全國其他灌溉試驗站參考。