趙科智

（烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830049）

0 引言

新疆三屯河灌區(qū)位于昌吉市三工鎮(zhèn)、阿什里鄉(xiāng)境內(nèi)。有省道S322和國(guó)道烏奎高速G30通過(guò)，并有鄉(xiāng)村公路與其相連，交通便利。灌區(qū)屬中溫帶大陸干旱氣候區(qū)，冬季漫長(zhǎng)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(shí)間較長(zhǎng)，夏季干燥少雨；蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水補(bǔ)給量、凍融循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大。在灌區(qū)修建的渠道，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用，在襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、凍融循環(huán)影響、滲流滲漏等因素的綜合影響下，表面破損嚴(yán)重。原渠老化破損嚴(yán)重，渠底磨損嚴(yán)重，脫漿、砌石松動(dòng)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(shù)急劇增大，渠道不能安全運(yùn)行。故本文對(duì)渠道表面處理材料及施工工藝進(jìn)行研究，分析影響渠道糙率系數(shù)的主要原因。

1 影響糙率系數(shù)的因素研究

由水力學(xué)原理可知引水渠道的斷面流量，計(jì)算公式如下。

（1）Chezy方程：

（2）Manning方程

根據(jù)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(shù)；R表示水力半徑；i表示渠道坡度，η表示糙率系數(shù)。

對(duì)于已經(jīng)建設(shè)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(shù)，且難以改變。因此，糙率系數(shù)為影響渠道過(guò)流能力的關(guān)鍵因素。

在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，糙率系數(shù)是影響渠道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。糙率系數(shù)的大小直接影響到渠道斷面的設(shè)計(jì)和工程建設(shè)的投資[1]。對(duì)于已經(jīng)建設(shè)完成的輸水工程，改變其糙率系數(shù)，將會(huì)改善其過(guò)流輸水能力。

引水渠道糙率系數(shù)η是引水渠道對(duì)水流產(chǎn)生阻力的直接影響的反映，是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)。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(shù)越??；反之亦然。

對(duì)于混凝土引水渠道，降低其糙率系數(shù)的常用方法包括[2～3]：斷面形式優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工工藝改進(jìn)、施工質(zhì)量提升等。若在混凝土施工過(guò)程中，形成缺陷則會(huì)大大增大混凝土結(jié)構(gòu)的糙率系數(shù)。寒旱區(qū)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(zhì)量不合格。

對(duì)于已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行的混凝土引水渠道其糙率系數(shù)改變的主要誘發(fā)因素為[4～5]：①輸送水源，含沙量較高；②養(yǎng)護(hù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；③長(zhǎng)期運(yùn)行；④微生物腐蝕。因此，隨著引水渠道使用時(shí)間的增加，混凝土表面粗糙程度將會(huì)發(fā)生較大的改變。

2 寒區(qū)凍脹作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)渠道特征建立數(shù)值模擬模型，渠道底寬1.5 m，高2.5 m，邊坡系數(shù)為1∶1.5。使用混凝土進(jìn)行襯砌，襯砌厚度6.0 cm。采用ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，模型見(jiàn)圖1。地下水埋深位于渠底以下0.20 m。冬季灌區(qū)灌溉用水水量較小，考慮無(wú)水情況。根據(jù)環(huán)境氣候條件設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)。

圖1 數(shù)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(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 位移分析

根據(jù)建立的數(shù)值模擬模型獲取襯砌結(jié)構(gòu)不同部位法向凍脹量的結(jié)果，見(jiàn)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(jié)構(gòu)不同部位法向凍脹量

2.2.2 應(yīng)力分析

（1）法向凍脹力

垂直于襯砌結(jié)構(gòu)混凝土板的應(yīng)力張量即為法向凍脹力，見(jiàn)圖3。在渠道底部?jī)啥朔ㄏ騼雒浟ψ畲?，渠底中部的法向凍脹力最小，向兩?cè)逐漸增大

圖3 法向凍脹力

（2）切向凍脹力

平行襯砌結(jié)構(gòu)混凝土板的應(yīng)力張量為切向凍脹力，見(jiàn)圖4，由圖中可知，襯砌結(jié)構(gòu)左側(cè)為拉應(yīng)力，右側(cè)為壓應(yīng)力。凍脹力在渠道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部呈線性分布，渠道底部?jī)蓚€(gè)端點(diǎn)處應(yīng)力最大。

圖4 切向凍脹力

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，渠底和邊坡接觸位置為應(yīng)力集中區(qū)，在進(jìn)行渠道施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意對(duì)渠道底部施工質(zhì)量的控制。

