三屯河灌區渠道襯砌結構糙率分析及降糙技術淺析

趙科智

（烏魯木齊市水利勘測設計院，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

新疆三屯河灌區位于昌吉市三工鎮、阿什里鄉境內。有省道S322和國道烏奎高速G30通過，并有鄉村公路與其相連，交通便利。灌區屬中溫帶大陸干旱氣候區，冬季漫長而寒冷，夏季短促而炎熱，春季氣溫回升較快，秋季降溫迅速。氣候條件較為惡劣，冬季時間較長，夏季干燥少雨；蒸發量遠大于降水補給量、凍融循環對結構強度影響較大。在灌區修建的渠道，經過長期的使用，在襯砌結構開裂、凍融循環影響、滲流滲漏等因素的綜合影響下，表面破損嚴重。原渠老化破損嚴重，渠底磨損嚴重，脫漿、砌石松動破壞；部分段邊坡漿砌石存在凍脹破壞，邊坡砌石架空，渠道滲漏損失大，糙率系數急劇增大，渠道不能安全運行。故本文對渠道表面處理材料及施工工藝進行研究，分析影響渠道糙率系數的主要原因。

1 影響糙率系數的因素研究

由水力學原理可知引水渠道的斷面流量，計算公式如下。

（1）Chezy方程：

（2）Manning方程

根據式（1）～ 式（2）可知

式中：Q表示引水渠道斷面流量；A表示斷面面積；C表示Chezy系數；R表示水力半徑；i表示渠道坡度，η表示糙率系數。

對于已經建設的引水渠道，其斷面面積、水力半徑、渠道坡度等為已知的常數，且難以改變。因此，糙率系數為影響渠道過流能力的關鍵因素。

在工程設計和建設中，糙率系數是影響渠道設計的關鍵因素。糙率系數的大小直接影響到渠道斷面的設計和工程建設的投資[1]。對于已經建設完成的輸水工程，改變其糙率系數，將會改善其過流輸水能力。

引水渠道糙率系數η是引水渠道對水流產生阻力的直接影響的反映，是一個無量綱常數。可以反映引水渠道的邊墻特征、粗糙程度。引水渠道表面越光滑，糙率系數越小；反之亦然。

對于混凝土引水渠道，降低其糙率系數的常用方法包括[2～3]：斷面形式優化設計、施工工藝改進、施工質量提升等。若在混凝土施工過程中，形成缺陷則會大大增大混凝土結構的糙率系數。寒旱區混凝土表面缺陷主要形成原因如下：①凍融因素；②磨蝕因素；③混凝土裂縫；④混凝土滲漏；⑤混凝土施工質量不合格。

對于已經建設運行的混凝土引水渠道其糙率系數改變的主要誘發因素為[4～5]：①輸送水源，含沙量較高；②養護質量不達標；③長期運行；④微生物腐蝕。因此，隨著引水渠道使用時間的增加，混凝土表面粗糙程度將會發生較大的改變。

2 寒區凍脹作用對襯砌結構的影響分析

2.1 模型建立及參數選取

根據渠道特征建立數值模擬模型，渠道底寬1.5 m，高2.5 m，邊坡系數為1∶1.5。使用混凝土進行襯砌，襯砌厚度6.0 cm。采用ANSYS進行數值模擬，模型見圖1。地下水埋深位于渠底以下0.20 m。冬季灌區灌溉用水水量較小，考慮無水情況。根據環境氣候條件設計溫度場。

圖1 數值模擬模型

表1 凍土彈性模量

表2 巖土體及襯砌材料參數

2.2 數值模擬結果

2.2.1 位移分析

根據建立的數值模擬模型獲取襯砌結構不同部位法向凍脹量的結果，見圖2。由圖2可知，渠道部位的最大法向凍脹量位于渠底中部位置，約為2.0 mm。邊坡部位最大法向凍脹量位于邊坡2/3位置處，最大凍脹量約為5.2 mm。

圖2 襯砌結構不同部位法向凍脹量

2.2.2 應力分析

（1）法向凍脹力

垂直于襯砌結構混凝土板的應力張量即為法向凍脹力，見圖3。在渠道底部兩端法向凍脹力最大，渠底中部的法向凍脹力最小，向兩側逐漸增大

圖3 法向凍脹力

（2）切向凍脹力

平行襯砌結構混凝土板的應力張量為切向凍脹力，見圖4，由圖中可知，襯砌結構左側為拉應力，右側為壓應力。凍脹力在渠道襯砌結構內部呈線性分布，渠道底部兩個端點處應力最大。

圖4 切向凍脹力

通過數值模擬結果可知，渠底和邊坡接觸位置為應力集中區，在進行渠道施工時，應當注意對渠道底部施工質量的控制。

3 渠道過流能力提升技術措施研究

針對已經建設完成投入使用的渠道，增大其過流能力的主要措施為對渠道表面進行降糙處理。潘亞宏等[6]以南水北調中線工程為例，使用室內試驗的方法對減阻降糙材料的降糙效果進行研究，結果表明：降糙材料具有明顯的降糙效果。黃建紅[7]對SCL防滲膜的特性和使用效果進行研究，認為該材料可以有效改善渠道的糙率系數，提高過流和輸水能力。楊德峰等[8]對降低渠道糙率的方法進行研究，認為機械磨光機提漿、靠尺校正、人工收光工序等控制手段可以有效降低渠道糙率系數。王靜等[9]認為改善滲漏條件可以有效降低糙率系數，提升渠道的過流能力。因此，可以改善混凝土渠道施工工藝、使用降糙材料簡捷有效地改善渠道糙率系數，提升渠道的輸水過流能力。

