不同渠道襯砌形式防滲效果試驗

許 璐

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)集團有限公司,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,我國廣大技術人員始終致力于渠道防滲抗凍脹措施的研究設計,取得了顯著的成績,但是應用效果與試驗段原型測試結果仍存在一定差距?；诖?文章以我國西部地區(qū)某灌區(qū)為例,對6種形式襯砌渠道的輸水損失展開比較試驗,研究過程及結果可為我國西北地區(qū)輸水渠道襯砌形式的選擇提供借鑒。

1 環(huán)境因素及運行工況

我國西部地區(qū)某灌區(qū)已建灌溉渠道總長度為3.846km,渠道設計流量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構,防凍脹措施采用較少。試驗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負溫存在較大差異;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處地表累計負溫為2.65m處的70%。因地表累計負溫不同,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、停水等運行階段,恰好為一個完整的運行周期;據(jù)此,對應的渠坡變形也分成4個階段: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日以后渠道開始輸水運行,同年10月28日停止輸水。

2 試驗設計

2.1 襯砌形式

結合該灌區(qū)渠道建設實際,此次試驗主要選用現(xiàn)澆混凝土、土工布、保溫板等材料組成4種復合防滲結構,并使用相應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伸縮縫展開防滲加固處治后,便形成幾種不同形式的襯砌結構,見表1。按照設計要求,表中現(xiàn)澆混凝土采用C25強度等級標準,抗凍等級采用F100標準,抗?jié)B等級則采用W4標準;所選用的復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)相鄰梯形土渠為對比渠道[1]。

表1 試驗渠道襯砌結構形式

第1～10測橋根據(jù)渠道節(jié)制閘和分水口位置進行布置,測橋布置,見圖1。

圖1 測橋布置

測流過程借助流速儀實現(xiàn),各測流斷面均布設3條測線,對于不同測線均按照三點法的要求展開流速測量。測流觀測斷面分別設置于各段襯砌渠道首尾,第1測橋處固定布置1臺流速儀,其余3臺流速儀則按照“第1測橋-第2測橋-第3測橋-第4測橋”、“第1測橋-第5測橋-第6測橋-第7測橋”、“第1測橋-第8測橋-第9測橋-第10測橋”的布置方式流動觀測。此外,在渠道堤岸通過φ20cm蒸發(fā)皿展開蒸發(fā)觀測,分別于流速觀測開始時及結束后記錄蒸發(fā)皿內(nèi)水量,為簡化分析,假設試驗期間無降雨[2]。

2.2 試驗方法

采用動水法展開渠道輸水損失計算,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置的分水口全部關閉,此后,按照設計要求對流量損失展開觀測。在展開以上測試的過程中,渠道運行規(guī)則基本上保持不變,故試驗過程能較為真實客觀地體現(xiàn)出流速、流量、水位等對渠道輸水損失的影響[3]。具體而言,在應用流速儀和三點法觀測數(shù)據(jù)的基礎設,通過渠首和渠尾流量差確定渠道輸水損失。在每個斷面渠底中心處、渠底兩側(cè)坡腳處設置3條垂線,各斷面復測至少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,見圖2。

3 渠道輸水損失

考慮到該灌溉渠道各段襯砌長度均較短,采用動水法計算渠道輸水損失必然產(chǎn)生較大誤差。所以,在具體進行不同襯砌形式所對應流量損失值的量化計算時,必須在相鄰三種襯砌結構流量的總損失中將所研究的襯砌結構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 不同測橋流量均值計算結果

3.2 渠道輸水損失

采用首尾對比法展開該灌溉渠道輸水損失的計算和分析,則所對應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為相應渠段流量,Li為各襯砌段長度。將該輸水渠道不同襯砌形式相關參數(shù)代入式中后的計算結果,不同襯砌形式的輸水損失率,見表3。根據(jù)表中結果,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,遠比土渠0.10489m的輸水損失率小,說明采用混凝土襯砌后,輸水渠道防滲效果明顯增強。

根據(jù)試驗結果還可以看出,保溫板材料應用后,對襯砌渠道防滲效果無較大提升。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,通過對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)渠道襯砌結構僅經(jīng)過1個凍融期,保溫板的防滲效果尚未發(fā)揮,故是否鋪設保溫板對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際防滲效果,必須經(jīng)過長期運行觀測。

從渠道襯砌結構伸縮縫處理效果來看,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 襯砌效果評價

4.1 節(jié)水效果

結合該灌區(qū)設計要求及運行實際,包括春秋灌溉在內(nèi)的支渠放水為2次/年,放水時間約為20d/次。則混凝土襯砌渠道節(jié)水量應按下式計算:

Qd=8.64×T1×Q設×(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設為渠道設計流量;q土為土渠單位長度單位流量損失率;qi為襯砌渠道單位長度單位流量損失率。

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,見表4。由表中結果可知,該試驗所提出的6種混凝土渠道襯砌形式節(jié)水效果均相當明顯,防滲效果最佳的形式1每年每km節(jié)水量最大可達28.262×104m3,即使是防滲效果最差的襯砌形式6,年節(jié)水量也可以達到25.316×104m3/km。該灌區(qū)支渠總長度為3.846km,按照最佳防滲效果,年節(jié)水總量達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

結合該灌區(qū)不同襯砌形式渠道的材料耗用及實際情況,渠道施工過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格,可以估算出渠道襯砌施工成本,再結合每年每km渠道節(jié)水量,便可得到襯砌渠道運行期限內(nèi)每萬元投資額的節(jié)水量。具體見表5。由表中計算結果,襯砌形式2(現(xiàn)澆混凝土+保溫板;砂漿+樹脂油膏填縫)在預計使用年限內(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,節(jié)水效果最好,但是投資額也為最高,每萬元投資額節(jié)水量最低,所以對于建設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,節(jié)水量最大,為此,以該襯砌形式為該灌區(qū)首選。

為保證試驗結論及分析結果的合理可靠,筆者建議,應當對該灌區(qū)渠道襯砌結構防滲及防凍脹效果展開長期觀測分析,以佐證、充實和完善文章試驗結論。

5 結 論

綜上所述,灌區(qū)渠道防滲層及襯砌結構形式較多,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。結合大量工程經(jīng)驗,影響渠道防滲效果的關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,對渠道防滲起到主導作用。為提高渠道襯砌結構防滲抗凍脹效果,必須密切結合工程所在地環(huán)境條件,在設計意圖實現(xiàn)的過程中,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)試驗結果及綜合分析,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。