3 渠道過(guò)流能力提升技術(shù)措施研究

針對(duì)已經(jīng)建設(shè)完成投入使用的渠道，增大其過(guò)流能力的主要措施為對(duì)渠道表面進(jìn)行降糙處理。潘亞宏等[6]以南水北調(diào)中線工程為例，使用室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)減阻降糙材料的降糙效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明：降糙材料具有明顯的降糙效果。黃建紅[7]對(duì)SCL防滲膜的特性和使用效果進(jìn)行研究，認(rèn)為該材料可以有效改善渠道的糙率系數(shù)，提高過(guò)流和輸水能力。楊德峰等[8]對(duì)降低渠道糙率的方法進(jìn)行研究，認(rèn)為機(jī)械磨光機(jī)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(shù)。王靜等[9]認(rèn)為改善滲漏條件可以有效降低糙率系數(shù)，提升渠道的過(guò)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(jiǎn)捷有效地改善渠道糙率系數(shù)，提升渠道的輸水過(guò)流能力。

4 降糙處理材料、施工工藝及效益評(píng)估

4.1 引水渠道表面降糙處理材料

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

在寒旱區(qū)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?yàn)橐r砌結(jié)構(gòu)滲漏導(dǎo)致混凝土吸水飽和強(qiáng)度降低、設(shè)計(jì)階段混凝土抗凍脹等級(jí)設(shè)計(jì)較低、施工階段施工質(zhì)量較差。混凝土發(fā)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(jìn)行填補(bǔ)修復(fù)。在寒旱區(qū)，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(shí)，對(duì)混凝土表面采用防護(hù)涂層進(jìn)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(zhì)和推移質(zhì)，對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)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(shù)的一個(gè)有效方法。在工程實(shí)踐中通常使用強(qiáng)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(shí)一些新型材料的出現(xiàn)也具有提高混凝土表面抗沖耐磨性質(zhì)的作用。

對(duì)于混凝土裂縫，可以使用遇水膨脹的化學(xué)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(duì)于渠道襯砌結(jié)構(gòu)表面的混凝土缺陷如蜂窩、空洞、麻面等，一般采用環(huán)氧膠泥、聚合物砂漿等材料進(jìn)行修補(bǔ)處理。同時(shí)為保證處理過(guò)后的混凝土表面光滑平整，一般可在混凝土表面刷涂有機(jī)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(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的混凝土渠道發(fā)生凍融、磨蝕及表面出現(xiàn)缺陷時(shí)通常采用“鑿舊補(bǔ)新”方法進(jìn)行處理。對(duì)于混凝土的“鑿舊補(bǔ)新”已在較多的工程中得到應(yīng)用，工藝較為成熟。

當(dāng)混凝土表面需要進(jìn)行噴涂涂層從而降低糙率系數(shù)的，一般采用噴涂、手刮、輥涂等方法進(jìn)行施工。對(duì)于本工程采用聚脲材料進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫的處理，噴涂厚度設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)表面的浮漿進(jìn)行打磨處理；②對(duì)于基面的灰塵進(jìn)行清理；③保護(hù)不需要噴涂處理的區(qū)域；④進(jìn)行第一次環(huán)氧底涂；⑤進(jìn)行環(huán)氧膩?zhàn)犹幚?；⑥進(jìn)行第二次環(huán)氧底涂；⑦進(jìn)行聚氨酯刷涂；⑧完成聚脲材料噴涂施工；⑨完成材料防護(hù)措施。當(dāng)環(huán)氧涂層年度較低時(shí)，可采用輥涂的方式進(jìn)行施工，完成基面清理工序后，使用滾筒或者毛刷將環(huán)氧材料均勻的涂抹于混凝土表面。使用手刮工藝進(jìn)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(jìn)行下一次聚脲涂層刮涂，直至聚脲厚度達(dá)到2 mm。

4.3 降糙效益評(píng)估

渠道的糙率系數(shù)是影響渠道斷面設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素，糙率系數(shù)取值的選擇對(duì)引水工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理有著重要的影響。當(dāng)糙率系數(shù)選擇過(guò)于保守時(shí)，則會(huì)大大增加工程建設(shè)的投資，但是，糙率系數(shù)取值過(guò)小時(shí)，則會(huì)影響渠道的輸水效率，造成渠道堵塞。因此，監(jiān)測(cè)水位和流速可以有效評(píng)估引水渠道的糙率系數(shù)。

新疆該引水渠道通過(guò)“鑿舊補(bǔ)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(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，糙率系數(shù)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(jié)論

對(duì)三屯河灌區(qū)引水渠道糙率系數(shù)的影響因素進(jìn)行分析，結(jié)合影響因素特點(diǎn)，結(jié)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(duì)該引水渠道的特點(diǎn)，使用聚脲材料作為表面處理材料，對(duì)襯砌裂縫進(jìn)行處理，以及使用“鑿舊補(bǔ)新”對(duì)混凝土凍融、磨蝕、缺陷進(jìn)行處理，將渠道糙率系數(shù)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。