曾少森

(泉州市山美灌區(qū)水資源調(diào)配中心，福建 泉州 362000)

1 引 言

灌溉試驗(yàn)是水利建設(shè)與管理的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。我國(guó)曾幾次規(guī)?；_(kāi)展了灌溉試驗(yàn)工作，建設(shè)試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑、測(cè)筒試驗(yàn)平臺(tái)，利用其平臺(tái)取得了一大批階段性成果，對(duì)一定時(shí)期的農(nóng)田灌排工程建設(shè)、灌溉用水管理及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。

蒸滲測(cè)坑、大型稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測(cè)筒是灌溉試驗(yàn)站的試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)中極其重要的一部分，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)各式各樣。蒸滲測(cè)坑屬于非稱重式蒸滲測(cè)坑，一般建設(shè)有20或24個(gè)2m×2.33m×3m的方形測(cè)坑，配套有模擬控制測(cè)坑地下水位的自動(dòng)供排水裝置，大型稱重式蒸滲儀使用精密天平或稱重傳感器稱量15～20t的箱體測(cè)坑來(lái)獲取箱體重量，軌道式蒸滲測(cè)筒多半建設(shè)成10行4列共計(jì)40個(gè)測(cè)筒的測(cè)筒群，通過(guò)軌道式小車自動(dòng)稱取每個(gè)測(cè)筒重量。

根據(jù)水利部對(duì)灌溉試驗(yàn)的整體規(guī)劃布局，近五年內(nèi)，國(guó)內(nèi)各地試驗(yàn)站開(kāi)始升級(jí)改造原蒸滲測(cè)坑或建設(shè)新蒸滲測(cè)坑，應(yīng)用新型技術(shù)提高觀測(cè)精度，提高整個(gè)蒸滲測(cè)坑的自動(dòng)化能力，實(shí)現(xiàn)信息化目標(biāo)。國(guó)內(nèi)建設(shè)蒸滲測(cè)坑普遍采用分散式結(jié)構(gòu)，非稱重式蒸滲測(cè)坑、稱重式蒸滲儀、蒸滲測(cè)筒各建設(shè)成1個(gè)獨(dú)立地下室，投入3次人力物力，3類不同人員建設(shè)3類獨(dú)立的觀測(cè)系統(tǒng)。隨著國(guó)內(nèi)蒸滲測(cè)坑技術(shù)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟以及信息化的發(fā)展，采用更加適合泉州灌溉試驗(yàn)站應(yīng)用要求的一體化結(jié)構(gòu)，提高蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)效率和蒸滲測(cè)坑信息化技術(shù)水平，為灌溉試驗(yàn)蒸滲測(cè)坑信息化的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

2 工程概況

泉州市灌溉試驗(yàn)中心站(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)站)是全國(guó)100個(gè)、福建省4個(gè)灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站之一，是福建省的灌溉試驗(yàn)中心站，水利部把試驗(yàn)站納入了全國(guó)試驗(yàn)站站網(wǎng)建設(shè)。試驗(yàn)站基地對(duì)外交通十分方便，位于永春縣東北部的湖洋鎮(zhèn)；水利條件好，距龍門灘水庫(kù)(總庫(kù)容5251萬(wàn)m3)直線距離為20km。

試驗(yàn)站主要任務(wù)與功能是承擔(dān)水利部布置的農(nóng)田水利常規(guī)試驗(yàn)工作：收集整理灌溉農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定期匯總整編灌溉試驗(yàn)資料上報(bào)，承擔(dān)水利部或高校協(xié)作研究任務(wù)和福建省設(shè)置的科研課題, 推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)、作物灌溉科研成果的示范推廣工作。因工作需要試驗(yàn)站內(nèi)建設(shè)有水稻試區(qū)、旱作物試區(qū)、花卉試區(qū)、坡地試區(qū)、高效節(jié)水灌溉和水生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)區(qū)，配套蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)群、氣象園、需水量測(cè)坑和集水池；同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)生活需要，布置主干道進(jìn)站道路、機(jī)耕道連接道路和圍墻等附屬設(shè)施，項(xiàng)目總占地面積76.2畝。

泉州試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑結(jié)構(gòu)建設(shè)初期參考全國(guó)試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑建設(shè)情況，計(jì)劃采用分散式結(jié)構(gòu)建設(shè)，即在灌溉試驗(yàn)站內(nèi)東側(cè)并列開(kāi)挖2個(gè)地下室分別建設(shè)大型稱重式蒸滲儀、蒸滲測(cè)坑及軌道式蒸滲測(cè)筒，同時(shí)建設(shè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但在地質(zhì)勘察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)站東側(cè)有部分場(chǎng)地靠近河道，不適合開(kāi)挖建設(shè)地下室，即無(wú)法將兩個(gè)地下室并列建設(shè)?？睖y(cè)同時(shí)發(fā)現(xiàn)該地段一側(cè)屬于地勢(shì)低洼地段，2017年遇到了多年未遇的山洪，沖掉了防洪墻，若按照原設(shè)計(jì)參考全國(guó)灌溉試驗(yàn)站分散式結(jié)構(gòu)建設(shè)，若再次遭遇特大山洪，所投入的大量科研設(shè)備儀器會(huì)損壞，造成不必要的國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失，而且山洪也威脅到正在試驗(yàn)區(qū)做試驗(yàn)的科研人員人身安全。綜上考慮，最終采用靠東面地勢(shì)高處“一字”形一體化結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)考慮試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑一體化結(jié)構(gòu)的防滲水平、防剪切浮力問(wèn)題、防臺(tái)風(fēng)因素及防洪水能力。對(duì)比原分散式結(jié)構(gòu)，該一體化設(shè)計(jì)使蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)區(qū)占用農(nóng)田面積更小，減少了開(kāi)挖、回填、防滲工作量及資金投入。

