农田输水工程中渠道改性防渗混合料等向固结压力下渗透性能研究

2021-01-06缪成美齐春舫

水利科技与经济 2020年12期

缪成美，齐春舫

(1.淮安市淮河水利建设工程有限公司，江苏涟水 223400；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005)

1 概述

农业水利工程中，输水渠道的安全运营与防渗结构息息相关，而防渗措施的设计又与防渗材料密不可分，开展水利工程或农业灌区工程中防渗材料渗透性能研究很有必要[1-3]。利用改性沥青、水泥与常规土体混合，制作成改性防渗混合料，并对之开展渗透试验研究，探讨影响防渗材料渗透性能的因素，以提高农业水利工程输水渠道防渗设计水平[4-5]。目前，一些专家学者基于数值仿真手段，对输水渠道工作运营过程中实际荷载工况进行模拟计算，获得渠道防渗结构中渗漏量及力学状态，进而评价渠道安全状态[6-8]。还有一些水利工程师利用水工模型，研究渠道在不同输水流量下渗流特征变化，包括压力场、温度场等特征参数，进而评估防渗效果[9-11]。本文利用三轴渗透试验系统，对改性防渗混合料开展等向固结压力试验[12-13]，并对混合料配合比参数开展影响性分析，探讨适宜于输水渠道防渗材料的最佳配合比及养护周期，为农业水利工程输水渠道的安全运营提供重要试验依据。

2 试验概况

2.1 试验背景及试验仪器

为解决江苏北部地区农田有效灌溉率不高的现状，设计修建抽水泵站，由上游水道引水至中转站，并在农田内设置输水渠道，全渠道长度超过85 km，渠首流量设计为0.55 m3/s，农业生产季可供水超过70×104m3，提升灌溉效率5%，预计可使水平规划年缺水率降低6%。抽水泵站与输水干渠连接采用平面钢闸门，直径超过1.5 m，采用液压式启闭机作为控制设备，精确控制开度，提升水资源有效利用率。目前，渠道防渗是该农田输水工程中面临的主要问题，若渠道出现较大渗漏，农业生产与水资源利用均会受到影响。因此，设计时考虑引入改性防渗混合料作为渠道衬砌的主要原材料。该混合料由水泥、改性沥青、土体、水等组成，针对渠道防渗特点，该类型混合料渗透性能研究显得尤为重要，因而本文就等向固结状态下混合料渗透性开展试验研究。

本次改性混合料渗透试验采用三轴渗透测试仪，该试验系统包括有数据采集系统与加载系统，以压力泵作为渗透压力加载控制方式，精度误差低于0.5%，可依据渗透管路变化，完成瞬态法与稳态法渗透率测试。本文针对混合料的渗透试验采用瞬态法[14-15]，并以三轴压力舱内等向施加围压，并视之为等向固结状态，其计算公式见式(1)；最大竖向荷载可达1 000 kN，可变换多种控制方式加载；围压最大可至50 MPa；数据采集系统可实时查看数据，采集间隔为0.5 s，力传感器以及位移传感器在试验前均已标定，位移传感器最大可达12 mm。

(1)

式中：ΔQ为渗透流量，cm3；H、A为试样物理参数，单位分别为cm、cm2；Δh为压力差，cm；Δt为渗流时间，s。

2.2 试验方案

为研究改性混合料渗透特性影响因素，研究设计不同配合比方案，其中分为水与水泥比(水灰比)、水与沥青之比(水沥比)两个影响方案，水灰比参数设定为6、5、4、3，水沥比设定为5.5、4.5、3.5、2.5，具体配合比及试验方案见表1。

表1 配合比试验方案

按照试验方案目标配合比，取定量材料加水拌匀后，将膨润土、水泥、土颗粒振捣接触，并适时加入改性沥青，保证所制作出试样内部晶体结构在加载过程中各向同性；将拌匀后的改性混合料试样置入模具中成型，径高尺寸为100×200 mm，倒入模具后应保证模具端面平整，后放入养护箱内恒温恒湿环境下养护48 h，后续完成脱模工作。为研究养护时间对改性混合料渗透特性影响，对各配合比混合料方案分别养护14 d和28 d后，再进行三轴渗透实验。

试验步骤简介如下：

1)经养护箱养护目标龄期后的试样取出，完成试验前试样各物理参数测定，安装试样至加载台上，保证端面与加载中心对齐。

2)试验系统中，力传感器清零，位移传感器调整至合适量程，直接在试样两端安装位移传感器，密闭压力舱后，加载围压至目标值，本试验中围压取100 kPa，再对试样施加渗透压力50 kPa，后测量多次不同时刻下试样渗透系数，取全过程试样渗透系数平均值，每个试样保证测量点在10次以上，以渗透系数平均值作为该试样的渗透特性，后停止试验。

