SK聚脲在宁夏红寺堡鸭爪子沟渡槽降糙增流工程中的应用

2020-10-19顾靖超陆立国

中国农村水利水电 2020年10期

朱洁，顾靖超，陆立国

(宁夏水利科学研究院，银川 750021)

0 引言

红寺堡扬水工程建设于1998年，是20世纪为解决脱贫致富，宁夏建设的“一号工程”重点项目，其设计灌溉面积3.667 万hm2，设计流量25 m3/s，泵站14座。因多年运行，渡槽存在槽壳内混凝土老化、伸缩缝止水破坏等问题，致使槽壳糙率增大，渡槽过流能力大大折减。随着区域经济社会的发展，近20年来红寺堡灌区灌溉规模面积不断扩大，已由设计的3.667 万hm2发展到2015年的4.891 万hm2，计划到2020年发展到6.76 万hm2，远远超出扬水工程现有的供水能力。红寺堡渡槽降糙加固工程的实施，可适当提升工程运行效率和供水能力，为灌区发展提供水资源保障。因此，提高渡槽过流能力已成为目前亟待解决的关键问题。本文结合红寺堡扬水工程“槽壳内壁刮涂SK聚脲材料进行降糙增加过流能力”改造工程，根据现场原型观测试验工作，测算渡槽糙率，对渡槽过流能力进行综合分析，以期为渡槽更新改造加固工程提供数据支撑[1]。

SK聚脲材料属于聚氨酯中的一种特殊材料，双组分涂刷SK聚脲是由异氰酸脂组分与氨基化合物组分混合后，采用涂刷或喷涂等施工方法形成的弹性膜，是一种无溶剂、涂刷型弹性材料，因具有良好的防渗效果、抗冲耐磨性、施工工期短等优点，在泄洪建筑物的表面防护、混凝土裂缝及伸缩缝表面封闭处理等水利水电工程应用中较为广泛[2-4]。美国波士顿地铁工程、San Mateo大桥等重点工程均使用聚脲涂层作为防护材料[5]。新疆博湖西泵站更新改造工程中采用SK手刮聚脲弹性涂料处理，工程投入运行2年后对出水流道表面观察，未出现磨损、裂缝和渗水等现象，应用情况较好[6]。东江水源工程官山渡槽伸缩缝防渗处理中涂刷SK聚脲，经运行1年后结构表面平整，防渗效果显著[7]。白云水库大坝混凝土面板出现裂缝存在渗漏现象，采用喷涂聚脲应用于堆石坝中的混凝土面板裂缝覆盖处理具有明显优势。山西禹门口灌区渡槽采用聚脲降糙防护处理，工程运行1年后运行观察，其水位明显下降，过流能力有了明显提升[8]。总体而言，国内各省区采用刮涂SK聚脲材料开展缺陷修补加固已探索出很多好的做法和经验，也为宁夏引用新材料新技术提供了有益启示。

