不同渠道襯砌形式防滲效果試驗(yàn)

許 璐

(新疆額爾齊斯河投資開(kāi)發(fā)集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 831100)

0 引 言

渠道襯砌是減少滲漏、節(jié)水、提升渠系水利用系數(shù),確保輸水安全,體現(xiàn)工程效益的重要舉措。數(shù)十年來(lái),我國(guó)廣大技術(shù)人員始終致力于渠道防滲抗凍脹措施的研究設(shè)計(jì),取得了顯著的成績(jī),但是應(yīng)用效果與試驗(yàn)段原型測(cè)試結(jié)果仍存在一定差距。基于此,文章以我國(guó)西部地區(qū)某灌區(qū)為例,對(duì)6種形式襯砌渠道的輸水損失展開(kāi)比較試驗(yàn),研究過(guò)程及結(jié)果可為我國(guó)西北地區(qū)輸水渠道襯砌形式的選擇提供借鑒。

1 環(huán)境因素及運(yùn)行工況

我國(guó)西部地區(qū)某灌區(qū)已建灌溉渠道總長(zhǎng)度為3.846km,渠道設(shè)計(jì)流量1.1m3/s,渠道橫斷面全部為梯形,底寬1.2m,邊坡系數(shù)1.5,渠深1.1m;大部分采用混凝土襯砌結(jié)構(gòu),防凍脹措施采用較少。試驗(yàn)期間工程所在地氣溫最低為-28℃,且渠坡不同位置地表溫度和累計(jì)負(fù)溫存在較大差異;坡面地表日溫度最低值-22.7℃出現(xiàn)在2.65m處,渠腳地表日溫度最低值為-17.4℃;觀測(cè)期間2.65m處地表溫度比11.65m處地表溫度低0～2.6℃,比16.15m處低0.7～6.5℃;渠底16.15m處地表累計(jì)負(fù)溫為2.65m處的70%。因地表累計(jì)負(fù)溫不同,渠道不同區(qū)域凍脹量及凍深必然存在差異。

2020年10月28日～2021年10月28日,該灌溉渠道歷經(jīng)凍脹、融沉、輸水、停水等運(yùn)行階段,恰好為一個(gè)完整的運(yùn)行周期;據(jù)此,對(duì)應(yīng)的渠坡變形也分成4個(gè)階段:2020年10月28日～2021年1月28日的凍脹期,渠底冰層厚度為20cm左右,上覆40cm厚度的積雪層,渠坡以凍脹變形破壞形式為主;因春季環(huán)境溫度變化的不確定性,凍脹期和融沉期的界限并不十分明顯,故以2021年4月28日連續(xù)3d環(huán)境溫度均位于0℃以上的日期為融沉變形起始日期;2021年7月28日以后渠道開(kāi)始輸水運(yùn)行,同年10月28日停止輸水。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 襯砌形式

結(jié)合該灌區(qū)渠道建設(shè)實(shí)際,此次試驗(yàn)主要選用現(xiàn)澆混凝土、土工布、保溫板等材料組成4種復(fù)合防滲結(jié)構(gòu),并使用相應(yīng)的材料制備出瀝青油膏砂漿、聚硫密封膠閉孔塑料以及樹脂油膏砂漿等成品,分別使用不同成品對(duì)伸縮縫展開(kāi)防滲加固處治后,便形成幾種不同形式的襯砌結(jié)構(gòu),見(jiàn)表1。按照設(shè)計(jì)要求,表中現(xiàn)澆混凝土采用C25強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),抗凍等級(jí)采用F100標(biāo)準(zhǔn),抗?jié)B等級(jí)則采用W4標(biāo)準(zhǔn);所選用的復(fù)合防滲土工膜密度為860g/m3;選用30cm厚且密度≥20kg/m3的保溫板。以該灌區(qū)相鄰梯形土渠為對(duì)比渠道[1]。

表1 試驗(yàn)渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式

第1～10測(cè)橋根據(jù)渠道節(jié)制閘和分水口位置進(jìn)行布置,測(cè)橋布置,見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)橋布置

測(cè)流過(guò)程借助流速儀實(shí)現(xiàn),各測(cè)流斷面均布設(shè)3條測(cè)線,對(duì)于不同測(cè)線均按照三點(diǎn)法的要求展開(kāi)流速測(cè)量。測(cè)流觀測(cè)斷面分別設(shè)置于各段襯砌渠道首尾,第1測(cè)橋處固定布置1臺(tái)流速儀,其余3臺(tái)流速儀則按照“第1測(cè)橋-第2測(cè)橋-第3測(cè)橋-第4測(cè)橋”、“第1測(cè)橋-第5測(cè)橋-第6測(cè)橋-第7測(cè)橋”、“第1測(cè)橋-第8測(cè)橋-第9測(cè)橋-第10測(cè)橋”的布置方式流動(dòng)觀測(cè)。此外,在渠道堤岸通過(guò)φ20cm蒸發(fā)皿展開(kāi)蒸發(fā)觀測(cè),分別于流速觀測(cè)開(kāi)始時(shí)及結(jié)束后記錄蒸發(fā)皿內(nèi)水量,為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)試驗(yàn)期間無(wú)降雨[2]。

