農(nóng)田水利建設(shè)中渠道防滲加固技術(shù)研究

秦兆明

（費(fèi)縣應(yīng)急保障服務(wù)中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

農(nóng)田灌溉與農(nóng)業(yè)種植息息相關(guān), 其中農(nóng)田飲水渠是灌溉中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。然而，我國明渠灌溉系統(tǒng)經(jīng)常由于水渠滲漏而失水， 據(jù)報(bào)道部分地區(qū)渠道會(huì)因滲漏損失30%~50%的灌溉水, 導(dǎo)致引水灌溉工程不能正常進(jìn)行, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多阻礙[1-3]。渠道襯砌是當(dāng)前使用范圍最廣的一種防滲加固技術(shù)，由于襯砌渠道能夠承受較高的平均流速，因此可以節(jié)省渠道和土地橫截面積，并相應(yīng)節(jié)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(shè)在更平坦的河床坡度上，相應(yīng)地增加了灌溉面積和發(fā)電工作水頭[4-7]。此外，在維修費(fèi)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(hù)成本低于未襯砌渠道的維護(hù)成本。因此渠道襯砌技術(shù)可以最低的成本將水渠的滲漏損失降至最低，同時(shí)還起到了加固作用。傳統(tǒng)的渠道襯砌材料包括壓實(shí)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(shí)土需要就地取材，鋼筋混凝土襯砌造價(jià)昂貴，滑模素混凝土要求重型施工設(shè)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?jié)B混凝土混合料。本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，采用了一種新型EN-1固化劑，研究了不同摻量的EN-1對(duì)混凝土流動(dòng)性、坍落度、抗壓強(qiáng)度以及滲透性的影響，并將其應(yīng)用于實(shí)際渠道當(dāng)中進(jìn)行測(cè)試，研究結(jié)果表明，摻入EN-1能夠?qū)r(nóng)田水渠進(jìn)行加固防滲，可用于實(shí)際工程中。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(jí)粉煤灰，通過XRD光譜分析測(cè)得其主要化學(xué)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(jù)前期的配合比設(shè)計(jì)，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(chǎn)的EN-1新型化學(xué)劑，可以降低混凝土試樣滲透性，為對(duì)比分析設(shè)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(shù)。試驗(yàn)先在攪拌機(jī)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(shí)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(dòng)成型，待觀察無任何凝結(jié)跡象，抗壓強(qiáng)度無任何退化后，送入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

表1 硅灰各組分含量

表2 骨料物理參數(shù)

圖1 混凝土砂漿

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)性與強(qiáng)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(yùn)輸、澆注、搗實(shí)等）并能獲得質(zhì)量均勻、成型密實(shí)的性能，其含義包含流動(dòng)性、黏聚性及保水性，也稱混凝土的工作性。本文選擇流動(dòng)性來對(duì)砂漿性質(zhì)進(jìn)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(dòng)距離之間的關(guān)系。由圖2可知，未添加EN-1劑的砂漿總體上表現(xiàn)出較大的流動(dòng)性，當(dāng)齡期為30 min時(shí)砂漿的流動(dòng)范圍最大，達(dá)到了132 mm，當(dāng)齡期為45 min時(shí)最小，流動(dòng)范圍為113 mm。對(duì)于含有EN-1外加劑的砂漿，其流動(dòng)性隨混凝土齡期的增長(zhǎng)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(dòng)，而體積含量1/100的砂漿在拌制60 min后停止流動(dòng)。因此可以得出，EN-1能夠增強(qiáng)混凝土的黏結(jié)性能，在短時(shí)間內(nèi)即可獲得較高的黏結(jié)強(qiáng)度。

圖2 混凝土砂漿齡期與流動(dòng)距離之間的關(guān)系

圖3 給出了不同含量外加劑下，試樣抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。如圖3所示，當(dāng)養(yǎng)護(hù)天數(shù)為7 d時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨EN-1含量呈拋物線變化，當(dāng)EN-1含量為1/300時(shí)，試樣單軸抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到29.2 MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)天數(shù)為28 d時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度隨EN-1含量呈線性增長(zhǎng)變化，當(dāng)EN-1含量為1/100時(shí)，試樣單軸抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到32.5 MPa。與對(duì)照混合物相比，摻有EN-1的砂漿混合物的抗壓強(qiáng)度在7 d和28 d內(nèi)呈現(xiàn)出2.5%（較低的EN-1濃度）到10%（較高的濃度）范圍內(nèi)的增量。根據(jù)表3混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)EN-1砂漿混合物的直接抗拉強(qiáng)度值低于對(duì)照混合物的直接抗拉強(qiáng)度值，但含有1/500 EN-1的混合物的直接抗拉強(qiáng)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(dòng)距離之間的關(guān)系

