不同渠道衬砌形式防渗效果试验

许 璐

(新疆额尔齐斯河投资开发集团有限公司,乌鲁木齐 831100)

0 引 言

渠道衬砌是减少渗漏、节水、提升渠系水利用系数,确保输水安全,体现工程效益的重要举措。数十年来,我国广大技术人员始终致力于渠道防渗抗冻胀措施的研究设计,取得了显著的成绩,但是应用效果与试验段原型测试结果仍存在一定差距。基于此,文章以我国西部地区某灌区为例,对6种形式衬砌渠道的输水损失展开比较试验,研究过程及结果可为我国西北地区输水渠道衬砌形式的选择提供借鉴。

1 环境因素及运行工况

我国西部地区某灌区已建灌溉渠道总长度为3.846km,渠道设计流量1.1m3/s,渠道横断面全部为梯形,底宽1.2m,边坡系数1.5,渠深1.1m;大部分采用混凝土衬砌结构,防冻胀措施采用较少。试验期间工程所在地气温最低为-28℃,且渠坡不同位置地表温度和累计负温存在较大差异;坡面地表日温度最低值-22.7℃出现在2.65m处,渠脚地表日温度最低值为-17.4℃;观测期间2.65m处地表温度比11.65m处地表温度低0～2.6℃,比16.15m处低0.7～6.5℃;渠底16.15m处地表累计负温为2.65m处的70%。因地表累计负温不同,渠道不同区域冻胀量及冻深必然存在差异。

2020年10月28日～2021年10月28日,该灌溉渠道历经冻胀、融沉、输水、停水等运行阶段,恰好为一个完整的运行周期;据此,对应的渠坡变形也分成4个阶段:2020年10月28日～2021年1月28日的冻胀期,渠底冰层厚度为20cm左右,上覆40cm厚度的积雪层,渠坡以冻胀变形破坏形式为主;因春季环境温度变化的不确定性,冻胀期和融沉期的界限并不十分明显,故以2021年4月28日连续3d环境温度均位于0℃以上的日期为融沉变形起始日期;2021年7月28日以后渠道开始输水运行,同年10月28日停止输水。

2 试验设计

2.1 衬砌形式

结合该灌区渠道建设实际,此次试验主要选用现浇混凝土、土工布、保温板等材料组成4种复合防渗结构,并使用相应的材料制备出沥青油膏砂浆、聚硫密封胶闭孔塑料以及树脂油膏砂浆等成品,分别使用不同成品对伸缩缝展开防渗加固处治后,便形成几种不同形式的衬砌结构,见表1。按照设计要求,表中现浇混凝土采用C25强度等级标准,抗冻等级采用F100标准,抗渗等级则采用W4标准;所选用的复合防渗土工膜密度为860g/m3;选用30cm厚且密度≥20kg/m3的保温板。以该灌区相邻梯形土渠为对比渠道[1]。

表1 试验渠道衬砌结构形式

第1～10测桥根据渠道节制闸和分水口位置进行布置,测桥布置,见图1。

图1 测桥布置

测流过程借助流速仪实现,各测流断面均布设3条测线,对于不同测线均按照三点法的要求展开流速测量。测流观测断面分别设置于各段衬砌渠道首尾,第1测桥处固定布置1台流速仪,其余3台流速仪则按照“第1测桥-第2测桥-第3测桥-第4测桥”、“第1测桥-第5测桥-第6测桥-第7测桥”、“第1测桥-第8测桥-第9测桥-第10测桥”的布置方式流动观测。此外,在渠道堤岸通过φ20cm蒸发皿展开蒸发观测,分别于流速观测开始时及结束后记录蒸发皿内水量,为简化分析,假设试验期间无降雨[2]。

2.2 试验方法

采用动水法展开渠道输水损失计算,在渠道现状流速流量不变的情况下将上断面与下断面之间所设置的分水口全部关闭,此后,按照设计要求对流量损失展开观测。在展开以上测试的过程中,渠道运行规则基本上保持不变,故试验过程能较为真实客观地体现出流速、流量、水位等对渠道输水损失的影响[3]。具体而言,在应用流速仪和三点法观测数据的基础设,通过渠首和渠尾流量差确定渠道输水损失。在每个断面渠底中心处、渠底两侧坡脚处设置3条垂线,各断面复测至少5次。图中b为渠底宽,a1+a2+b=渠顶宽,h1、h2、h3为3条垂线高,A1、A2、A3、A4依次为渠道左边坡与垂线1、垂线1和垂线2、垂线2和垂线3、垂线3和渠道右边坡所形成的面积。渠道断面垂线布置,见图2。

3 渠道输水损失

考虑到该灌溉渠道各段衬砌长度均较短,采用动水法计算渠道输水损失必然产生较大误差。所以,在具体进行不同衬砌形式所对应流量损失值的量化计算时,必须在相邻三种衬砌结构流量的总损失中将所研究的衬砌结构以外的其余衬砌形式流量损失减除。

3.1 渠道流量误差

表2 不同测桥流量均值计算结果

3.2 渠道输水损失

采用首尾对比法展开该灌溉渠道输水损失的计算和分析,则所对应的单位流量输水损失率为qi=Qs/(Li·Q2),其中,qi为渠道不同衬砌形式的输水损失率,Qs为相应渠段流量,Li为各衬砌段长度。将该输水渠道不同衬砌形式相关参数代入式中后的计算结果,不同衬砌形式的输水损失率,见表3。根据表中结果,该灌区混凝土衬砌输水渠道输水损失率位于0.02371～0.03167m之间,远比土渠0.10489m的输水损失率小,说明采用混凝土衬砌后,输水渠道防渗效果明显增强。

