矩形渠道防滲抗凍設計優化與研究

閆 科

(新疆伊犁河流域開發建設管理局,新疆 烏魯木齊 835000)

隨著政府對農業生產重視程度的不斷提高，農田水利近些年來得到大力發展，其中水利渠道是農田水利工程的重要組成部分，合理進行設計、適當改善渠道用材、優化施工方案對于渠道的長期抗滲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[1- 4]。

影響渠道滲透抗凍的因素較多，如地質原因、凍脹問題、地下水反滲、材料問題等等，渠道的防滲抗凍優化設計必須結合當地的地形、水資源及農業分布情況，從初步規劃、施工準備、施工階段以及運行維護各階段做好設計[5- 8]。防滲渠道的合理使用，不僅可以節約用水，還能控制地下水，減少工程淤泥量，提高灌溉效益，達到增收增產的目的[9]。

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則、施工工藝簡單、節約耕地等優點，仍然被廣泛應用于山區及耕地資源貧瘠的地區[10]。因此，本文以新疆某地區農田水利渠道為例，分析了水膠比、粉煤灰、抗凍劑及斷面結構尺寸對矩形渠道防滲抗凍性能的影響，為類似工程的設計施工提供經驗借鑒。

1 試驗概況

1.1 配合比設計

農田水利的渠道襯砌一般采用C20強度等級的混凝土，由于新疆地區耕地較少，水資源貧瘠、晝夜溫差較大且冬季氣候寒冷，因此在抗滲性能的前提下還需考慮渠道的抗凍性能。在混凝土中：膠凝材料起到主導作用，本文選取0.34和0.4兩個水膠比，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%，具體的配合比參數見表1。

表1 配合比設計參數

1.2 斷面尺寸設計

渠道的設計流量、最下流量以及加大流量是渠道斷面設計的主要依據(本工程設計引水流量為0.3m3/s左右)。渠道的斷面尺寸既要考慮最佳過流參數，也需要考慮當地的耕地資源、施工難度和投入等因素。根據渠道斷面水力設計步驟，得到了不同渠道寬深比下矩形渠道的斷面尺寸設計參數，見表2。

表2 渠道斷面尺寸設計

2 試驗結果分析

2.1 強度試驗結果

試驗得到的不同配合比條件下標準養護28d后混凝土的強度特征如圖1所示。從圖中可以看到，1～4組為水膠比0.34，其整體的抗壓強度均高于水膠比0.4下的強度值；相同水膠比和粉煤灰摻量下，抗凍劑摻量的增加，使得混凝土強度有所增加，同等水膠比和抗凍劑摻量下，20%摻量下的混凝土強度要略高于10%混凝土摻量的強度值。出現上述變化特征的原因在于粉煤灰的適當摻入，可以填補混凝土的孔隙，而抗凍劑的摻入則使得混凝土的水化產物增加，提高了混凝土的密實度，因而強度會有所提高。從強度的整體特征來看，對混凝土強度影響的先后順序分別為：水膠比>粉煤灰>抗凍劑摻量。從強度定義最佳配合比來看，選取水膠比0.34，粉煤灰摻量20%以及抗凍劑摻量為2%時最適宜。

圖1 強度隨配比變化的特征

2.2 抗凍性能試驗結果

利用快速凍融機和動彈性模量測定儀對混凝土進行了凍融多次情況下的抗凍性能評定，其結果如圖2所示，從圖中可以看到：隨著凍融循環次數的增加，動彈性模量相對量Pn呈指數型函數遞減，表明其動彈性模量的減小幅度在逐漸增大，當循環次數超過100次時，減小量尤其明顯；而混凝土的質量相對損失量W隨著凍融循環次數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，這是因為粉煤灰量和引氣量在一定程度上可以改善骨料孔隙結構，使得混凝土內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孔的含量，因而整體上大大提高了混凝土的抗凍性能。

圖2 抗凍性能試驗結果

2.3 滲透性試驗結果

對各組試件進行抗滲性能測試，其所能承受的最大靜水壓力而未出現滲水的壓力值大小如圖3所示。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度特征表現一致，在水膠比0.34下，1～4組的所能達到的抗滲等級分別為P4、P8、P6和P10，而在水膠比0.4下，5～8組所能達到的抗滲等級分別為P4、P6、P4和P8，可見，從抗滲特性看，仍然是水膠比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 抗滲性能分析

3 不同尺寸渠道渠系水利用系數

上文對不同配合比下混凝土的耐久性和抗滲抗凍特性進行了分析，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環境中制作成相應的渠道模型，每條渠道長度25m，在渠道一端通入0.075m3/s的水量，在另外一端收集水量，進行8 h連續不斷試驗，對其進行渠系水利用系數的測量，測量結果如圖4所示。從圖中可以看到：隨著寬深比的增加，渠系水的利用系數有逐漸降低的趨勢，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，利用系數相差不大，均能達到0.78，而當寬深比達到1.25，渠底比降為0.0003時，渠系水利用系數僅為0.63。可見，在矩形渠道設計當中，應該盡量使用寬深比較小且比降盡量較大。考慮到新疆地區優質耕地資源較少，因而該地區的設計更應該使用寬深比小的渠道尺寸進行供水，能到達最佳的經濟和社會效益。

4 結語

由于矩形渠道具有的特殊優勢，在將來仍會是渠道斷面形式的常用方案之一，如何對其進行反防滲和抗凍性能的合理設計和優化，將直接關系到渠道的所能發揮的經濟和社會效益。在混凝土渠道設計施工過程中，應遵循采取合理的水膠比并摻入一定量的粉煤灰和抗凍劑，同時盡量選擇寬深比較小的矩形斷面尺寸，方可達到防滲抗凍和提高渠系水利用的最佳效果。

圖4 渠系水利用系數隨寬深比關系

[1] 趙璐, 劉立云, 張紹昌. 探析水利渠道中防滲施工存在問題及防滲設計[J]. 河南水利與南水北調, 2016(04).

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[3] 王引田. 汾河灌區渠道防滲襯砌結構的比選[J]. 水利技術監督, 2015(04): 67- 71.

[4] 熊偉新. 水利渠道工程防滲及設計分析[J]. 珠江水運, 2014(18): 83- 84.

[5] 庫爾班·艾克木. 灌區節水改造工程中渠道防滲的施工技術應用[J]. 水利技術監督, 2016(04): 114- 116.

[6] 盧軍, 鄒德華. 渠道防滲技術在吐木秀克水電站工程中的應用[J]. 水利技術監督, 2010(01): 48- 51.

[7] 盧軍. 膨脹巖基礎對渠道防滲工程的危害及其防治措施[J]. 水利規劃與設計, 2010(02): 71- 74+78

[8] 李新根. 水利渠道施工中的滲透因素及防滲對策[J]. 黑龍江水利科技, 2016(08): 45- 47.

[9] 劉紹平. 水利渠道工程的防滲與設計[J]. 中國水運月刊, 2012(11): 166- 167.

[10] 尹靈艷. 矩形渠道結構設計與應用研究[D]. 揚州大學, 2016.