3)结束数据采集后，卸掉围压与渗透压力，更换试样，继续试验。

3 改性混合料配合比参数对渗透性能影响分析

3.1 水灰比

基于渗透试验获得不同配合比方案下渗透系数，图1为不同养护时间下水灰比参数影响下改性混合料试样渗透系数变化曲线。从图1中可看出，水灰比与渗透系数为正相关。单个试样水灰比随水灰比递增，当水沥比为5.5时，水灰比为6的试样渗透系数为1.25×10-7cm/s，而水灰比5、4、3混合料试样渗透系数测定值相比前者分别降低17.6%、49.4%和58.8%。分析表明，当水灰比增大时，即水泥成分占比降低，而胶凝材料在改性混合料中可作为孔隙填充体，则混合料中将具有较大孔隙，进而形成渗透试验中的渗透介质流通通道，最终呈现渗透系数较高的结果。对比不同水沥比试样之间渗透系数变化差异可知，当水沥比为3.5时，水灰比5、4、3混合料试样相比水灰比为6的试样渗透系数测定值降低13.1%、42.2%和56.1%，即水沥比降低，一定程度上可减弱水灰比之间变化幅度差异。分析认为，当水沥比降低，即沥青颗粒占比增多，可弥补由于水泥这类胶凝材料缺乏而形成的孔隙，缩小各水灰比改性混合料试样间渗透差异。在相同配合比试样下，养护时间为28 d的改性混合料渗透系数水灰比5、4、3试样与水灰比6试样之间幅度差异分别为51.1%、52.1%和777.6%，养护时间愈长，水灰比试样之间递减幅度愈显著。分析认为，当养护时间增长，则水灰比愈少的试样，其内部水泥水化反应更充分，对混合料内部孔隙填充愈密实，渗流通道堵塞愈严重，反映在渗透系数则是愈低。

图1 水灰比参数影响下改性混合料试样渗透系数变化曲线

3.2 水沥比

基于不同水沥比参数试验方案，获得水沥比影响下改性混合料渗透系数变化曲线特征，见图2。从图2可知，水沥比与改性混合料渗透系数为正相关关系。当在水灰比为3时，水沥比2.5试样渗透系数为1.08×10-8cm/s，而水沥比3.5、4.5、5.5混合料试样相比前者分别增大36.1%、63.9%和376.1%；当水沥比增大时，则沥青占比减少，对混合料中渗透通道的阻碍会减弱，试样抗渗性能会相对降低，因而渗透系数反映为增大。但另一方面从水灰比为4、5、6试验方案中可看出，当水沥比在低于3.5时，渗透系数为递减，水沥比超过3.5后，为递增态势。分析认为，当改性沥青颗粒加入含量愈多时，超过一定界限(本文该临界水沥比为3.5)后，沥青颗粒将取代土颗粒作为改性防渗混合料的主要承载骨架，而沥青颗粒的粒径相比土颗粒要大，因而土颗粒可适配沥青骨架结构，填充孔隙体，降低由于孔隙联通而产生的渗透通道，抑制渗透性能；而水沥比递增，沥青含量的减少，会改变沥青与土颗粒之间孔隙平衡，因而呈现在较高水灰比试验方案中，混合料渗透系数随水沥比先减后增。养护时间为28 d下各配合比方案中变化态势基本一致，但对比相同水灰比为3的配合比方案下，水沥比3.5、4.5、5.5混合料试样相比前者分别增大1.3倍、2.5倍、4.2倍，即养护时间愈长，水沥比递增幅度差异愈大。研究认为，当养护时间增长，则改性混合料中水泥成分与沥青颗粒的胶凝性能愈强，在高水沥比试样中，则沥青与水泥的结合性能愈差，进而促进渗透孔隙通道的形成，渗透系数差异愈大。

图2 水沥比参数影响下改性混合料试样渗透系数变化曲线

4 养护时间对改性混合料渗透性能影响分析

前述分析已知养护时间对改性混合料防渗性能影响较大，因而本文将对相同配合比方案下养护时间对渗透系数影响特性开展分析研究。

图3为各试样养护时间下渗透系数变化曲线。从图3中可看出，养护时间与渗透系数为负相关，即养护时间可抑制改性混合料渗透性能，有助于提升渠道防渗特性。当相同水灰比为4、水沥比为3.5时，养护14 d下所测渗透系数为1.6×10-8cm/s，而养护28d后，相同配合比试样所测渗透系数降低12.5%，达1.4×10-8cm/s；当养护时间愈长，改性防渗混合料中水泥的水化反应愈充分，且沥青在试样骨架颗粒中游离填充性愈好，渗透通道的形成愈困难，渗透系数则愈低。