瑪納斯河灌區水渠改造及物理力學性能分析

陶 晨

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

0 引 言

瑪納斯河灌區自1997年實施節水改造項目規劃以來，通過20多年的續建配套，修建和完善了大量輸水工程[1]。東岸大渠位于瑪河東岸，渠道全長17.3 km，設計流量91 m3/s，經過半個世紀的運行，渠道老化、襯砌磨損及破壞嚴重，而該渠道系統是灌區的基礎，直接決定了農作物的灌溉質量，進而影響灌區的經濟效益。因此，迫切需要研究新型渠道加固材料來減緩和控制渠道破壞，提升灌區的灌溉水平[2-3]。當前，國內外學者對渠道加固開展了相關研究，并取得一系列成果。周吉軍等[4]針對嚴寒地區渠道凍脹破壞問題和高流速渠道沖刷破壞問題,總結了采用各種砌石襯砌結構防滲、防沖的優越性。王芳[5]結合瑪河灌區基本情況,分析了東岸大渠存在的主要問題,針對東岸大渠改建段現狀，提出東岸大渠改造方案。魏勇[6]分析了瑪納斯河灌區混凝土渠道凍脹破壞的機理,進而提出針對性的防護措施。駱蘭[7]揭示了新疆混凝土渠道凍脹破壞機理，認為邊坡板上切向凍脹力是導致渠道凍脹破壞的主導因素。施文軍[8]根據渠系水位流量關系率定系統，采用曲線擬合的最小二乘法，得到指定次數的多項式, 并以該多項式為基礎，找到指定渠道的水位和流量之間的函數關系。付葉卿[9]對瑪納斯河引水工程范圍內開展懸移質泥沙觀測工作,對電站渠進行懸移質泥沙測驗分析與評價。

本文研究一種改良的塑性纖維材料混凝土渠道襯砌，通過室內試驗，探究塑性纖維混凝土抗凍性、抗壓強度、滲透性以及質量損失，并將研究成果用于實際工程現場，效果顯著，可推廣使用。

1 原材料及試驗設計

本次試驗制備的塑性纖維增強混凝土由水泥、堿性溶液、中砂、粗骨料、塑性纖維組成。水泥采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，質量符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的要求，通過XRD光譜分析測得其主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO。復合堿激發劑由水玻璃和NaOH按一定的比例配合而成，水玻璃為市售液體水玻璃，NaOH為純度高于99%的固體分析純。 塑料纖維材料表觀密度25.7 kg/m3，直徑11 μm。圖1為本次試驗用塑性纖維材料和混凝土漿液，表1為硅灰各組分含量。

圖1 塑性纖維材料和混凝土漿液

表1 硅灰各組分含量

根據前期的配合比設計，本次試驗配料為砂530 kg/m3、石子800 kg/m3、硅灰160 kg/m3。纖維混凝土采用強制式攪拌機攪拌，為使纖維能均勻分散于混凝土中，應通過搖篩或分散機加料。攪拌的投料順序與普通混凝土不同。第一種方法是先將粗細骨料、水泥和水加入攪拌機，攪拌均勻后再將纖維加入攪拌。第二種方法分3步，第一步先將粗細骨料攪拌均勻，第二步加入纖維攪拌，第三步將水泥和水加入再攪拌。本文采用第二種方法，粗細骨料先在攪拌機中干拌3 min，之后加入纖維攪拌1 min，最后將配好的硅酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液和水泥等添加進去，濕拌4 min，同時制備參照組。新拌混凝土顏色較深，外觀光亮，將其裝入100 mm×100 mm×400 mm的成型箱中振動成型，待觀察無任何凝結跡象、抗壓強度無任何退化后，送入養護箱養護28 d。

2 混凝土抗凍性能測試

本次試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中的快凍法開展凍融循環試驗。設定凍融冰箱試件的最低溫度為-20°，融化溫度為5℃。一個凍融循環為4 h，其中融化環節耗時不能低于1 h。此外，連續凍融20次檢查一次混凝土試塊外表面，對相關試驗指標進行記錄。累計凍融50次后，檢查混凝土外表面的頻次由之前的20次凍融變成10次凍融，累計凍融300次后試驗結束，根據記錄數據分析凍融變化規律。

依照標準, 混凝土的抗凍等級F為相對動彈性模量下降至不低于60%時的最大凍融循環次數, 圖2為普通混凝土和加入塑性纖維混凝土的抗凍性能變化情況。

圖2 普通混凝土和纖維混凝土的抗凍性能變化情況

由圖2可知，隨著凍融循環次數的增加，相對彈性模量均呈現出降低的趨勢，但加入塑性纖維材料的混凝土相對彈性降低速度明顯緩慢于普通混凝土。當凍融循環次數為300次時，普通混凝土幾乎已經達到抗凍等級F，而聚酰胺類樹脂材料混凝土此時的相對彈性模量為75%，抗凍等級遠高于普通混凝土。本次試驗中，當凍融循環次數為50次時，普通混凝土的相對彈性模量為90%，而纖維混凝土為95%；融循環次數為150次時，普通混凝土為83%，纖維混凝土為87%；當凍融循環次數為250次時，普通混凝土的相對彈性模量為68%，而纖維混凝土為78%。

