農(nóng)田輸水工程中渠道改性防滲混合料等向固結(jié)壓力下滲透性能研究

繆成美，齊春舫

(1.淮安市淮河水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 漣水 223400；2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 概 述

農(nóng)業(yè)水利工程中，輸水渠道的安全運(yùn)營(yíng)與防滲結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，而防滲措施的設(shè)計(jì)又與防滲材料密不可分，開展水利工程或農(nóng)業(yè)灌區(qū)工程中防滲材料滲透性能研究很有必要[1-3]。利用改性瀝青、水泥與常規(guī)土體混合，制作成改性防滲混合料，并對(duì)之開展?jié)B透試驗(yàn)研究，探討影響防滲材料滲透性能的因素，以提高農(nóng)業(yè)水利工程輸水渠道防滲設(shè)計(jì)水平[4-5]。目前，一些專家學(xué)者基于數(shù)值仿真手段，對(duì)輸水渠道工作運(yùn)營(yíng)過程中實(shí)際荷載工況進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得渠道防滲結(jié)構(gòu)中滲漏量及力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)價(jià)渠道安全狀態(tài)[6-8]。還有一些水利工程師利用水工模型，研究渠道在不同輸水流量下滲流特征變化，包括壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等特征參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估防滲效果[9-11]。本文利用三軸滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)改性防滲混合料開展等向固結(jié)壓力試驗(yàn)[12-13]，并對(duì)混合料配合比參數(shù)開展影響性分析，探討適宜于輸水渠道防滲材料的最佳配合比及養(yǎng)護(hù)周期，為農(nóng)業(yè)水利工程輸水渠道的安全運(yùn)營(yíng)提供重要試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)背景及試驗(yàn)儀器

為解決江蘇北部地區(qū)農(nóng)田有效灌溉率不高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)修建抽水泵站，由上游水道引水至中轉(zhuǎn)站，并在農(nóng)田內(nèi)設(shè)置輸水渠道，全渠道長(zhǎng)度超過85 km，渠首流量設(shè)計(jì)為0.55 m3/s，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季可供水超過70×104m3，提升灌溉效率5%，預(yù)計(jì)可使水平規(guī)劃年缺水率降低6%。抽水泵站與輸水干渠連接采用平面鋼閘門，直徑超過1.5 m，采用液壓式啟閉機(jī)作為控制設(shè)備，精確控制開度，提升水資源有效利用率。目前，渠道防滲是該農(nóng)田輸水工程中面臨的主要問題，若渠道出現(xiàn)較大滲漏，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源利用均會(huì)受到影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)考慮引入改性防滲混合料作為渠道襯砌的主要原材料。該混合料由水泥、改性瀝青、土體、水等組成，針對(duì)渠道防滲特點(diǎn)，該類型混合料滲透性能研究顯得尤為重要，因而本文就等向固結(jié)狀態(tài)下混合料滲透性開展試驗(yàn)研究。

本次改性混合料滲透試驗(yàn)采用三軸滲透測(cè)試儀，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，以壓力泵作為滲透壓力加載控制方式，精度誤差低于0.5%，可依據(jù)滲透管路變化，完成瞬態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法滲透率測(cè)試。本文針對(duì)混合料的滲透試驗(yàn)采用瞬態(tài)法[14-15]，并以三軸壓力艙內(nèi)等向施加圍壓，并視之為等向固結(jié)狀態(tài)，其計(jì)算公式見式(1)；最大豎向荷載可達(dá)1 000 kN，可變換多種控制方式加載；圍壓最大可至50 MPa；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5 s，力傳感器以及位移傳感器在試驗(yàn)前均已標(biāo)定，位移傳感器最大可達(dá)12 mm。

(1)

式中：ΔQ為滲透流量，cm3；H、A為試樣物理參數(shù)，單位分別為cm、cm2；Δh為壓力差，cm；Δt為滲流時(shí)間，s。

2.2 試驗(yàn)方案

為研究改性混合料滲透特性影響因素，研究設(shè)計(jì)不同配合比方案，其中分為水與水泥比(水灰比)、水與瀝青之比(水瀝比)兩個(gè)影響方案，水灰比參數(shù)設(shè)定為6、5、4、3，水瀝比設(shè)定為5.5、4.5、3.5、2.5，具體配合比及試驗(yàn)方案見表1。

表1 配合比試驗(yàn)方案

按照試驗(yàn)方案目標(biāo)配合比，取定量材料加水拌勻后，將膨潤(rùn)土、水泥、土顆粒振搗接觸，并適時(shí)加入改性瀝青，保證所制作出試樣內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)在加載過程中各向同性；將拌勻后的改性混合料試樣置入模具中成型，徑高尺寸為100×200 mm，倒入模具后應(yīng)保證模具端面平整，后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)恒溫恒濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)48 h，后續(xù)完成脫模工作。為研究養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性混合料滲透特性影響，對(duì)各配合比混合料方案分別養(yǎng)護(hù)14 d和28 d后，再進(jìn)行三軸滲透實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)介如下：

