多功能蒸渗测坑一体化结构在泉州市灌溉试验中心站的应用

2021-04-14曾少森

水利建设与管理 2021年3期

曾少森

(泉州市山美灌区水资源调配中心，福建泉州 362000)

1 引言

灌溉试验是水利建设与管理的一项重要基础性工作。我国曾几次规模化开展了灌溉试验工作，建设试验站蒸渗测坑、测筒试验平台，利用其平台取得了一大批阶段性成果，对一定时期的农田灌排工程建设、灌溉用水管理及农业生产发展起到了重要的促进作用。

蒸渗测坑、大型称重式蒸渗仪、轨道式蒸渗测筒是灌溉试验站的试验平台建设中极其重要的一部分，其结构和形态各式各样。蒸渗测坑属于非称重式蒸渗测坑，一般建设有20或24个2m×2.33m×3m的方形测坑，配套有模拟控制测坑地下水位的自动供排水装置，大型称重式蒸渗仪使用精密天平或称重传感器称量15～20t的箱体测坑来获取箱体重量，轨道式蒸渗测筒多半建设成10行4列共计40个测筒的测筒群，通过轨道式小车自动称取每个测筒重量。

根据水利部对灌溉试验的整体规划布局，近五年内，国内各地试验站开始升级改造原蒸渗测坑或建设新蒸渗测坑，应用新型技术提高观测精度，提高整个蒸渗测坑的自动化能力，实现信息化目标。国内建设蒸渗测坑普遍采用分散式结构，非称重式蒸渗测坑、称重式蒸渗仪、蒸渗测筒各建设成1个独立地下室，投入3次人力物力，3类不同人员建设3类独立的观测系统。随着国内蒸渗测坑技术的发展、结构设计的成熟以及信息化的发展，采用更加适合泉州灌溉试验站应用要求的一体化结构，提高蒸渗测坑试验效率和蒸渗测坑信息化技术水平，为灌溉试验蒸渗测坑信息化的开展奠定了基础。

2 工程概况

泉州市灌溉试验中心站(以下简称试验站)是全国100个、福建省4个灌溉试验重点站之一，是福建省的灌溉试验中心站，水利部把试验站纳入了全国试验站站网建设。试验站基地对外交通十分方便，位于永春县东北部的湖洋镇；水利条件好，距龙门滩水库(总库容5251万m3)直线距离为20km。

试验站主要任务与功能是承担水利部布置的农田水利常规试验工作：收集整理灌溉农业基础数据，定期汇总整编灌溉试验资料上报，承担水利部或高校协作研究任务和福建省设置的科研课题, 推广节水灌溉新技术、作物灌溉科研成果的示范推广工作。因工作需要试验站内建设有水稻试区、旱作物试区、花卉试区、坡地试区、高效节水灌溉和水生态修复试验区，配套蒸渗测坑试验群、气象园、需水量测坑和集水池；同时根据生产生活需要，布置主干道进站道路、机耕道连接道路和围墙等附属设施，项目总占地面积76.2亩。

泉州试验站蒸渗测坑结构建设初期参考全国试验站蒸渗测坑建设情况，计划采用分散式结构建设，即在灌溉试验站内东侧并列开挖2个地下室分别建设大型称重式蒸渗仪、蒸渗测坑及轨道式蒸渗测筒，同时建设独立的数据采集系统。但在地质勘察过程中，发现试验站东侧有部分场地靠近河道，不适合开挖建设地下室，即无法将两个地下室并列建设。勘测同时发现该地段一侧属于地势低洼地段，2017年遇到了多年未遇的山洪，冲掉了防洪墙，若按照原设计参考全国灌溉试验站分散式结构建设，若再次遭遇特大山洪，所投入的大量科研设备仪器会损坏，造成不必要的国家财产损失，而且山洪也威胁到正在试验区做试验的科研人员人身安全。综上考虑，最终采用靠东面地势高处“一字”形一体化结构。设计考虑试验站蒸渗测坑一体化结构的防渗水平、防剪切浮力问题、防台风因素及防洪水能力。对比原分散式结构，该一体化设计使蒸渗测坑试验区占用农田面积更小，减少了开挖、回填、防渗工作量及资金投入。

3 一体化结构设计

蒸渗测坑、称重式蒸渗仪、轨道式蒸渗测筒一体化结构整体采用地下钢筋混凝土结构(见图1)，包括南侧上下楼道、轨道式蒸渗测筒、测筒区与大型称重式蒸渗仪连接缝、大型称重式蒸渗仪控制室、大型称重式蒸渗仪、蒸渗测坑、蒸渗测坑保护坑、蒸渗测坑观测廊道、地下水位控制大厅、蒸渗测坑数据采集区电脑监控室、供水水箱、北侧上下楼道、地下室通风口，其特征在于：所述一体化结构设计两端均设置上下楼道(1、12)，从南侧上下楼道1进入，通往轨道式蒸渗测筒(2)，经过轨道式蒸渗测筒与大型称重式蒸渗仪连接缝(3)后，进入大型称重式蒸渗仪试验区，可看见大型称重式蒸渗仪控制室(4)及大型称重式蒸渗仪(5)；继续往里，可见蒸渗测坑(6)、地下观测廊道(8)、保护测坑(7)、地下水位控制大厅(9)及地下室通风口(13)，所述蒸渗测坑(6)和蒸渗测坑保护坑(7)布置于地下观测廊道(8)两侧，地下水位控制大厅(9)与蒸渗测坑保护坑(7)相邻；继续往里，可见蒸渗测坑数据采集区电脑监控室(10)，位于最里端半层楼处，通过半层楼处北侧上下楼道进出地下实验区。