4 降糙處理材料、施工工藝及效益評估

4.1 引水渠道表面降糙處理材料

混凝土糙率系數影響因素包括凍融、裂縫、滲漏、磨蝕等，針對不同的誘發因素，可以選取具有針對性的處理材料。

在寒旱區混凝土凍融破壞的最明顯特征為表面松弛脫落、深層凍脹破壞、冰凍裂紋，主要原因為襯砌結構滲漏導致混凝土吸水飽和強度降低、設計階段混凝土抗凍脹等級設計較低、施工階段施工質量較差。混凝土發生凍脹破壞后常用的治理措施是鑿除凍脹破壞混凝土，重新進行填補修復。在寒旱區，混凝土一般采用聚合物抗凍混凝土或者降低混凝土含氣量從而配制成高抗凍混凝土[10]。同時，對混凝土表面采用防護涂層進行處理也是常用措施[11]。

渠道輸送的水源中，含有較多的懸移質和推移質，對混凝土襯砌結構具有較大的沖刷作用，通常是引起混凝土表面磨蝕破壞的因素。因此，提高混凝土的抗沖刷能力是提高混凝土糙率系數的一個有效方法。在工程實踐中通常使用強度較高的硅粉、聚合物、鋼纖維、鐵礦石等處理混凝土從而提高混凝土的抗沖刷能力。同時一些新型材料的出現也具有提高混凝土表面抗沖耐磨性質的作用。

對于混凝土裂縫，可以使用遇水膨脹的化學材料如水性聚氨酯等溶劑，具有較好的快速止水堵漏的效果。對于渠道襯砌結構表面的混凝土缺陷如蜂窩、空洞、麻面等，一般采用環氧膠泥、聚合物砂漿等材料進行修補處理。同時為保證處理過后的混凝土表面光滑平整，一般可在混凝土表面刷涂有機材料，提高混凝土的耐磨性能。

4.2 引水渠道表面降糙施工工藝

對于已經投入運行的混凝土渠道發生凍融、磨蝕及表面出現缺陷時通常采用“鑿舊補新”方法進行處理。對于混凝土的“鑿舊補新”已在較多的工程中得到應用，工藝較為成熟。

當混凝土表面需要進行噴涂涂層從而降低糙率系數的，一般采用噴涂、手刮、輥涂等方法進行施工。對于本工程采用聚脲材料進行混凝土結構表面裂縫的處理，噴涂厚度設計為2.0 mm。噴涂聚脲材料的施工工藝如下：①將混凝土襯砌結構表面的浮漿進行打磨處理；②對于基面的灰塵進行清理；③保護不需要噴涂處理的區域；④進行第一次環氧底涂；⑤進行環氧膩子處理；⑥進行第二次環氧底涂；⑦進行聚氨酯刷涂；⑧完成聚脲材料噴涂施工；⑨完成材料防護措施。當環氧涂層年度較低時，可采用輥涂的方式進行施工，完成基面清理工序后，使用滾筒或者毛刷將環氧材料均勻的涂抹于混凝土表面。使用手刮工藝進行聚脲刮涂的工藝如下：①混凝土表面刷涂專用的界面劑；②界面劑干燥后刮涂第一次聚脲涂層；③粘貼胎基布；④干燥后進行下一次聚脲涂層刮涂，直至聚脲厚度達到2 mm。

4.3 降糙效益評估

渠道的糙率系數是影響渠道斷面設計的一個重要因素，糙率系數取值的選擇對引水工程設計、建設和管理有著重要的影響。當糙率系數選擇過于保守時，則會大大增加工程建設的投資，但是，糙率系數取值過小時，則會影響渠道的輸水效率，造成渠道堵塞。因此，監測水位和流速可以有效評估引水渠道的糙率系數。

新疆該引水渠道通過“鑿舊補新”以及涂刷聚脲涂層后，有效阻止了渠道滲漏，降低了渠道表面混凝土的糙率系數，通過現場實測，糙率系數從0.013降低至0.009，大大提高了渠道的輸送水能力和引水工程的效益，具有較好的工程效果。

5 結論

對三屯河灌區引水渠道糙率系數的影響因素進行分析，結合影響因素特點，結合前人研究，提出了引水渠道的表面處理材料、施工工藝等。針對該引水渠道的特點，使用聚脲材料作為表面處理材料，對襯砌裂縫進行處理，以及使用“鑿舊補新”對混凝土凍融、磨蝕、缺陷進行處理，將渠道糙率系數從0.013降低至0.009，渠道輸水能力得到明顯提升，增加了工程效益。