農田水利建設中渠道防滲加固技術研究

秦兆明

（費縣應急保障服務中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

農田灌溉與農業種植息息相關, 其中農田飲水渠是灌溉中的重點環節。然而，我國明渠灌溉系統經常由于水渠滲漏而失水， 據報道部分地區渠道會因滲漏損失30%~50%的灌溉水, 導致引水灌溉工程不能正常進行, 為農業生產帶來諸多阻礙[1-3]。渠道襯砌是當前使用范圍最廣的一種防滲加固技術，由于襯砌渠道能夠承受較高的平均流速，因此可以節省渠道和土地橫截面積，并相應節省開挖和砌筑工程的成本。另一方面，襯砌的光滑表面減少了摩擦力，這使得渠道能夠鋪設在更平坦的河床坡度上，相應地增加了灌溉面積和發電工作水頭[4-7]。此外，在維修費用方面，由于襯砌可防止河床和河岸受到水流侵蝕，襯砌渠道的維護成本低于未襯砌渠道的維護成本。因此渠道襯砌技術可以最低的成本將水渠的滲漏損失降至最低，同時還起到了加固作用。傳統的渠道襯砌材料包括壓實土、鋼筋或素混凝土，部分水渠還引入了埋入式土工膜。然而，這些材料作為水渠襯砌具有一定局限性，如壓實土需要就地取材，鋼筋混凝土襯砌造價昂貴，滑模素混凝土要求重型施工設備，而埋置土工膜則需要大量超挖施工[8-10]。因此，迫切需要研究出一種低成本高性能且適用性較廣的渠道襯砌抗滲混凝土混合料。本文通過文獻調研，采用了一種新型EN-1固化劑，研究了不同摻量的EN-1對混凝土流動性、坍落度、抗壓強度以及滲透性的影響，并將其應用于實際渠道當中進行測試，研究結果表明，摻入EN-1能夠對農田水渠進行加固防滲，可用于實際工程中。

1 原材料及試驗設計

本次的拌料采用某電廠的粉煤灰作為原材料，密度為2.36 g/cm3，比表面積2 800 cm2/g，屬于F級粉煤灰，通過XRD光譜分析測得其主要化學成分為SIO2、Al2O3、CaO。圖1為本次拌制的混凝土砂漿，表1為硅灰各組分含量。根據前期的配合比設計，砂550 kg/m3，石子900 kg/m3，硅灰180 kg/m3，采用的固化劑為美國生產的EN-1新型化學劑，可以降低混凝土試樣滲透性，為對比分析設置3種濃度，分別為水體積的1/500、1/300和1/100。表2為骨料物理參數。試驗先在攪拌機中干拌3 min，之后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液添加到固體中，濕拌4 min，同時制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm× 100 mm模具中振動成型，待觀察無任何凝結跡象，抗壓強度無任何退化后，送入養護箱養護28 d。

表1 硅灰各組分含量

表2 骨料物理參數

圖1 混凝土砂漿

2 試驗結果分析

2.1 流動性與強度

和易性是指新拌水泥混凝土易于各工序施工操作（攪拌、運輸、澆注、搗實等）并能獲得質量均勻、成型密實的性能，其含義包含流動性、黏聚性及保水性，也稱混凝土的工作性。本文選擇流動性來對砂漿性質進行研究。圖2給出了不同EN-1外加劑下，混凝土砂漿齡期與流動距離之間的關系。由圖2可知，未添加EN-1劑的砂漿總體上表現出較大的流動性，當齡期為30 min時砂漿的流動范圍最大，達到了132 mm，當齡期為45 min時最小，流動范圍為113 mm。對于含有EN-1外加劑的砂漿，其流動性隨混凝土齡期的增長逐漸減小，其中體積含量1/300的砂漿在拌制45 min后停止流動，而體積含量1/100的砂漿在拌制60 min后停止流動。因此可以得出，EN-1能夠增強混凝土的黏結性能，在短時間內即可獲得較高的黏結強度。

圖2 混凝土砂漿齡期與流動距離之間的關系

圖3 給出了不同含量外加劑下，試樣抗壓強度變化規律。如圖3所示，當養護天數為7 d時，試樣抗壓強度隨EN-1含量呈拋物線變化，當EN-1含量為1/300時，試樣單軸抗壓強度最高，達到29.2 MPa；當養護天數為28 d時，試樣抗壓強度隨EN-1含量呈線性增長變化，當EN-1含量為1/100時，試樣單軸抗壓強度最高，達到32.5 MPa。與對照混合物相比，摻有EN-1的砂漿混合物的抗壓強度在7 d和28 d內呈現出2.5%（較低的EN-1濃度）到10%（較高的濃度）范圍內的增量。根據表3混凝土強度測試結果，發現EN-1砂漿混合物的直接抗拉強度值低于對照混合物的直接抗拉強度值，但含有1/500 EN-1的混合物的直接抗拉強度值略有增加，約為4.50%。此外，EN-1總體上還能明顯增加混凝土的吸水效果，其中使用濃度為1/100的EN-1，可增加約6%的吸水性。