图1 测坑、测筒一体化结构

3.1 一体化设计关键点

一体化结构设计与分散式结构设计相比，性能指标更为严格，考虑一体化结构整体长度由原来分散式的35m变成了一体式的76m，该结构设计时须充分考虑抗剪切力和抗浮力，在按设计标准计算强度时设置一个安全性能系数并根据泉州试验站因地制宜考虑防洪水防台风及地下水防渗设计。

3.2 钢筋结构设计

考虑防30年一遇洪水，蒸渗测坑一体化结构的钢筋混凝土不能等同一般建筑物，测坑按使用50年设计，墙体厚度不小于25cm并进行防开裂设计。

3.3 防水结构

防水结构参考《地下建筑防水构造》(10J301)，使一体化结构防水等级达到国家地下建筑防水等级一级标准，即不允许渗水，结构表面无湿渍。

底板防水设计[2]从上到下标准步骤依次为：C30钢筋混凝土地板、水泥基渗透结晶防水涂料、防水砂浆保护层、三合一高分子自修复加强防水层、防水砂浆找平层、C30防水混凝土垫层、素土夯实(见图2)。

图2 底板设计示意图

外墙防水设计[2]从左到右标准步骤依次为：灰土分层夯实、保护层防水涂料防水层、水泥砂浆防水层、防水混凝土外墙(见图3)。

图3 外墙设计示意图

因为顶板上部为作物种植区，顶板防水设计[2]采取种顶防水标准，从上到下依次为种植土及植被层、过滤层、排水层、50～70mm厚C20细石混凝土、找斜坡(坡度1%)、隔离层、耐根穿刺防水层、普通防水层、20mm厚1∶3水泥砂浆找平层、防水混凝土顶板(见图4)。

图4 顶板设计示意图

3.4 试验区顶板、顶板变形缝设计

蒸渗测坑、大型称重式蒸渗仪、轨道式蒸渗测筒一体化结构的整体建筑框架较长，应在每一类设施结构之间增加底板和顶板变形防水缝，增强整个一体化结构防水防渗能力(见图5)。

图5 底板和顶板变形缝防水构造(单位：mm)

3.5 双上下楼道设计

一体化结构使整个地下室加长，东西各设计一个上下楼道。

4 一体化结构的作用

灌溉试验站中核心的试验平台为蒸渗测坑试验设施。蒸渗测坑试验设施承担着农作物需水量观测的任务，主要由蒸渗测坑、大型称重式蒸渗仪和轨道式蒸渗测筒组成，这三种蒸渗测坑平台是泉州试验站作物需水量及灌溉节水技术试验的主要观测平台，其中蒸渗测坑装置主要侧重于使用测坑地下自动供排水装置及测坑土壤传感器监测设备研究水分运移规律、节水灌溉技术等；大型称重式蒸渗仪多用于使用称量方式研究与非称重式蒸渗测坑体积一样的大型测坑内作物的蒸腾蒸发量；轨道式蒸渗测筒装置侧重开展多个小型测筒内作物的需水量研究，通过自动升降称重方式快速称量出每个测筒每日的重量变化量从而计算出筒内作物日蒸腾蒸发量。一体化结构建设完成后，可开展水利部布置的农田水利常规试验，承担水利部或高校协作研究任务和省级设置的科研课题, 推广节水灌溉新技术和作物灌溉科研成果。

5 一体化结构的优点

a.一体化结构考虑防30年一遇洪水，以及抗剪切力和抗浮力要求，测坑按使用50年设计，防水等级达到国家地下建筑防水一级标准，解决了泉州灌溉试验站防洪、防渗、防台风问题。

b.建设成地下混凝土一体化结构，做试验测量不仅不受外界风雨天气的干扰，同时避免了原每个试验区单独建设造成的重复性建筑占地，此结构便于试验人员集中开展科研试验。

c.一体化结构设计成“一”字形，蒸渗测坑试验区地表设计成一套3截自动防雨棚，从而避免了原分散式结构须分别在轨道式蒸渗测筒、大型称重式蒸渗仪和蒸渗测坑两个区域各建一套自动防雨棚。

d.一体化结构使三类蒸渗测坑试验设施集中布局，便于蒸渗测坑试验数据集中采集到蒸渗测坑数据电脑监控室，为所有数据集中管理、集中进行信息化数据远程传输提供了便利。

e.一体化结构的蒸渗测坑数据采集区的电脑监控室内布置3台工控计算机，测坑数据采集区电脑监控室面向地下水位控制大厅一侧设有玻璃窗，在试验区域布设监控设备，便于在监控室查看试验设施运行状况。

6 一体化结构数据分析

6.1 测坑基础建设数据情况对比

对全国近期新建的3个灌溉试验站蒸渗测坑基建情况进行了调研，对比结果如表1所列。

从表1分析可得：采用一体化结构可少占地54～74m2，基建工程预算节约30万～40万元，数据采集系统一体化结构系统相对集中，便于传输。

表1 3个灌溉试验站蒸渗测坑基建情况

6.2 全国近期新建的2个灌溉试验站蒸渗测坑温度数据对比

广西钦州试验站采取应用一体化结构蒸渗测坑，系统从测坑、测筒、蒸渗仪采集到的土壤数据，在同一个小气候条件内、同一埋深温度差异小，最大差值为0.5℃。江苏沿海基地采用分散式建设，收集了3个区域、3个不同试验采集的土壤温度情况，因小气候变化不一样，同一埋深的土壤温度试验数据差别较大，最大差值达到1.4℃。由于该结构属于最新设计结构，试验数据相对较少。数据对比情况详见表2～表3。