三屯河灌区渠道衬砌结构糙率分析及降糙技术浅析

赵科智

（乌鲁木齐市水利勘测设计院，新疆 乌鲁木齐 830049）

0 引言

新疆三屯河灌区位于昌吉市三工镇、阿什里乡境内。有省道S322和国道乌奎高速G30通过，并有乡村公路与其相连，交通便利。灌区属中温带大陆干旱气候区，冬季漫长而寒冷，夏季短促而炎热，春季气温回升较快，秋季降温迅速。气候条件较为恶劣，冬季时间较长，夏季干燥少雨；蒸发量远大于降水补给量、冻融循环对结构强度影响较大。在灌区修建的渠道，经过长期的使用，在衬砌结构开裂、冻融循环影响、渗流渗漏等因素的综合影响下，表面破损严重。原渠老化破损严重，渠底磨损严重，脱浆、砌石松动破坏；部分段边坡浆砌石存在冻胀破坏，边坡砌石架空，渠道渗漏损失大，糙率系数急剧增大，渠道不能安全运行。故本文对渠道表面处理材料及施工工艺进行研究，分析影响渠道糙率系数的主要原因。

1 影响糙率系数的因素研究

由水力学原理可知引水渠道的断面流量，计算公式如下。

（1）Chezy方程：

（2）Manning方程

根据式（1）～ 式（2）可知

式中：Q表示引水渠道断面流量；A表示断面面积；C表示Chezy系数；R表示水力半径；i表示渠道坡度，η表示糙率系数。

对于已经建设的引水渠道，其断面面积、水力半径、渠道坡度等为已知的常数，且难以改变。因此，糙率系数为影响渠道过流能力的关键因素。

在工程设计和建设中，糙率系数是影响渠道设计的关键因素。糙率系数的大小直接影响到渠道断面的设计和工程建设的投资[1]。对于已经建设完成的输水工程，改变其糙率系数，将会改善其过流输水能力。

引水渠道糙率系数η是引水渠道对水流产生阻力的直接影响的反映，是一个无量纲常数。可以反映引水渠道的边墙特征、粗糙程度。引水渠道表面越光滑，糙率系数越小；反之亦然。

对于混凝土引水渠道，降低其糙率系数的常用方法包括[2～3]：断面形式优化设计、施工工艺改进、施工质量提升等。若在混凝土施工过程中，形成缺陷则会大大增大混凝土结构的糙率系数。寒旱区混凝土表面缺陷主要形成原因如下：①冻融因素；②磨蚀因素；③混凝土裂缝；④混凝土渗漏；⑤混凝土施工质量不合格。

对于已经建设运行的混凝土引水渠道其糙率系数改变的主要诱发因素为[4～5]：①输送水源，含沙量较高；②养护质量不达标；③长期运行；④微生物腐蚀。因此，随着引水渠道使用时间的增加，混凝土表面粗糙程度将会发生较大的改变。

2 寒区冻胀作用对衬砌结构的影响分析

2.1 模型建立及参数选取

根据渠道特征建立数值模拟模型，渠道底宽1.5 m，高2.5 m，边坡系数为1∶1.5。使用混凝土进行衬砌，衬砌厚度6.0 cm。采用ANSYS进行数值模拟，模型见图1。地下水埋深位于渠底以下0.20 m。冬季灌区灌溉用水水量较小，考虑无水情况。根据环境气候条件设计温度场。

图1 数值模拟模型

表1 冻土弹性模量

表2 岩土体及衬砌材料参数

2.2 数值模拟结果

2.2.1 位移分析

根据建立的数值模拟模型获取衬砌结构不同部位法向冻胀量的结果，见图2。由图2可知，渠道部位的最大法向冻胀量位于渠底中部位置，约为2.0 mm。边坡部位最大法向冻胀量位于边坡2/3位置处，最大冻胀量约为5.2 mm。

图2 衬砌结构不同部位法向冻胀量

2.2.2 应力分析

（1）法向冻胀力

垂直于衬砌结构混凝土板的应力张量即为法向冻胀力，见图3。在渠道底部两端法向冻胀力最大，渠底中部的法向冻胀力最小，向两侧逐渐增大

图3 法向冻胀力

（2）切向冻胀力

平行衬砌结构混凝土板的应力张量为切向冻胀力，见图4，由图中可知，衬砌结构左侧为拉应力，右侧为压应力。冻胀力在渠道衬砌结构内部呈线性分布，渠道底部两个端点处应力最大。

图4 切向冻胀力

通过数值模拟结果可知，渠底和边坡接触位置为应力集中区，在进行渠道施工时，应当注意对渠道底部施工质量的控制。

3 渠道过流能力提升技术措施研究

针对已经建设完成投入使用的渠道，增大其过流能力的主要措施为对渠道表面进行降糙处理。潘亚宏等[6]以南水北调中线工程为例，使用室内试验的方法对减阻降糙材料的降糙效果进行研究，结果表明：降糙材料具有明显的降糙效果。黄建红[7]对SCL防渗膜的特性和使用效果进行研究，认为该材料可以有效改善渠道的糙率系数，提高过流和输水能力。杨德峰等[8]对降低渠道糙率的方法进行研究，认为机械磨光机提浆、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数。王静等[9]认为改善渗漏条件可以有效降低糙率系数，提升渠道的过流能力。因此，可以改善混凝土渠道施工工艺、使用降糙材料简捷有效地改善渠道糙率系数，提升渠道的输水过流能力。