根据试验结果还可以看出,保温板材料应用后,对衬砌渠道防渗效果无较大提升。衬砌形式1和形式3的防渗效果十分接近,形式2和形式4的防渗效果也相差不大,通过对这两组衬砌形式的比较可以体现出保温板的防渗效果。由于该灌区渠道衬砌结构仅经过1个冻融期,保温板的防渗效果尚未发挥,故是否铺设保温板对渠道防渗效果影响并不大。

衬砌形式5的防渗效果比形式6高出5.421%,说明抗裂合成纤维混凝土材料的防渗效果尚未得到有效发挥,为得到抗裂合成纤维混凝土渠道的实际防渗效果,必须经过长期运行观测。

从渠道衬砌结构伸缩缝处理效果来看,砂浆+树脂油膏填缝的防渗效果明显优于砂浆+沥青油膏填缝效果。若采用砂浆+树脂油膏处理现浇混凝土伸缩缝(即衬砌形式4),输水损失系数为0.02731m-1,比采用砂浆+沥青油膏处理现浇混凝土伸缩缝(即衬砌形式5)的输水损失系数低9.129%。

综合以上分析,在本试验所提出的6种灌区渠道现浇混凝土衬砌形式中,形式1防渗效果最好,形式3(即现浇混凝土+土工布;闭孔塑料+聚硫密封胶填缝)防渗效果次之,形式6防渗效果最差。

4 衬砌效果评价

4.1 节水效果

结合该灌区设计要求及运行实际,包括春秋灌溉在内的支渠放水为2次/年,放水时间约为20d/次。则混凝土衬砌渠道节水量应按下式计算:

Qd=8.64×T1×Q设×(q土-qi)

(1)

式中:Qd为衬砌渠道节水量;T1为渠道年工作天数;Q设为渠道设计流量;q土为土渠单位长度单位流量损失率;qi为衬砌渠道单位长度单位流量损失率。

将该灌区灌溉方案中所涉及的参数取值代入式(1),便可得到衬砌渠道节水量,见表4。由表中结果可知,该试验所提出的6种混凝土渠道衬砌形式节水效果均相当明显,防渗效果最佳的形式1每年每km节水量最大可达28.262×104m3,即使是防渗效果最差的衬砌形式6,年节水量也可以达到25.316×104m3/km。该灌区支渠总长度为3.846km,按照最佳防渗效果,年节水总量达99.493×104m3,支渠控制灌溉面积为410.1hm2,则单位节水量为2460.947m3/hm2。灌区支渠全部采用形式1,即“现浇混凝土+保温板+土工布;闭孔塑料+聚硫密封胶填缝”的衬砌形式,则年节水量比形式6(即“抗裂合成纤维混凝土;砂浆+沥青油膏填缝”)多出10.998×104m3[5]。

表4 灌区衬砌渠道节水量

4.2 投资效果

结合该灌区不同衬砌形式渠道的材料耗用及实际情况,渠道施工过程中必须清除腐殖土、挖填土方、调土、混凝土衬砌、安装模板、刨除树墩,根据工程所在地材料及人工价格,可以估算出渠道衬砌施工成本,再结合每年每km渠道节水量,便可得到衬砌渠道运行期限内每万元投资额的节水量。具体见表5。由表中计算结果,衬砌形式2(现浇混凝土+保温板;砂浆+树脂油膏填缝)在预计使用年限内单位投资额节水量最高,形式4(现浇混凝土;砂浆+树脂油膏填缝)次之,而形式1(现浇混凝土+保温板+土工布;闭孔塑料+聚硫密封胶填缝)每万元投资额节水量最低。

表5 不同衬砌形式下节水量的比较

综合考虑节水效果和投资效果析,衬砌形式1,即“现浇混凝土+保温板+土工布;闭孔塑料+聚硫密封胶填缝”使用年限长,节水效果最好,但是投资额也为最高,每万元投资额节水量最低,所以对于建设资金较为紧张的灌区而言,并不适用。

而衬砌形式2,即“现浇混凝土+保温板;砂浆+树脂油膏填缝”与其他衬砌形式相比,使用年限较长,节水量最大,为此,以该衬砌形式为该灌区首选。

为保证试验结论及分析结果的合理可靠,笔者建议,应当对该灌区渠道衬砌结构防渗及防冻胀效果展开长期观测分析,以佐证、充实和完善文章试验结论。

5 结 论

综上所述,灌区渠道防渗层及衬砌结构形式较多,而所使用的衬砌材料不外乎混凝土、水泥、砂石、伸缩缝止水、防渗膜料等。结合大量工程经验,影响渠道防渗效果的关键因素在于所使用衬砌材料的种类和质量,组成防渗层的各种材料品质的优劣,对渠道防渗起到主导作用。为提高渠道衬砌结构防渗抗冻胀效果,必须密切结合工程所在地环境条件,在设计意图实现的过程中,充分考虑影响渠道渗漏及冻胀的可能因素及潜在因素,并慎重选用衬砌材料。根据试验结果及综合分析,该灌区渠道最终选用节水量、投资额、防渗效果均较好的“现浇混凝土+保温板;砂浆+树脂油膏填缝”的衬砌形式。