多功能蒸滲測坑一體化結(jié)構(gòu)在泉州市灌溉試驗中心站的應(yīng)用

曾少森

(泉州市山美灌區(qū)水資源調(diào)配中心，福建 泉州 362000)

1 引 言

灌溉試驗是水利建設(shè)與管理的一項重要基礎(chǔ)性工作。我國曾幾次規(guī)?；_展了灌溉試驗工作，建設(shè)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(nóng)田灌排工程建設(shè)、灌溉用水管理及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)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(shè)中極其重要的一部分，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)各式各樣。蒸滲測坑屬于非稱重式蒸滲測坑，一般建設(shè)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(shè)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(jù)水利部對灌溉試驗的整體規(guī)劃布局，近五年內(nèi)，國內(nèi)各地試驗站開始升級改造原蒸滲測坑或建設(shè)新蒸滲測坑，應(yīng)用新型技術(shù)提高觀測精度，提高整個蒸滲測坑的自動化能力，實現(xiàn)信息化目標(biāo)。國內(nèi)建設(shè)蒸滲測坑普遍采用分散式結(jié)構(gòu)，非稱重式蒸滲測坑、稱重式蒸滲儀、蒸滲測筒各建設(shè)成1個獨立地下室，投入3次人力物力，3類不同人員建設(shè)3類獨立的觀測系統(tǒng)。隨著國內(nèi)蒸滲測坑技術(shù)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計的成熟以及信息化的發(fā)展，采用更加適合泉州灌溉試驗站應(yīng)用要求的一體化結(jié)構(gòu)，提高蒸滲測坑試驗效率和蒸滲測坑信息化技術(shù)水平，為灌溉試驗蒸滲測坑信息化的開展奠定了基礎(chǔ)。

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(wǎng)建設(shè)。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(zhèn)；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(wù)與功能是承擔(dān)水利部布置的農(nóng)田水利常規(guī)試驗工作：收集整理灌溉農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定期匯總整編灌溉試驗資料上報，承擔(dān)水利部或高校協(xié)作研究任務(wù)和福建省設(shè)置的科研課題, 推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)、作物灌溉科研成果的示范推廣工作。因工作需要試驗站內(nèi)建設(shè)有水稻試區(qū)、旱作物試區(qū)、花卉試區(qū)、坡地試區(qū)、高效節(jié)水灌溉和水生態(tài)修復(fù)試驗區(qū)，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(jù)生產(chǎn)生活需要，布置主干道進(jìn)站道路、機耕道連接道路和圍墻等附屬設(shè)施，項目總占地面積76.2畝。

泉州試驗站蒸滲測坑結(jié)構(gòu)建設(shè)初期參考全國試驗站蒸滲測坑建設(shè)情況，計劃采用分散式結(jié)構(gòu)建設(shè)，即在灌溉試驗站內(nèi)東側(cè)并列開挖2個地下室分別建設(shè)大型稱重式蒸滲儀、蒸滲測坑及軌道式蒸滲測筒，同時建設(shè)獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但在地質(zhì)勘察過程中，發(fā)現(xiàn)試驗站東側(cè)有部分場地靠近河道，不適合開挖建設(shè)地下室，即無法將兩個地下室并列建設(shè)?？睖y同時發(fā)現(xiàn)該地段一側(cè)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(shè)計參考全國灌溉試驗站分散式結(jié)構(gòu)建設(shè)，若再次遭遇特大山洪，所投入的大量科研設(shè)備儀器會損壞，造成不必要的國家財產(chǎn)損失，而且山洪也威脅到正在試驗區(qū)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(jié)構(gòu)。設(shè)計考慮試驗站蒸滲測坑一體化結(jié)構(gòu)的防滲水平、防剪切浮力問題、防臺風(fēng)因素及防洪水能力。對比原分散式結(jié)構(gòu)，該一體化設(shè)計使蒸滲測坑試驗區(qū)占用農(nóng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

蒸滲測坑、稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測筒一體化結(jié)構(gòu)整體采用地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見圖1)，包括南側(cè)上下樓道、軌道式蒸滲測筒、測筒區(qū)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(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室、供水水箱、北側(cè)上下樓道、地下室通風(fēng)口，其特征在于：所述一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計兩端均設(shè)置上下樓道(1、12)，從南側(cè)上下樓道1進(jìn)入，通往軌道式蒸滲測筒(2)，經(jīng)過軌道式蒸滲測筒與大型稱重式蒸滲儀連接縫(3)后，進(jìn)入大型稱重式蒸滲儀試驗區(qū)，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(xù)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(fēng)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(cè)，地下水位控制大廳(9)與蒸滲測坑保護坑(7)相鄰；繼續(xù)往里，可見蒸滲測坑數(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室(10)，位于最里端半層樓處，通過半層樓處北側(cè)上下樓道進(jìn)出地下實驗區(qū)。

圖1 測坑、測筒一體化結(jié)構(gòu)

3.1 一體化設(shè)計關(guān)鍵點

一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計與分散式結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，性能指標(biāo)更為嚴(yán)格，考慮一體化結(jié)構(gòu)整體長度由原來分散式的35m變成了一體式的76m，該結(jié)構(gòu)設(shè)計時須充分考慮抗剪切力和抗浮力，在按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算強度時設(shè)置一個安全性能系數(shù)并根據(jù)泉州試驗站因地制宜考慮防洪水防臺風(fēng)及地下水防滲設(shè)計。

3.2 鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

3.3 防水結(jié)構(gòu)

防水結(jié)構(gòu)參考《地下建筑防水構(gòu)造》(10J301)，使一體化結(jié)構(gòu)防水等級達(dá)到國家地下建筑防水等級一級標(biāo)準(zhǔn)，即不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無濕漬。