4 降糙处理材料、施工工艺及效益评估

4.1 引水渠道表面降糙处理材料

混凝土糙率系数影响因素包括冻融、裂缝、渗漏、磨蚀等，针对不同的诱发因素，可以选取具有针对性的处理材料。

在寒旱区混凝土冻融破坏的最明显特征为表面松弛脱落、深层冻胀破坏、冰冻裂纹，主要原因为衬砌结构渗漏导致混凝土吸水饱和强度降低、设计阶段混凝土抗冻胀等级设计较低、施工阶段施工质量较差。混凝土发生冻胀破坏后常用的治理措施是凿除冻胀破坏混凝土，重新进行填补修复。在寒旱区，混凝土一般采用聚合物抗冻混凝土或者降低混凝土含气量从而配制成高抗冻混凝土[10]。同时，对混凝土表面采用防护涂层进行处理也是常用措施[11]。

渠道输送的水源中，含有较多的悬移质和推移质，对混凝土衬砌结构具有较大的冲刷作用，通常是引起混凝土表面磨蚀破坏的因素。因此，提高混凝土的抗冲刷能力是提高混凝土糙率系数的一个有效方法。在工程实践中通常使用强度较高的硅粉、聚合物、钢纤维、铁矿石等处理混凝土从而提高混凝土的抗冲刷能力。同时一些新型材料的出现也具有提高混凝土表面抗冲耐磨性质的作用。

对于混凝土裂缝，可以使用遇水膨胀的化学材料如水性聚氨酯等溶剂，具有较好的快速止水堵漏的效果。对于渠道衬砌结构表面的混凝土缺陷如蜂窝、空洞、麻面等，一般采用环氧胶泥、聚合物砂浆等材料进行修补处理。同时为保证处理过后的混凝土表面光滑平整，一般可在混凝土表面刷涂有机材料，提高混凝土的耐磨性能。

4.2 引水渠道表面降糙施工工艺

对于已经投入运行的混凝土渠道发生冻融、磨蚀及表面出现缺陷时通常采用“凿旧补新”方法进行处理。对于混凝土的“凿旧补新”已在较多的工程中得到应用，工艺较为成熟。

当混凝土表面需要进行喷涂涂层从而降低糙率系数的，一般采用喷涂、手刮、辊涂等方法进行施工。对于本工程采用聚脲材料进行混凝土结构表面裂缝的处理，喷涂厚度设计为2.0 mm。喷涂聚脲材料的施工工艺如下：①将混凝土衬砌结构表面的浮浆进行打磨处理；②对于基面的灰尘进行清理；③保护不需要喷涂处理的区域；④进行第一次环氧底涂；⑤进行环氧腻子处理；⑥进行第二次环氧底涂；⑦进行聚氨酯刷涂；⑧完成聚脲材料喷涂施工；⑨完成材料防护措施。当环氧涂层年度较低时，可采用辊涂的方式进行施工，完成基面清理工序后，使用滚筒或者毛刷将环氧材料均匀的涂抹于混凝土表面。使用手刮工艺进行聚脲刮涂的工艺如下：①混凝土表面刷涂专用的界面剂；②界面剂干燥后刮涂第一次聚脲涂层；③粘贴胎基布；④干燥后进行下一次聚脲涂层刮涂，直至聚脲厚度达到2 mm。

4.3 降糙效益评估

渠道的糙率系数是影响渠道断面设计的一个重要因素，糙率系数取值的选择对引水工程设计、建设和管理有着重要的影响。当糙率系数选择过于保守时，则会大大增加工程建设的投资，但是，糙率系数取值过小时，则会影响渠道的输水效率，造成渠道堵塞。因此，监测水位和流速可以有效评估引水渠道的糙率系数。

新疆该引水渠道通过“凿旧补新”以及涂刷聚脲涂层后，有效阻止了渠道渗漏，降低了渠道表面混凝土的糙率系数，通过现场实测，糙率系数从0.013降低至0.009，大大提高了渠道的输送水能力和引水工程的效益，具有较好的工程效果。

5 结论

对三屯河灌区引水渠道糙率系数的影响因素进行分析，结合影响因素特点，结合前人研究，提出了引水渠道的表面处理材料、施工工艺等。针对该引水渠道的特点，使用聚脲材料作为表面处理材料，对衬砌裂缝进行处理，以及使用“凿旧补新”对混凝土冻融、磨蚀、缺陷进行处理，将渠道糙率系数从0.013降低至0.009，渠道输水能力得到明显提升，增加了工程效益。