2.2 試驗(yàn)方法

采用動(dòng)水法展開(kāi)渠道輸水損失計(jì)算,在渠道現(xiàn)狀流速流量不變的情況下將上斷面與下斷面之間所設(shè)置的分水口全部關(guān)閉,此后,按照設(shè)計(jì)要求對(duì)流量損失展開(kāi)觀測(cè)。在展開(kāi)以上測(cè)試的過(guò)程中,渠道運(yùn)行規(guī)則基本上保持不變,故試驗(yàn)過(guò)程能較為真實(shí)客觀地體現(xiàn)出流速、流量、水位等對(duì)渠道輸水損失的影響[3]。具體而言,在應(yīng)用流速儀和三點(diǎn)法觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè),通過(guò)渠首和渠尾流量差確定渠道輸水損失。在每個(gè)斷面渠底中心處、渠底兩側(cè)坡腳處設(shè)置3條垂線,各斷面復(fù)測(cè)至少5次。圖中b為渠底寬,a1+a2+b=渠頂寬,h1、h2、h3為3條垂線高,A1、A2、A3、A4依次為渠道左邊坡與垂線1、垂線1和垂線2、垂線2和垂線3、垂線3和渠道右邊坡所形成的面積。渠道斷面垂線布置,見(jiàn)圖2。

3 渠道輸水損失

考慮到該灌溉渠道各段襯砌長(zhǎng)度均較短,采用動(dòng)水法計(jì)算渠道輸水損失必然產(chǎn)生較大誤差。所以,在具體進(jìn)行不同襯砌形式所對(duì)應(yīng)流量損失值的量化計(jì)算時(shí),必須在相鄰三種襯砌結(jié)構(gòu)流量的總損失中將所研究的襯砌結(jié)構(gòu)以外的其余襯砌形式流量損失減除。

3.1 渠道流量誤差

表2 不同測(cè)橋流量均值計(jì)算結(jié)果

3.2 渠道輸水損失

采用首尾對(duì)比法展開(kāi)該灌溉渠道輸水損失的計(jì)算和分析,則所對(duì)應(yīng)的單位流量輸水損失率為qi=Qs/(Li·Q2),其中,qi為渠道不同襯砌形式的輸水損失率,Qs為相應(yīng)渠段流量,Li為各襯砌段長(zhǎng)度。將該輸水渠道不同襯砌形式相關(guān)參數(shù)代入式中后的計(jì)算結(jié)果,不同襯砌形式的輸水損失率,見(jiàn)表3。根據(jù)表中結(jié)果,該灌區(qū)混凝土襯砌輸水渠道輸水損失率位于0.02371～0.03167m之間,遠(yuǎn)比土渠0.10489m的輸水損失率小,說(shuō)明采用混凝土襯砌后,輸水渠道防滲效果明顯增強(qiáng)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果還可以看出,保溫板材料應(yīng)用后,對(duì)襯砌渠道防滲效果無(wú)較大提升。襯砌形式1和形式3的防滲效果十分接近,形式2和形式4的防滲效果也相差不大,通過(guò)對(duì)這兩組襯砌形式的比較可以體現(xiàn)出保溫板的防滲效果。由于該灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)僅經(jīng)過(guò)1個(gè)凍融期,保溫板的防滲效果尚未發(fā)揮,故是否鋪設(shè)保溫板對(duì)渠道防滲效果影響并不大。

襯砌形式5的防滲效果比形式6高出5.421%,說(shuō)明抗裂合成纖維混凝土材料的防滲效果尚未得到有效發(fā)揮,為得到抗裂合成纖維混凝土渠道的實(shí)際防滲效果,必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行觀測(cè)。

從渠道襯砌結(jié)構(gòu)伸縮縫處理效果來(lái)看,砂漿+樹脂油膏填縫的防滲效果明顯優(yōu)于砂漿+瀝青油膏填縫效果。若采用砂漿+樹脂油膏處理現(xiàn)澆混凝土伸縮縫(即襯砌形式4),輸水損失系數(shù)為0.02731m-1,比采用砂漿+瀝青油膏處理現(xiàn)澆混凝土伸縮縫(即襯砌形式5)的輸水損失系數(shù)低9.129%。

綜合以上分析,在本試驗(yàn)所提出的6種灌區(qū)渠道現(xiàn)澆混凝土襯砌形式中,形式1防滲效果最好,形式3(即現(xiàn)澆混凝土+土工布;閉孔塑料+聚硫密封膠填縫)防滲效果次之,形式6防滲效果最差。

4 襯砌效果評(píng)價(jià)

