矩形渠道防滲抗凍設(shè)計(jì)優(yōu)化與研究

閆 科

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，烏魯木齊 835000)

隨著政府對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重視程度的不斷提高，近些年來農(nóng)田水利得到大力發(fā)展。其中水利渠道是農(nóng)田水利工程的重要組成部分，合理設(shè)計(jì)、適當(dāng)改善渠道用材、優(yōu)化施工方案對渠道的長期抗?jié)B及抗凍性能具有十分重要的意義，可顯著提高渠道灌溉用水的利用系數(shù)[1]。

影響渠道滲透抗凍的因素較多，如地質(zhì)原因、凍脹問題、地下水反滲、材料問題等等。渠道的防滲抗凍優(yōu)化設(shè)計(jì)必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦巍⑺Y源及農(nóng)業(yè)分布情況，在初步規(guī)劃、施工準(zhǔn)備、施工階段以及運(yùn)行維護(hù)各階段做好設(shè)計(jì)[2-3]。防滲渠道的合理使用，不僅可以節(jié)約用水，還能控制地下水，減少工程淤泥量，提高灌溉效益，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的[4]。

目前，最為常用的水利渠道為U形、梯形及弧形渠底梯形等新形式。由于矩形渠道具有斷面規(guī)則、施工工藝簡單、節(jié)約耕地等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于山區(qū)及耕地資源貧瘠地區(qū)[5]。因此，本文以新疆某地區(qū)農(nóng)田水利渠道為例，分析水膠比、粉煤灰、抗凍劑及斷面結(jié)構(gòu)尺寸對矩形渠道防滲抗凍性能的影響，以期為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考與借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 配合比設(shè)計(jì)

農(nóng)田水利的渠道襯砌一般采用C20強(qiáng)度等級的混凝土，由于新疆地區(qū)耕地較少，水資源貧瘠、晝夜溫差較大且冬季氣候寒冷，因此在抗?jié)B性能的前提下還需考慮渠道的抗凍性能。在混凝土中，膠凝材料起主導(dǎo)作用。本文選取0.34和0.4兩個(gè)水膠比，采用等量粉煤灰替代水泥，摻加量為10%和20%，引氣量為2%，抗凍劑摻量為2%和4%，具體配合比參數(shù)見表1 。

表1 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 斷面尺寸設(shè)計(jì)

渠道的設(shè)計(jì)流量、最小流量以及加大流量是渠道斷面設(shè)計(jì)的主要依據(jù)(本工程設(shè)計(jì)引水流量為0.3 m3/s左右)。渠道的斷面尺寸要考慮最佳過流參數(shù)，還需要考慮當(dāng)?shù)氐母刭Y源、施工難度和投入等因素。根據(jù)渠道斷面水力設(shè)計(jì)步驟，得到不同渠道寬深比下矩形渠道的斷面尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)，見表2。

表2 渠道斷面尺寸設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到的不同配合比條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后混凝土的強(qiáng)度特征見圖1。從圖1可以看到，1～4組為水膠比0.34，其整體抗壓強(qiáng)度均高于水膠比0.4條件下的強(qiáng)度值；相同水膠比和粉煤灰摻量條件下，隨著抗凍劑摻量的增加，混凝土強(qiáng)度也有所增加；同等水膠比和抗凍劑摻量下，20%摻量下的混凝土強(qiáng)度要略高于10%混凝土摻量的強(qiáng)度值。出現(xiàn)上述變化特征的原因在于粉煤灰的適當(dāng)摻入，可以填補(bǔ)混凝土的孔隙，而抗凍劑的摻入則使得混凝土的水化產(chǎn)物增加，提高了混凝土的密實(shí)度，因而強(qiáng)度會(huì)有所提高。從強(qiáng)度的整體特征來講，對混凝土強(qiáng)度影響的先后順序分別為：水膠比>粉煤灰>抗凍劑摻量。從強(qiáng)度定義最佳配合比來講，選取水膠比0.34，粉煤灰摻量20%以及抗凍劑摻量為2%時(shí)最適宜。