1)經(jīng)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)目標(biāo)齡期后的試樣取出，完成試驗(yàn)前試樣各物理參數(shù)測(cè)定，安裝試樣至加載臺(tái)上，保證端面與加載中心對(duì)齊。

2)試驗(yàn)系統(tǒng)中，力傳感器清零，位移傳感器調(diào)整至合適量程，直接在試樣兩端安裝位移傳感器，密閉壓力艙后，加載圍壓至目標(biāo)值，本試驗(yàn)中圍壓取100 kPa，再對(duì)試樣施加滲透壓力50 kPa，后測(cè)量多次不同時(shí)刻下試樣滲透系數(shù)，取全過程試樣滲透系數(shù)平均值，每個(gè)試樣保證測(cè)量點(diǎn)在10次以上，以滲透系數(shù)平均值作為該試樣的滲透特性，后停止試驗(yàn)。

3)結(jié)束數(shù)據(jù)采集后，卸掉圍壓與滲透壓力，更換試樣，繼續(xù)試驗(yàn)。

3 改性混合料配合比參數(shù)對(duì)滲透性能影響分析

3.1 水灰比

基于滲透試驗(yàn)獲得不同配合比方案下滲透系數(shù)，圖1為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水灰比參數(shù)影響下改性混合料試樣滲透系數(shù)變化曲線。從圖1中可看出，水灰比與滲透系數(shù)為正相關(guān)。單個(gè)試樣水灰比隨水灰比遞增，當(dāng)水瀝比為5.5時(shí)，水灰比為6的試樣滲透系數(shù)為1.25×10-7cm/s，而水灰比5、4、3混合料試樣滲透系數(shù)測(cè)定值相比前者分別降低17.6%、49.4%和58.8%。分析表明，當(dāng)水灰比增大時(shí)，即水泥成分占比降低，而膠凝材料在改性混合料中可作為孔隙填充體，則混合料中將具有較大孔隙，進(jìn)而形成滲透試驗(yàn)中的滲透介質(zhì)流通通道，最終呈現(xiàn)滲透系數(shù)較高的結(jié)果。對(duì)比不同水瀝比試樣之間滲透系數(shù)變化差異可知，當(dāng)水瀝比為3.5時(shí)，水灰比5、4、3混合料試樣相比水灰比為6的試樣滲透系數(shù)測(cè)定值降低13.1%、42.2%和56.1%，即水瀝比降低，一定程度上可減弱水灰比之間變化幅度差異。分析認(rèn)為，當(dāng)水瀝比降低，即瀝青顆粒占比增多，可彌補(bǔ)由于水泥這類膠凝材料缺乏而形成的孔隙，縮小各水灰比改性混合料試樣間滲透差異。在相同配合比試樣下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的改性混合料滲透系數(shù)水灰比5、4、3試樣與水灰比6試樣之間幅度差異分別為51.1%、52.1%和777.6%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間愈長(zhǎng)，水灰比試樣之間遞減幅度愈顯著。分析認(rèn)為，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，則水灰比愈少的試樣，其內(nèi)部水泥水化反應(yīng)更充分，對(duì)混合料內(nèi)部孔隙填充愈密實(shí)，滲流通道堵塞愈嚴(yán)重，反映在滲透系數(shù)則是愈低。

圖1 水灰比參數(shù)影響下改性混合料試樣滲透系數(shù)變化曲線

3.2 水瀝比

基于不同水瀝比參數(shù)試驗(yàn)方案，獲得水瀝比影響下改性混合料滲透系數(shù)變化曲線特征，見圖2。從圖2可知，水瀝比與改性混合料滲透系數(shù)為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)在水灰比為3時(shí)，水瀝比2.5試樣滲透系數(shù)為1.08×10-8cm/s，而水瀝比3.5、4.5、5.5混合料試樣相比前者分別增大36.1%、63.9%和376.1%；當(dāng)水瀝比增大時(shí)，則瀝青占比減少，對(duì)混合料中滲透通道的阻礙會(huì)減弱，試樣抗?jié)B性能會(huì)相對(duì)降低，因而滲透系數(shù)反映為增大。但另一方面從水灰比為4、5、6試驗(yàn)方案中可看出，當(dāng)水瀝比在低于3.5時(shí)，滲透系數(shù)為遞減，水瀝比超過3.5后，為遞增態(tài)勢(shì)。分析認(rèn)為，當(dāng)改性瀝青顆粒加入含量愈多時(shí)，超過一定界限(本文該臨界水瀝比為3.5)后，瀝青顆粒將取代土顆粒作為改性防滲混合料的主要承載骨架，而瀝青顆粒的粒徑相比土顆粒要大，因而土顆?？蛇m配瀝青骨架結(jié)構(gòu)，填充孔隙體，降低由于孔隙聯(lián)通而產(chǎn)生的滲透通道，抑制滲透性能；而水瀝比遞增，瀝青含量的減少，會(huì)改變?yōu)r青與土顆粒之間孔隙平衡，因而呈現(xiàn)在較高水灰比試驗(yàn)方案中，混合料滲透系數(shù)隨水瀝比先減后增。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d下各配合比方案中變化態(tài)勢(shì)基本一致，但對(duì)比相同水灰比為3的配合比方案下，水瀝比3.5、4.5、5.5混合料試樣相比前者分別增大1.3倍、2.5倍、4.2倍，即養(yǎng)護(hù)時(shí)間愈長(zhǎng)，水瀝比遞增幅度差異愈大。研究認(rèn)為，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，則改性混合料中水泥成分與瀝青顆粒的膠凝性能愈強(qiáng)，在高水瀝比試樣中，則瀝青與水泥的結(jié)合性能愈差，進(jìn)而促進(jìn)滲透孔隙通道的形成，滲透系數(shù)差異愈大。

