朱 潔，顧靖超，陸立國

(寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

0 引 言

紅寺堡揚(yáng)水工程建設(shè)于1998年，是20世紀(jì)為解決脫貧致富，寧夏建設(shè)的“一號工程”重點(diǎn)項(xiàng)目，其設(shè)計(jì)灌溉面積3.667 萬hm2，設(shè)計(jì)流量25 m3/s，泵站14座。因多年運(yùn)行，渡槽存在槽殼內(nèi)混凝土老化、伸縮縫止水破壞等問題，致使槽殼糙率增大，渡槽過流能力大大折減。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，近20年來紅寺堡灌區(qū)灌溉規(guī)模面積不斷擴(kuò)大，已由設(shè)計(jì)的3.667 萬hm2發(fā)展到2015年的4.891 萬hm2，計(jì)劃到2020年發(fā)展到6.76 萬hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出揚(yáng)水工程現(xiàn)有的供水能力。紅寺堡渡槽降糙加固工程的實(shí)施，可適當(dāng)提升工程運(yùn)行效率和供水能力，為灌區(qū)發(fā)展提供水資源保障。因此，提高渡槽過流能力已成為目前亟待解決的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合紅寺堡揚(yáng)水工程“槽殼內(nèi)壁刮涂SK聚脲材料進(jìn)行降糙增加過流能力”改造工程，根據(jù)現(xiàn)場原型觀測試驗(yàn)工作，測算渡槽糙率，對渡槽過流能力進(jìn)行綜合分析，以期為渡槽更新改造加固工程提供數(shù)據(jù)支撐[1]。

SK聚脲材料屬于聚氨酯中的一種特殊材料，雙組分涂刷SK聚脲是由異氰酸脂組分與氨基化合物組分混合后，采用涂刷或噴涂等施工方法形成的彈性膜，是一種無溶劑、涂刷型彈性材料，因具有良好的防滲效果、抗沖耐磨性、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，在泄洪建筑物的表面防護(hù)、混凝土裂縫及伸縮縫表面封閉處理等水利水電工程應(yīng)用中較為廣泛[2-4]。美國波士頓地鐵工程、San Mateo大橋等重點(diǎn)工程均使用聚脲涂層作為防護(hù)材料[5]。新疆博湖西泵站更新改造工程中采用SK手刮聚脲彈性涂料處理，工程投入運(yùn)行2年后對出水流道表面觀察，未出現(xiàn)磨損、裂縫和滲水等現(xiàn)象，應(yīng)用情況較好[6]。東江水源工程官山渡槽伸縮縫防滲處理中涂刷SK聚脲，經(jīng)運(yùn)行1年后結(jié)構(gòu)表面平整，防滲效果顯著[7]。白云水庫大壩混凝土面板出現(xiàn)裂縫存在滲漏現(xiàn)象，采用噴涂聚脲應(yīng)用于堆石壩中的混凝土面板裂縫覆蓋處理具有明顯優(yōu)勢。山西禹門口灌區(qū)渡槽采用聚脲降糙防護(hù)處理，工程運(yùn)行1年后運(yùn)行觀察，其水位明顯下降，過流能力有了明顯提升[8]。總體而言，國內(nèi)各省區(qū)采用刮涂SK聚脲材料開展缺陷修補(bǔ)加固已探索出很多好的做法和經(jīng)驗(yàn)，也為寧夏引用新材料新技術(shù)提供了有益啟示。

1 SK刮涂聚脲材料的特性及施工流程

(1)刮涂SK聚脲技術(shù)采用成套修補(bǔ)加固及防護(hù)技術(shù)，可系統(tǒng)解決渡槽相關(guān)病害問題，保證工程的安全運(yùn)行。

(2)SK刮涂聚脲涂層力學(xué)性能優(yōu)異，耐候性好，與混凝土黏結(jié)力強(qiáng)，采用該土層進(jìn)行防護(hù)，可一并解決渡槽槽身內(nèi)壁混凝土滲漏、碳化及凍融剝蝕等病害問題。