4.1 節(jié)水效果

結(jié)合該灌區(qū)設(shè)計(jì)要求及運(yùn)行實(shí)際,包括春秋灌溉在內(nèi)的支渠放水為2次/年,放水時(shí)間約為20d/次。則混凝土襯砌渠道節(jié)水量應(yīng)按下式計(jì)算:

Qd=8.64×T1×Q設(shè)×(q土-qi)

(1)

式中:Qd為襯砌渠道節(jié)水量;T1為渠道年工作天數(shù);Q設(shè)為渠道設(shè)計(jì)流量;q土為土渠單位長(zhǎng)度單位流量損失率;qi為襯砌渠道單位長(zhǎng)度單位流量損失率。

將該灌區(qū)灌溉方案中所涉及的參數(shù)取值代入式(1),便可得到襯砌渠道節(jié)水量,見(jiàn)表4。由表中結(jié)果可知,該試驗(yàn)所提出的6種混凝土渠道襯砌形式節(jié)水效果均相當(dāng)明顯,防滲效果最佳的形式1每年每km節(jié)水量最大可達(dá)28.262×104m3,即使是防滲效果最差的襯砌形式6,年節(jié)水量也可以達(dá)到25.316×104m3/km。該灌區(qū)支渠總長(zhǎng)度為3.846km,按照最佳防滲效果,年節(jié)水總量達(dá)99.493×104m3,支渠控制灌溉面積為410.1hm2,則單位節(jié)水量為2460.947m3/hm2。灌區(qū)支渠全部采用形式1,即“現(xiàn)澆混凝土+保溫板+土工布;閉孔塑料+聚硫密封膠填縫”的襯砌形式,則年節(jié)水量比形式6(即“抗裂合成纖維混凝土;砂漿+瀝青油膏填縫”)多出10.998×104m3[5]。

表4 灌區(qū)襯砌渠道節(jié)水量

4.2 投資效果

結(jié)合該灌區(qū)不同襯砌形式渠道的材料耗用及實(shí)際情況,渠道施工過(guò)程中必須清除腐殖土、挖填土方、調(diào)土、混凝土襯砌、安裝模板、刨除樹墩,根據(jù)工程所在地材料及人工價(jià)格,可以估算出渠道襯砌施工成本,再結(jié)合每年每km渠道節(jié)水量,便可得到襯砌渠道運(yùn)行期限內(nèi)每萬(wàn)元投資額的節(jié)水量。具體見(jiàn)表5。由表中計(jì)算結(jié)果,襯砌形式2(現(xiàn)澆混凝土+保溫板;砂漿+樹脂油膏填縫)在預(yù)計(jì)使用年限內(nèi)單位投資額節(jié)水量最高,形式4(現(xiàn)澆混凝土;砂漿+樹脂油膏填縫)次之,而形式1(現(xiàn)澆混凝土+保溫板+土工布;閉孔塑料+聚硫密封膠填縫)每萬(wàn)元投資額節(jié)水量最低。

表5 不同襯砌形式下節(jié)水量的比較

綜合考慮節(jié)水效果和投資效果析,襯砌形式1,即“現(xiàn)澆混凝土+保溫板+土工布;閉孔塑料+聚硫密封膠填縫”使用年限長(zhǎng),節(jié)水效果最好,但是投資額也為最高,每萬(wàn)元投資額節(jié)水量最低,所以對(duì)于建設(shè)資金較為緊張的灌區(qū)而言,并不適用。

而襯砌形式2,即“現(xiàn)澆混凝土+保溫板;砂漿+樹脂油膏填縫”與其他襯砌形式相比,使用年限較長(zhǎng),節(jié)水量最大,為此,以該襯砌形式為該灌區(qū)首選。

為保證試驗(yàn)結(jié)論及分析結(jié)果的合理可靠,筆者建議,應(yīng)當(dāng)對(duì)該灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)防滲及防凍脹效果展開(kāi)長(zhǎng)期觀測(cè)分析,以佐證、充實(shí)和完善文章試驗(yàn)結(jié)論。

5 結(jié) 論

綜上所述,灌區(qū)渠道防滲層及襯砌結(jié)構(gòu)形式較多,而所使用的襯砌材料不外乎混凝土、水泥、砂石、伸縮縫止水、防滲膜料等。結(jié)合大量工程經(jīng)驗(yàn),影響渠道防滲效果的關(guān)鍵因素在于所使用襯砌材料的種類和質(zhì)量,組成防滲層的各種材料品質(zhì)的優(yōu)劣,對(duì)渠道防滲起到主導(dǎo)作用。為提高渠道襯砌結(jié)構(gòu)防滲抗凍脹效果,必須密切結(jié)合工程所在地環(huán)境條件,在設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,充分考慮影響渠道滲漏及凍脹的可能因素及潛在因素,并慎重選用襯砌材料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及綜合分析,該灌區(qū)渠道最終選用節(jié)水量、投資額、防滲效果均較好的“現(xiàn)澆混凝土+保溫板;砂漿+樹脂油膏填縫”的襯砌形式。