圖3為普通混凝土和纖維混凝土的質量變化情況。由圖3可知，在未進行凍融試驗之前，普通混凝土的質量為9.36 kg，纖維混凝土的質量為8.68 kg；凍融150次后，普通混凝土質量損失2.1%，纖維混凝土僅損失1.7%；凍融300次后，普通混凝土質量損失降低至9.13 kg，纖維混凝土降低至8.76 kg，質量損失分別為3.4%和2.4%。由此可以看出，纖維的加入能夠緩解混凝土在凍融情況下的質量損失。這是由于摻加纖維減緩了水對試件入侵，降低基體內部凍脹力，還具有良好的黏結作用，有利于減少基體表面碎片的脫落。

圖3 普通混凝土和纖維混凝土的質量變化

3 混凝土抗壓強度

圖4為不同纖維含量下混凝土養護7、14和28 d時的抗壓強度變化。由圖4可知，加纖維的混凝土抗壓強度明顯大于普通混凝土，隨著纖維含量的增加，混凝土抗壓強度出現增加的趨勢，但當達到20%含量后，混凝土性能會出現明顯降低。其中，當混凝土養護天數為7 d時，纖維含量為10%、15%、20%和25% 的抗壓強度分別為18.3、18.9、19.8和18.3 MPa，而普通混凝土僅為17.3 MPa；當混凝土養護天數為14 d時，抗壓強度分別為25.6、27.3、29.7和26.2 MPa，普通混凝土僅為23.9 MPa；當混凝土養護天數為28 d時，抗壓強度分別為30.2、31.1、33.2和32.7 MPa，普通混凝土僅為29.7 MPa。

圖4 普通混凝土和纖維混凝土的抗壓強度變化

由以上結果可知，纖維摻入水泥混凝土后，具有明顯的阻裂作用。水泥基體在澆筑后的24 h內抗拉強度很低，若處于約束狀態，當其所含水分急劇蒸發時，極易生成大量的裂縫。此時，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應力，從而阻止或減少裂縫的生成。混凝土硬化后，若仍處于約束狀態，因周圍環境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應力超過其抗拉強度時，也極易生成大量的裂縫。在此情況下，纖維仍可阻止或減少裂縫的生成，因此制作而成的復合纖維混凝土具有較好的抗壓強度，但應當注意含量不宜過高，過高的含量反而會導致混凝土強度降低。

4 混凝土滲透性

圖5為不同養護天數下，普通混凝土和纖維混凝土滲透系數變化情況。

圖5 普通混凝土和纖維混凝土的滲透性變化

由圖5可知，塑性纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗滲性，且優于普通混凝土。當混凝土養護天數為7 d時，纖維含量為10%、15%、20%和25% 的滲透系數分別為4.1×10-7、3.7×10-7、3.5×10-7和3.1×10-7cm/s，而普通混凝土為3.7×10-7cm/s；當混凝土養護天數為14 d時，滲透系數分別為5.7×10-7、5.3×10-7、5.1×10-7和4.9×10-7cm/s，而普通混凝土為5.9×10-7cm/s；當混凝土養護天數為28 d時，滲透系數分別為6.3×10-7，5.8×10-7、5.5×10-7和5.3×10-7cm/s，而普通混凝土為6.5×10-7cm/s。從試驗結果分析可知，纖維能夠提升混凝土抗滲性, 是由于纖維與水泥集料有極強的結合力，很容易與混凝土材料混合。此外，纖維細度大，當微裂縫在細裂縫發展的過程中，不同向的細纖維具有明顯阻擋作用，消耗了混凝土內部應力產生的作用，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效抑制了連通裂縫的產生，有效提高了混凝土抗滲能力。

5 應用分析

本文根據實驗結果，最終選擇將纖維含量20%、砂530 kg/m3、石子800 kg/m3、硅灰160 kg/m3、水灰比0.67作為現場混凝土板渠道的配比設計。圖6為渠道改造前后對比圖。渠道襯砌采用厚8～10 cm現澆混凝土板。為減少凍脹，在現澆混凝土板下換填砂礫石墊層，砂礫石墊層換填厚度渠底采用厚40 cm，邊坡厚30～40 cm。渠道左側堤寬2 m，右側堤為伴行路，伴行路寬4 m，路面鋪設厚20 cm砂礫石墊層。通過目前應用監測分析，改造后的渠道滲漏量減少，輸水效率得到有效提高，有較好的經濟效益。

圖6 渠道改造前后對比圖

6 結 論

本文對位于瑪河東岸的渠道進行加固改造，研究了一種改良的塑性纖維材料混凝土渠道襯砌，通過室內試驗，探究了塑性纖維混凝土抗凍性、抗壓強度、滲透性以及質量損失。 結果表明，隨著凍融循環次數的增加，混凝土相對彈性模量呈現出降低的趨勢，但加入塑性纖維材料的混凝土相對彈性降低速度比普通混凝土更慢；纖維的加入減緩了水對試件入侵，降低基體內部凍脹力，能夠緩解混凝土在凍融情況下的質量損失；加纖維的混凝土抗壓強度明顯大于普通混凝土，隨著纖維含量的增加，混凝土抗壓強度出現了增加的趨勢，但當達到20%含量后混凝土性能會出現明顯降低；塑性纖維含量的增加有助于提升混凝土的抗滲性，且優于普通混凝土。