(3)SK刮涂聚脲涂層糙率較低，應(yīng)用SK刮涂聚脲涂層的減阻降糙技術(shù)可提高渡槽輸水能力。

(4)伸縮縫采用新型表層止水結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)大跨度渡槽接縫位移，有效防止渡槽滲漏。

鴨爪子溝渡槽施工流程如圖1所示，現(xiàn)場施工如圖2所示。

圖1 刮涂聚脲施工工藝流程

圖2 渡槽刮涂SK聚脲施工

2 現(xiàn)場量測及數(shù)據(jù)分析

2.1 渡槽基本情況

鴨爪子溝渡槽槽長108 m，橫斷面規(guī)則，與上下游連接順暢，現(xiàn)狀參數(shù)統(tǒng)計(jì)表詳見表1。

表1 渡槽現(xiàn)狀參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 量測內(nèi)容及要求

為更準(zhǔn)確測定渡槽水力坡降，現(xiàn)場原型測試主要包括渠道及槽殼內(nèi)流速測量、水力坡度、渡槽斷面尺寸、比降(水力坡降、槽底比降)等參數(shù)。

在刮涂SK聚脲施工前后，開展渡槽測流、斷面水力要素現(xiàn)場測試工作。為保證測流精度，槽殼內(nèi)選取3個測水?dāng)嗝妫總€測水?dāng)嗝孑啘y8次，計(jì)算時取測量數(shù)據(jù)平均值，測流嚴(yán)格按照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)執(zhí)行，測流采用精測法，在測流過程中若出現(xiàn)所測流量誤差超過5%，則重新測量。

2.3 糙率推算方法

本文以明渠恒定均勻流及明渠恒定非均勻流兩種計(jì)算方法分別計(jì)算渡槽現(xiàn)狀糙率及刮涂SK聚脲后渡槽糙率。

對于恒定均勻流渠道，通過準(zhǔn)確實(shí)測渡槽的斷面幾何尺寸、渠道和渡槽比降、水面坡度、流速、水深等水力要素，采用曼寧公式反算渡槽糙率，基本計(jì)算方程為：

(1)

式中：v為渠道斷面流速，m/s；R為渠道水力半徑，m；i為水面坡降。

對于非均勻流，糙率系數(shù)計(jì)算采用曼寧公式，在天然河道糙率系數(shù)率定中，以水面坡度代替J。因此，利用實(shí)測資料反推的糙率系數(shù)時，應(yīng)了解率定的方法以及觀測時的水流條件。計(jì)算公式如下式所示：

(2)

式中：Q為流量，m3/s；y為水深，m；A為斷面面積，m2；R為水力半徑，m；L為渠道長度；n為渠道糙率；s0為底坡；g為重力加速度，下標(biāo)“1”表示渡槽進(jìn)口測量斷面，下標(biāo)“2”表示渡槽出口測量斷面。

2.4 原型觀測結(jié)果

(1)斷面水力要素。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，春灌流量范圍在5.955～6.981 m3/s，夏灌流量范圍在8.096～8.728 m3/s之間，斷面水力要素如表2所示。

(2)渡槽比降。由于槽殼內(nèi)水流波動幅度較大，因此在測量時，將水準(zhǔn)儀塔尺緩慢放置在波動水面的波谷與波峰之間，固定塔尺，開始測量。且現(xiàn)場無已知固定高程點(diǎn)，故選取一個固定點(diǎn)，假定此點(diǎn)水準(zhǔn)面作為高程起算面，以相對高程來表示。經(jīng)測算，鴨爪子溝渡槽春灌水力坡降為1/1 789、1/2 008，夏灌水力坡降為1/2 353、1/2 445，槽底比降為1/1 425，槽底比降與設(shè)計(jì)比降差異較小，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鴨爪子溝渡槽比降

3 渡槽綜合糙率推算與分析

3.1 渡槽糙率推算

采用明渠恒定非均勻流公式計(jì)算糙率，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 鴨爪子溝渡槽現(xiàn)狀糙率實(shí)測表