1 SK刮涂聚脲材料的特性及施工流程

(1)刮涂SK聚脲技术采用成套修补加固及防护技术，可系统解决渡槽相关病害问题，保证工程的安全运行。

(2)SK刮涂聚脲涂层力学性能优异，耐候性好，与混凝土黏结力强，采用该土层进行防护，可一并解决渡槽槽身内壁混凝土渗漏、碳化及冻融剥蚀等病害问题。

(3)SK刮涂聚脲涂层糙率较低，应用SK刮涂聚脲涂层的减阻降糙技术可提高渡槽输水能力。

(4)伸缩缝采用新型表层止水结构，能够适应大跨度渡槽接缝位移，有效防止渡槽渗漏。

鸭爪子沟渡槽施工流程如图1所示，现场施工如图2所示。

图1 刮涂聚脲施工工艺流程

图2 渡槽刮涂SK聚脲施工

2 现场量测及数据分析

2.1 渡槽基本情况

鸭爪子沟渡槽槽长108 m，横断面规则，与上下游连接顺畅，现状参数统计表详见表1。

表1 渡槽现状参数统计表

2.2 量测内容及要求

为更准确测定渡槽水力坡降，现场原型测试主要包括渠道及槽壳内流速测量、水力坡度、渡槽断面尺寸、比降(水力坡降、槽底比降)等参数。

在刮涂SK聚脲施工前后，开展渡槽测流、断面水力要素现场测试工作。为保证测流精度，槽壳内选取3个测水断面，每个测水断面轮测8次，计算时取测量数据平均值，测流严格按照《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303-2017)执行，测流采用精测法，在测流过程中若出现所测流量误差超过5%，则重新测量。

2.3 糙率推算方法

本文以明渠恒定均匀流及明渠恒定非均匀流两种计算方法分别计算渡槽现状糙率及刮涂SK聚脲后渡槽糙率。

对于恒定均匀流渠道，通过准确实测渡槽的断面几何尺寸、渠道和渡槽比降、水面坡度、流速、水深等水力要素，采用曼宁公式反算渡槽糙率，基本计算方程为：

(1)

式中：v为渠道断面流速，m/s；R为渠道水力半径，m；i为水面坡降。

对于非均匀流，糙率系数计算采用曼宁公式，在天然河道糙率系数率定中，以水面坡度代替J。因此，利用实测资料反推的糙率系数时，应了解率定的方法以及观测时的水流条件。计算公式如下式所示：

(2)

式中：Q为流量，m3/s；y为水深，m；A为断面面积，m2；R为水力半径，m；L为渠道长度；n为渠道糙率；s0为底坡；g为重力加速度，下标“1”表示渡槽进口测量断面，下标“2”表示渡槽出口测量断面。

2.4 原型观测结果

(1)断面水力要素。根据现场测试结果，春灌流量范围在5.955～6.981 m3/s，夏灌流量范围在8.096～8.728 m3/s之间，断面水力要素如表2所示。

(2)渡槽比降。由于槽壳内水流波动幅度较大，因此在测量时，将水准仪塔尺缓慢放置在波动水面的波谷与波峰之间，固定塔尺，开始测量。且现场无已知固定高程点，故选取一个固定点，假定此点水准面作为高程起算面，以相对高程来表示。经测算，鸭爪子沟渡槽春灌水力坡降为1/1 789、1/2 008，夏灌水力坡降为1/2 353、1/2 445，槽底比降为1/1 425，槽底比降与设计比降差异较小，结果如图3所示。

图3 鸭爪子沟渡槽比降

3 渡槽综合糙率推算与分析

3.1 渡槽糙率推算

采用明渠恒定非均匀流公式计算糙率，计算结果如表3所示。

表3 鸭爪子沟渡槽现状糙率实测表

由表3可以看出，鸭爪子沟渡槽现状糙率在0.009 98～0.011 09之间，均值为0.010 67。研究资料表明，采用现代工艺施工的输水建筑物糙率系数和目前常用设计值为0.014～0.016，根据《灌溉渠道衬砌工程技术规范》(DB64/T-811 2012)规定，现浇混凝土推荐糙率为0.014[9]，而本次试验计算现状糙率值明显小于规范值。鸭爪子渡槽现已运行近20 a，槽壳内壁存在混凝土老化、表面剥蚀等现象，实测糙率应大于理论设计值。推断原因为：①鸭爪子沟渡槽的测流长度较短，进出口测量断面间距仅为59.98 m，水面坡降以及沿程水头损失测量误差相对较大所致；②由于断面水深、流量等测量仪器本身和人为因素均会产生一定的偏差，微小的水力测量误差可能会产生较大的渠道糙率误差；③计算糙率时，选取两个断面因间距过短，采用明渠恒定非均匀流公式计算，两断面水位差值仅为3 mm左右，水位变化不明显，且在测量过程中存在人为误差，导致计算糙率数据过小。

采用明渠恒定均匀流曼宁公式计算[10,11]，利用水力坡降、设计比降、槽底比降反算糙率，计算结果如表4所示。