2.2 抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

利用快速凍融機(jī)和動(dòng)彈性模量測定儀對混凝土進(jìn)行凍融多次情況下的抗凍性能評定，其結(jié)果見圖2。從圖2中可以看到，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，動(dòng)彈性模量相對量Pn呈指數(shù)型函數(shù)遞減，表明其動(dòng)彈性模量的減小幅度在逐漸增大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過100次時(shí)，減小幅度尤其明顯；而混凝土的質(zhì)量相對損失量W隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加基本呈線性增加。 從整體上可以看出，加入20%粉煤灰、2%引氣量以及2%抗凍劑的抗凍性能最佳，這是因?yàn)榉勖夯液鸵龤饬吭谝欢ǔ潭壬峡梢愿纳乒橇峡紫督Y(jié)構(gòu)，使得混凝土內(nèi)存在各級孔徑的孔隙，增加了無害孔隙，減少了來自孔隙水壓力的傷害。而在另一方面，抗凍劑的加入又增加了密實(shí)孔的含量，因而整體上大大提高了混凝土的抗凍性能。

圖1 強(qiáng)度隨配比變化的特征

2.3 滲透性試驗(yàn)結(jié)果

對各組試件進(jìn)行抗?jié)B性能測試，其所能承受的最大靜水壓力而未出現(xiàn)滲水的壓力值見圖3。從圖3 中可以看到，各組試件所能承受的最大靜水壓力值特征與強(qiáng)度特征表現(xiàn)一致，在水膠比0.34下，1～4組所能達(dá)到的抗?jié)B等級分別為P4、P8、P6和P10；而在水膠比0.4下，5～8組所能達(dá)到的抗?jié)B等級分別為P4、P6、P4和P8。可見，從抗?jié)B特性來講，在水膠比0.34情況下，加入20%粉煤灰、2%引氣量以及2%抗凍劑的效果最佳。

圖3 抗?jié)B性能分析

3 不同尺寸渠道渠系水利用系數(shù)

上文對不同配合比下混凝土的耐久性和抗?jié)B抗凍特性進(jìn)行了分析，并得出采用水膠比0.34，加入20%粉煤灰、2%引氣量以及2%抗凍劑的效果最佳。以此配合比拌制混凝土，以1∶4比例按表2中的尺寸在相同試驗(yàn)環(huán)境中制作成相應(yīng)的渠道模型，每條渠道長度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，進(jìn)行8 h連續(xù)不斷試驗(yàn)，對其進(jìn)行渠系水利用系數(shù)的測量，測量結(jié)果見圖4。

圖4 渠系水利用系數(shù)隨寬深比關(guān)系

從圖4中可以看到，隨著寬深比的增加，渠系水的利用系數(shù)有逐漸降低的趨勢，在寬深比為0.83，渠底比降為0.005以及寬深比為0.86，渠底坡降為0.002時(shí)，利用系數(shù)相差不大，均能達(dá)到0.78；而當(dāng)寬深比達(dá)到1.25，渠底比降為0.000 3時(shí)，渠系水利用系數(shù)僅為0.63?？梢姡诰匦吻涝O(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該盡量使用寬深比較小且比降盡量較大?？紤]到新疆地區(qū)優(yōu)質(zhì)耕地資源較少，因而該地區(qū)的設(shè)計(jì)更應(yīng)該使用寬深比小的渠道尺寸進(jìn)行供水，能到達(dá)最佳的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié) 論

由于矩形渠道具有的特殊優(yōu)勢，在將來仍會(huì)是渠道斷面形式的常用方案之一，如何對其進(jìn)行反防滲和抗凍性能的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，將直接關(guān)系到渠道所發(fā)揮的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在混凝土渠道設(shè)計(jì)施工過程中，應(yīng)采取合理的水膠比并摻入一定量的粉煤灰和抗凍劑，同時(shí)盡量選擇寬深比較小的矩形斷面尺寸，以便達(dá)到防滲抗凍和提高渠系水利用的最佳效果。