圖2 水瀝比參數(shù)影響下改性混合料試樣滲透系數(shù)變化曲線

4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性混合料滲透性能影響分析

前述分析已知養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性混合料防滲性能影響較大，因而本文將對(duì)相同配合比方案下養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)滲透系數(shù)影響特性開展分析研究。

圖3為各試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間下滲透系數(shù)變化曲線。從圖3中可看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與滲透系數(shù)為負(fù)相關(guān)，即養(yǎng)護(hù)時(shí)間可抑制改性混合料滲透性能，有助于提升渠道防滲特性。當(dāng)相同水灰比為4、水瀝比為3.5時(shí)，養(yǎng)護(hù)14 d下所測(cè)滲透系數(shù)為1.6×10-8cm/s，而養(yǎng)護(hù)28d后，相同配合比試樣所測(cè)滲透系數(shù)降低12.5%，達(dá)1.4×10-8cm/s；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間愈長(zhǎng)，改性防滲混合料中水泥的水化反應(yīng)愈充分，且瀝青在試樣骨架顆粒中游離填充性愈好，滲透通道的形成愈困難，滲透系數(shù)則愈低。

圖3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響下改性混合料試樣滲透系數(shù)變化曲線

圖4為各試樣在養(yǎng)護(hù)28 d、14 d后滲透系數(shù)變化差異。從圖4中可看出，在a、b組試樣中，試樣滲透系數(shù)遞減幅度差異愈水灰比并無顯著影響。而在水瀝比影響組中可看出，水瀝比遞減，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混合料試樣滲透系數(shù)的抑制作用減弱，即水瀝比可削弱養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)渠道防滲性的有利影響。

圖4 各試樣在養(yǎng)護(hù)時(shí)間14 d和28 d下滲透系數(shù)變化差異

綜上改性防滲混合料滲透性能研究可知，配合比中水灰比、水瀝比均應(yīng)保持較小范圍，但同時(shí)水瀝比參數(shù)不應(yīng)超過臨界變化比(3.5)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)盡量延長(zhǎng)，從混合料配合比及養(yǎng)護(hù)周期，提升改性混合料在渠道中防滲性，為輸水渠道安全運(yùn)營(yíng)提供基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

為研究農(nóng)田輸水工程中渠道防滲改性混合料滲透性影響特征，利用三軸滲透儀開展等向固結(jié)壓力試驗(yàn)，研究不同配合比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響下混合料滲透系數(shù)變化特征，主要得到以下結(jié)論：

1)研究了水灰比對(duì)改性混合料試樣滲透性影響特性，水灰比可促進(jìn)滲透系數(shù)發(fā)展，水灰比5、4、3混合料試樣滲透系數(shù)測(cè)定值相比水灰比為6分別降低17.6%、49.4%和58.8%；水瀝比降低，可降低水灰比之間的遞減幅度，但養(yǎng)護(hù)時(shí)間愈長(zhǎng)，水灰比遞減幅度愈顯著。

2)獲得了水瀝比對(duì)混合料滲透性影響特征，兩者為正相關(guān)特征，水瀝比3.5、4.5、5.5混合料相比水瀝比2.5試樣分別增大36.1%、63.9%和376.1%，但在水瀝比低于3.5時(shí)為遞減態(tài)勢(shì)，瀝青顆粒在混合料中成分占比影響水瀝比對(duì)混合料滲透系數(shù)影響規(guī)律；養(yǎng)護(hù)時(shí)間愈長(zhǎng)，則水瀝比遞增幅度差異愈大。

3)分析了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性混合料滲透系數(shù)影響，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與滲透系數(shù)為負(fù)相關(guān)，養(yǎng)護(hù)28 d下滲透系數(shù)為1.4×10-8cm/s，而相同配合比試樣所測(cè)滲透系數(shù)相比養(yǎng)護(hù)14 d下降低12.5%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)滲透系數(shù)的抑制效應(yīng)在水灰比變化中并無一致性特征，但水瀝比可削弱養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)渠道防滲性的有利影響。