底板防水設(shè)計[2]從上到下標(biāo)準(zhǔn)步驟依次為：C30鋼筋混凝土地板、水泥基滲透結(jié)晶防水涂料、防水砂漿保護層、三合一高分子自修復(fù)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(shè)計示意圖

外墻防水設(shè)計[2]從左到右標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計示意圖

因為頂板上部為作物種植區(qū)，頂板防水設(shè)計[2]采取種頂防水標(biāo)準(zhǔn)，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(xì)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(shè)計示意圖

3.4 試驗區(qū)頂板、頂板變形縫設(shè)計

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

圖5 底板和頂板變形縫防水構(gòu)造(單位：mm)

3.5 雙上下樓道設(shè)計

一體化結(jié)構(gòu)使整個地下室加長，東西各設(shè)計一個上下樓道。

4 一體化結(jié)構(gòu)的作用

灌溉試驗站中核心的試驗平臺為蒸滲測坑試驗設(shè)施。蒸滲測坑試驗設(shè)施承擔(dān)著農(nóng)作物需水量觀測的任務(wù)，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(jié)水技術(shù)試驗的主要觀測平臺，其中蒸滲測坑裝置主要側(cè)重于使用測坑地下自動供排水裝置及測坑土壤傳感器監(jiān)測設(shè)備研究水分運移規(guī)律、節(jié)水灌溉技術(shù)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(nèi)作物的蒸騰蒸發(fā)量；軌道式蒸滲測筒裝置側(cè)重開展多個小型測筒內(nèi)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(nèi)作物日蒸騰蒸發(fā)量。一體化結(jié)構(gòu)建設(shè)完成后，可開展水利部布置的農(nóng)田水利常規(guī)試驗，承擔(dān)水利部或高校協(xié)作研究任務(wù)和省級設(shè)置的科研課題, 推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)和作物灌溉科研成果。

5 一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

a.一體化結(jié)構(gòu)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(shè)計，防水等級達(dá)到國家地下建筑防水一級標(biāo)準(zhǔn)，解決了泉州灌溉試驗站防洪、防滲、防臺風(fēng)問題。

b.建設(shè)成地下混凝土一體化結(jié)構(gòu)，做試驗測量不僅不受外界風(fēng)雨天氣的干擾，同時避免了原每個試驗區(qū)單獨建設(shè)造成的重復(fù)性建筑占地，此結(jié)構(gòu)便于試驗人員集中開展科研試驗。

c.一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計成“一”字形，蒸滲測坑試驗區(qū)地表設(shè)計成一套3截自動防雨棚，從而避免了原分散式結(jié)構(gòu)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(qū)域各建一套自動防雨棚。

d.一體化結(jié)構(gòu)使三類蒸滲測坑試驗設(shè)施集中布局，便于蒸滲測坑試驗數(shù)據(jù)集中采集到蒸滲測坑數(shù)據(jù)電腦監(jiān)控室，為所有數(shù)據(jù)集中管理、集中進(jìn)行信息化數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸提供了便利。

e.一體化結(jié)構(gòu)的蒸滲測坑數(shù)據(jù)采集區(qū)的電腦監(jiān)控室內(nèi)布置3臺工控計算機，測坑數(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室面向地下水位控制大廳一側(cè)設(shè)有玻璃窗，在試驗區(qū)域布設(shè)監(jiān)控設(shè)備，便于在監(jiān)控室查看試驗設(shè)施運行狀況。

6 一體化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

6.1 測坑基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)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(jìn)行了調(diào)研，對比結(jié)果如表1所列。

從表1分析可得：采用一體化結(jié)構(gòu)可少占地54～74m2，基建工程預(yù)算節(jié)約30萬～40萬元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(shù)據(jù)對比

廣西欽州試驗站采取應(yīng)用一體化結(jié)構(gòu)蒸滲測坑，系統(tǒng)從測坑、測筒、蒸滲儀采集到的土壤數(shù)據(jù)，在同一個小氣候條件內(nèi)、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(shè)，收集了3個區(qū)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(shù)據(jù)差別較大，最大差值達(dá)到1.4℃。由于該結(jié)構(gòu)屬于最新設(shè)計結(jié)構(gòu)，試驗數(shù)據(jù)相對較少。數(shù)據(jù)對比情況詳見表2～表3。

表2 欽州市欽靈灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)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(shè)備數(shù)據(jù)選取對比(一體化結(jié)構(gòu))

表3 江蘇省水利科學(xué)研究院沿海試驗基地項目測坑測筒溫度設(shè)備數(shù)據(jù)選取對比(分散式建設(shè)結(jié)構(gòu))

7 結(jié) 語

該一體化結(jié)構(gòu)采用地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)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(jié)構(gòu)抗剪切力和抗浮力參數(shù)；測坑按使用50年設(shè)計，防水等級達(dá)到國家地下建筑防水一級標(biāo)準(zhǔn)，解決了泉州灌溉試驗站防洪、防滲、防臺風(fēng)問題。

該一體化結(jié)構(gòu)較分散式結(jié)構(gòu)節(jié)約了10%～20%占地面積，蒸滲測坑測筒試驗平臺基建節(jié)約了5%～15%經(jīng)費，信息化建設(shè)經(jīng)費投入少，傳輸更便捷。

該一體化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模式，符合現(xiàn)代化經(jīng)濟節(jié)能理念，滿足現(xiàn)代信息化建設(shè)要求。這種新型蒸滲測坑試驗平臺結(jié)構(gòu)模式可供全國其他灌溉試驗站參考。