圖3 混凝土砂漿齡期與流動距離之間的關系

表3 混凝土強度測試結果

2.2 不同水灰比下混凝土坍落度

水灰比（w/c）就是拌制水泥漿、砂漿、混凝土時所用的水和水泥的重量之比。水灰比影響混凝土的流變性能、水泥漿凝聚結構以及其硬化后的密實度，因而在組成材料給定的情況下，水灰比是決定混凝土強度、耐久性和其他一系列物理力學性能的主要參數。本文探討了兩種不同水灰比下，混凝土的坍落度的變化規律。圖4給出了w/c為0.45時，不同濃度EN-1下混凝土坍落度的變化情況。由圖4可知，未添加EN-1的混凝土坍落度隨齡期的增長呈現出減小的趨勢，但不同階段的值位于EN-1濃度1/500與EN-1濃度1/300之間。當EN-1濃度為1/300，混凝土的坍落度最大，其中齡期為0 min時，達到了140 mm；當EN-1濃度為1/100，混凝土的坍落度最小，其中齡期為30 min時，達到了20 mm。圖5給出了w/c為0.6時，不同濃度EN-1下混凝土坍落度的變化情況。由圖4、圖5可知，水灰比對混凝土的性能有明顯影響，未添加EN-1的混凝土在整個齡期內坍落度未出現明顯的下降，且均大于添加EN-1的混凝土的坍落度，最低為齡期120 min時的198 mm。此外，當EN-1為1/100時，坍落度最小，最低為齡期120 min時的18 mm。

圖4 w/c=0.45時混凝土坍落度隨齡期的變化情況

圖5 w/c=0.6時混凝土坍落度隨齡期的變化情況

3 EN-1混凝土水渠襯砌應用分析

為了評估在渠道襯砌工程中使用EN-1作為新型防滲水渠的有效性，本文將室內試驗中所得到的配比應用于長約47 m的水渠襯砌當中，如圖6所示。此外在小部分距離內，還使用傳統混凝土襯砌對水渠加固來進行對比分析。首先，通過實地考察發現，新型和傳統襯砌均出現了一定裂縫，但裂縫不深且發生在表層，對渠道使用影響不大。此外，為探究傳統混凝土與EN-1混凝土在實際工程中的抗壓強度，本文從EN-1和傳統混凝土襯里中提取了一組試樣，測定了提取樣品的抗壓強度和滲透系數，結果如表4所示。由表4可知，無論是施工7 d還是28 d，新型混凝土的抗壓強度均大于傳統混凝土，施工28 d后，傳統混凝土的強度為25.1 MPa，而EN-1混凝土的強度為33.8 MPa，說明EN-1混凝土能夠對水渠起到明顯的加固作用。此外在滲透系數方面，EN-1混凝土在養護28 d后為0.15×10-7cm/s，而普通混凝土襯砌為1.09×10-7cm/s。為評估引水后，襯砌后水位的變化趨勢，本文在傳統和新型混凝土襯砌后1 m處埋置了水位傳感器，對其進行了長時間的灌溉水位監測。由圖7可知，通過200 d的監測，EN-1襯里的壓力計讀數一直小于傳統襯，這表明EN-1外加劑能夠將襯砌后的水頭降至最低，意味著減少了水渠的水損失，因此可以用于實際工程當中。

圖6 新型混凝土襯砌

表4 混凝土強度與滲透系數現場測試結果

圖7 襯砌后水頭壓力測試

4 結論

農田引水渠作為重要的輸水建筑物，對農業生產具有重要的意義。而我國明渠灌溉系統經常由于水渠滲漏而失水，導致引水灌溉工程不能正常進行，為農業生產帶來諸多阻礙。針對這一問題，本文以混凝土水渠襯砌系統為研究對象，引入了一種美國生產的EN-1混凝土外加劑，并通過試驗測量發現加入EN-1外加劑的混凝土無論是在強度和坍落度等性能上都要優于傳統混凝土，能夠對水渠起到加固作用。同時，通過200 d的室外檢測得出，EN-1外加劑混凝土能夠將襯砌后的水頭降至最低，大大減少了水渠的水損失，很好地保障農業灌溉用水，因此可以用于實際工程當中。