矩形渠道防渗抗冻设计优化与研究

闫 科

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 835000)

随着政府对农业生产重视程度的不断提高，近些年来农田水利得到大力发展。其中水利渠道是农田水利工程的重要组成部分，合理设计、适当改善渠道用材、优化施工方案对渠道的长期抗渗及抗冻性能具有十分重要的意义，可显著提高渠道灌溉用水的利用系数[1]。

影响渠道渗透抗冻的因素较多，如地质原因、冻胀问题、地下水反渗、材料问题等等。渠道的防渗抗冻优化设计必须结合当地的地形、水资源及农业分布情况，在初步规划、施工准备、施工阶段以及运行维护各阶段做好设计[2-3]。防渗渠道的合理使用，不仅可以节约用水，还能控制地下水，减少工程淤泥量，提高灌溉效益，达到增产增收的目的[4]。

目前，最为常用的水利渠道为U形、梯形及弧形渠底梯形等新形式。由于矩形渠道具有断面规则、施工工艺简单、节约耕地等优点，仍被广泛应用于山区及耕地资源贫瘠地区[5]。因此，本文以新疆某地区农田水利渠道为例，分析水胶比、粉煤灰、抗冻剂及断面结构尺寸对矩形渠道防渗抗冻性能的影响，以期为类似工程的设计施工提供参考与借鉴。

1 试验概况

1.1 配合比设计

农田水利的渠道衬砌一般采用C20强度等级的混凝土，由于新疆地区耕地较少，水资源贫瘠、昼夜温差较大且冬季气候寒冷，因此在抗渗性能的前提下还需考虑渠道的抗冻性能。在混凝土中，胶凝材料起主导作用。本文选取0.34和0.4两个水胶比，采用等量粉煤灰替代水泥，掺加量为10%和20%，引气量为2%，抗冻剂掺量为2%和4%，具体配合比参数见表1 。

表1 配合比设计参数

1.2 断面尺寸设计

渠道的设计流量、最小流量以及加大流量是渠道断面设计的主要依据(本工程设计引水流量为0.3 m3/s左右)。渠道的断面尺寸要考虑最佳过流参数，还需要考虑当地的耕地资源、施工难度和投入等因素。根据渠道断面水力设计步骤，得到不同渠道宽深比下矩形渠道的断面尺寸设计参数，见表2。

表2 渠道断面尺寸设计

2 试验结果分析

2.1 强度试验结果

试验得到的不同配合比条件下标准养护28 d后混凝土的强度特征见图1。从图1可以看到，1～4组为水胶比0.34，其整体抗压强度均高于水胶比0.4条件下的强度值；相同水胶比和粉煤灰掺量条件下，随着抗冻剂掺量的增加，混凝土强度也有所增加；同等水胶比和抗冻剂掺量下，20%掺量下的混凝土强度要略高于10%混凝土掺量的强度值。出现上述变化特征的原因在于粉煤灰的适当掺入，可以填补混凝土的孔隙，而抗冻剂的掺入则使得混凝土的水化产物增加，提高了混凝土的密实度，因而强度会有所提高。从强度的整体特征来讲，对混凝土强度影响的先后顺序分别为：水胶比>粉煤灰>抗冻剂掺量。从强度定义最佳配合比来讲，选取水胶比0.34，粉煤灰掺量20%以及抗冻剂掺量为2%时最适宜。

2.2 抗冻性能试验结果

利用快速冻融机和动弹性模量测定仪对混凝土进行冻融多次情况下的抗冻性能评定，其结果见图2。从图2中可以看到，随着冻融循环次数的增加，动弹性模量相对量Pn呈指数型函数递减，表明其动弹性模量的减小幅度在逐渐增大，当循环次数超过100次时，减小幅度尤其明显；而混凝土的质量相对损失量W随着冻融循环次数的增加基本呈线性增加。 从整体上可以看出，加入20%粉煤灰、2%引气量以及2%抗冻剂的抗冻性能最佳，这是因为粉煤灰和引气量在一定程度上可以改善骨料孔隙结构，使得混凝土内存在各级孔径的孔隙，增加了无害孔隙，减少了来自孔隙水压力的伤害。而在另一方面，抗冻剂的加入又增加了密实孔的含量，因而整体上大大提高了混凝土的抗冻性能。

图1 强度随配比变化的特征

2.3 渗透性试验结果

对各组试件进行抗渗性能测试，其所能承受的最大静水压力而未出现渗水的压力值见图3。从图3 中可以看到，各组试件所能承受的最大静水压力值特征与强度特征表现一致，在水胶比0.34下，1～4组所能达到的抗渗等级分别为P4、P8、P6和P10；而在水胶比0.4下，5～8组所能达到的抗渗等级分别为P4、P6、P4和P8。可见，从抗渗特性来讲，在水胶比0.34情况下，加入20%粉煤灰、2%引气量以及2%抗冻剂的效果最佳。

图3 抗渗性能分析

3 不同尺寸渠道渠系水利用系数

上文对不同配合比下混凝土的耐久性和抗渗抗冻特性进行了分析，并得出采用水胶比0.34，加入20%粉煤灰、2%引气量以及2%抗冻剂的效果最佳。以此配合比拌制混凝土，以1∶4比例按表2中的尺寸在相同试验环境中制作成相应的渠道模型，每条渠道长度25 m，在渠道一端通入0.075 m3/s的水量，在另外一端收集水量，进行8 h连续不断试验，对其进行渠系水利用系数的测量，测量结果见图4。

图4 渠系水利用系数随宽深比关系

从图4中可以看到，随着宽深比的增加，渠系水的利用系数有逐渐降低的趋势，在宽深比为0.83，渠底比降为0.005以及宽深比为0.86，渠底坡降为0.002时，利用系数相差不大，均能达到0.78；而当宽深比达到1.25，渠底比降为0.000 3时，渠系水利用系数仅为0.63。可见，在矩形渠道设计当中，应该尽量使用宽深比较小且比降尽量较大。考虑到新疆地区优质耕地资源较少，因而该地区的设计更应该使用宽深比小的渠道尺寸进行供水，能到达最佳的经济和社会效益。

4 结 论

由于矩形渠道具有的特殊优势，在将来仍会是渠道断面形式的常用方案之一，如何对其进行反防渗和抗冻性能的合理设计和优化，将直接关系到渠道所发挥的经济和社会效益。在混凝土渠道设计施工过程中，应采取合理的水胶比并掺入一定量的粉煤灰和抗冻剂，同时尽量选择宽深比较小的矩形断面尺寸，以便达到防渗抗冻和提高渠系水利用的最佳效果。