表3 混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)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?xí)r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(jié)構(gòu)以及其硬化后的密實(shí)度，因而在組成材料給定的情況下，水灰比是決定混凝土強(qiáng)度、耐久性和其他一系列物理力學(xué)性能的主要參數(shù)。本文探討了兩種不同水灰比下，混凝土的坍落度的變化規(guī)律。圖4給出了w/c為0.45時(shí)，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(zhǎng)呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，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(dāng)EN-1濃度為1/300，混凝土的坍落度最大，其中齡期為0 min時(shí)，達(dá)到了140 mm；當(dāng)EN-1濃度為1/100，混凝土的坍落度最小，其中齡期為30 min時(shí)，達(dá)到了20 mm。圖5給出了w/c為0.6時(shí)，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(duì)混凝土的性能有明顯影響，未添加EN-1的混凝土在整個(gè)齡期內(nèi)坍落度未出現(xiàn)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(shí)的198 mm。此外，當(dāng)EN-1為1/100時(shí)，坍落度最小，最低為齡期120 min時(shí)的18 mm。

圖4 w/c=0.45時(shí)混凝土坍落度隨齡期的變化情況

圖5 w/c=0.6時(shí)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(yīng)用分析

為了評(píng)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(nèi)試驗(yàn)中所得到的配比應(yīng)用于長(zhǎng)約47 m的水渠襯砌當(dāng)中，如圖6所示。此外在小部分距離內(nèi)，還使用傳統(tǒng)混凝土襯砌對(duì)水渠加固來進(jìn)行對(duì)比分析。首先，通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，新型和傳統(tǒng)襯砌均出現(xiàn)了一定裂縫，但裂縫不深且發(fā)生在表層，對(duì)渠道使用影響不大。此外，為探究傳統(tǒng)混凝土與EN-1混凝土在實(shí)際工程中的抗壓強(qiáng)度，本文從EN-1和傳統(tǒng)混凝土襯里中提取了一組試樣，測(cè)定了提取樣品的抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)，結(jié)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(qiáng)度均大于傳統(tǒng)混凝土，施工28 d后，傳統(tǒng)混凝土的強(qiáng)度為25.1 MPa，而EN-1混凝土的強(qiáng)度為33.8 MPa，說明EN-1混凝土能夠?qū)λ鸬矫黠@的加固作用。此外在滲透系數(shù)方面，EN-1混凝土在養(yǎng)護(hù)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(píng)估引水后，襯砌后水位的變化趨勢(shì)，本文在傳統(tǒng)和新型混凝土襯砌后1 m處埋置了水位傳感器，對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的灌溉水位監(jiān)測(cè)。由圖7可知，通過200 d的監(jiān)測(cè)，EN-1襯里的壓力計(jì)讀數(shù)一直小于傳統(tǒng)襯，這表明EN-1外加劑能夠?qū)⒁r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(shí)際工程當(dāng)中。

圖6 新型混凝土襯砌

表4 混凝土強(qiáng)度與滲透系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

圖7 襯砌后水頭壓力測(cè)試

4 結(jié)論

農(nóng)田引水渠作為重要的輸水建筑物，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。而我國明渠灌溉系統(tǒng)經(jīng)常由于水渠滲漏而失水，導(dǎo)致引水灌溉工程不能正常進(jìn)行，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多阻礙。針對(duì)這一問題，本文以混凝土水渠襯砌系統(tǒng)為研究對(duì)象，引入了一種美國生產(chǎn)的EN-1混凝土外加劑，并通過試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)加入EN-1外加劑的混凝土無論是在強(qiáng)度和坍落度等性能上都要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土，能夠?qū)λ鸬郊庸套饔?。同時(shí)，通過200 d的室外檢測(cè)得出，EN-1外加劑混凝土能夠?qū)⒁r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(nóng)業(yè)灌溉用水，因此可以用于實(shí)際工程當(dāng)中。