由表3可以看出，鴨爪子溝渡槽現(xiàn)狀糙率在0.009 98～0.011 09之間，均值為0.010 67。研究資料表明，采用現(xiàn)代工藝施工的輸水建筑物糙率系數(shù)和目前常用設(shè)計(jì)值為0.014～0.016，根據(jù)《灌溉渠道襯砌工程技術(shù)規(guī)范》(DB64/T-811 2012)規(guī)定，現(xiàn)澆混凝土推薦糙率為0.014[9]，而本次試驗(yàn)計(jì)算現(xiàn)狀糙率值明顯小于規(guī)范值。鴨爪子渡槽現(xiàn)已運(yùn)行近20 a，槽殼內(nèi)壁存在混凝土老化、表面剝蝕等現(xiàn)象，實(shí)測糙率應(yīng)大于理論設(shè)計(jì)值。推斷原因?yàn)椋孩嬴喿ψ訙隙刹鄣臏y流長度較短，進(jìn)出口測量斷面間距僅為59.98 m，水面坡降以及沿程水頭損失測量誤差相對較大所致；②由于斷面水深、流量等測量儀器本身和人為因素均會產(chǎn)生一定的偏差，微小的水力測量誤差可能會產(chǎn)生較大的渠道糙率誤差；③計(jì)算糙率時，選取兩個斷面因間距過短，采用明渠恒定非均勻流公式計(jì)算，兩斷面水位差值僅為3 mm左右，水位變化不明顯，且在測量過程中存在人為誤差，導(dǎo)致計(jì)算糙率數(shù)據(jù)過小。

采用明渠恒定均勻流曼寧公式計(jì)算[10,11]，利用水力坡降、設(shè)計(jì)比降、槽底比降反算糙率，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 鴨爪子溝渡槽糙率匯總

鴨爪子溝渡槽不同比降條件下現(xiàn)狀糙率及刮涂SK聚脲后渡槽糙率均值見表5所示。

表5 明渠均勻流不同比降條件下糙率實(shí)測值

從試驗(yàn)觀測結(jié)果及利用不同比降反算糙率值可以看出，采用明渠恒定均勻流計(jì)算，與規(guī)范規(guī)定值更為接近，說明實(shí)際應(yīng)用中采用水力坡降反算糙率，刮涂SK聚脲前渡槽糙率系數(shù)取0.012 87，刮涂后糙率系數(shù)取0.010 84是基本是合理的。

3.2 降糙增流效果分析

使用SK刮涂聚脲后，糙率降幅及增流幅度如表6所示。

表6 刮涂SK聚脲降糙增流效果對比表

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用SK聚脲刮涂改造后，渡槽糙率可降低0.000 53～0.002 03，降低幅度為3.63%～15.77%，增流比例達(dá)到4.00%～17.35%。

4 結(jié)論及展望

(1)結(jié)合寧夏典型渡槽更新改造實(shí)際，以鴨爪子溝渡槽改造為例，本文采用明渠均勻流及非均勻流兩種算法推算渡槽糙率，紅寺堡三干渠鴨爪子溝渡槽刮涂SK聚脲涂層后，渡槽可降低糙率3.63%～15.77%，增流4%～17.35%，工程降糙增流效果明顯。

(2)SK聚脲涂層因力學(xué)性能優(yōu)良，與混凝土黏附力強(qiáng)，經(jīng)灌期運(yùn)行半年后，對刮涂SK聚脲涂層的鴨爪子溝渡槽開展現(xiàn)場檢查，聚脲涂層無不良變化，表面光滑，泥沙附著較少。在后期工程運(yùn)行中，運(yùn)維人員應(yīng)及時做好涂層防護(hù)工作，若發(fā)現(xiàn)損壞、鼓包、剝落等現(xiàn)象，及時修復(fù)處理。

(3)因?qū)幭牡靥幬鞅眱?nèi)陸地區(qū)，紫外線強(qiáng)度較高，SK聚脲涂層老化性能、抗沖磨蝕性能有待進(jìn)一步考究。

(4)SK聚脲涂層的引進(jìn)與應(yīng)用，可有效提高紅寺堡揚(yáng)水工程的供水保障能力，確保紅寺堡揚(yáng)黃工程安全運(yùn)行、效益的正常發(fā)揮，同時也可為我區(qū)其他工程更新改造提供工程借鑒。

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