3 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒸滲測(cè)坑、稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測(cè)筒一體化結(jié)構(gòu)整體采用地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，包括南側(cè)上下樓道、軌道式蒸滲測(cè)筒、測(cè)筒區(qū)與大型稱重式蒸滲儀連接縫、大型稱重式蒸滲儀控制室、大型稱重式蒸滲儀、蒸滲測(cè)坑、蒸滲測(cè)坑保護(hù)坑、蒸滲測(cè)坑觀測(cè)廊道、地下水位控制大廳、蒸滲測(cè)坑數(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室、供水水箱、北側(cè)上下樓道、地下室通風(fēng)口，其特征在于：所述一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩端均設(shè)置上下樓道(1、12)，從南側(cè)上下樓道1進(jìn)入，通往軌道式蒸滲測(cè)筒(2)，經(jīng)過(guò)軌道式蒸滲測(cè)筒與大型稱重式蒸滲儀連接縫(3)后，進(jìn)入大型稱重式蒸滲儀試驗(yàn)區(qū)，可看見(jiàn)大型稱重式蒸滲儀控制室(4)及大型稱重式蒸滲儀(5)；繼續(xù)往里，可見(jiàn)蒸滲測(cè)坑(6)、地下觀測(cè)廊道(8)、保護(hù)測(cè)坑(7)、地下水位控制大廳(9)及地下室通風(fēng)口(13)，所述蒸滲測(cè)坑(6)和蒸滲測(cè)坑保護(hù)坑(7)布置于地下觀測(cè)廊道(8)兩側(cè)，地下水位控制大廳(9)與蒸滲測(cè)坑保護(hù)坑(7)相鄰；繼續(xù)往里，可見(jiàn)蒸滲測(cè)坑數(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室(10)，位于最里端半層樓處，通過(guò)半層樓處北側(cè)上下樓道進(jìn)出地下實(shí)驗(yàn)區(qū)。

圖1 測(cè)坑、測(cè)筒一體化結(jié)構(gòu)

3.1 一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分散式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，性能指標(biāo)更為嚴(yán)格，考慮一體化結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)度由原來(lái)分散式的35m變成了一體式的76m，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮抗剪切力和抗浮力，在按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算強(qiáng)度時(shí)設(shè)置一個(gè)安全性能系數(shù)并根據(jù)泉州試驗(yàn)站因地制宜考慮防洪水防臺(tái)風(fēng)及地下水防滲設(shè)計(jì)。

3.2 鋼筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮防30年一遇洪水，蒸滲測(cè)坑一體化結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土不能等同一般建筑物，測(cè)坑按使用50年設(shè)計(jì)，墻體厚度不小于25cm并進(jìn)行防開(kāi)裂設(shè)計(jì)。

3.3 防水結(jié)構(gòu)

防水結(jié)構(gòu)參考《地下建筑防水構(gòu)造》(10J301)，使一體化結(jié)構(gòu)防水等級(jí)達(dá)到國(guó)家地下建筑防水等級(jí)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬。

底板防水設(shè)計(jì)[2]從上到下標(biāo)準(zhǔn)步驟依次為：C30鋼筋混凝土地板、水泥基滲透結(jié)晶防水涂料、防水砂漿保護(hù)層、三合一高分子自修復(fù)加強(qiáng)防水層、防水砂漿找平層、C30防水混凝土墊層、素土夯實(shí)(見(jiàn)圖2)。

圖2 底板設(shè)計(jì)示意圖

外墻防水設(shè)計(jì)[2]從左到右標(biāo)準(zhǔn)步驟依次為：灰土分層夯實(shí)、保護(hù)層防水涂料防水層、水泥砂漿防水層、防水混凝土外墻(見(jiàn)圖3)。

圖3 外墻設(shè)計(jì)示意圖

因?yàn)轫敯迳喜繛樽魑锓N植區(qū)，頂板防水設(shè)計(jì)[2]采取種頂防水標(biāo)準(zhǔn)，從上到下依次為種植土及植被層、過(guò)濾層、排水層、50～70mm厚C20細(xì)石混凝土、找斜坡(坡度1%)、隔離層、耐根穿刺防水層、普通防水層、20mm厚1∶3水泥砂漿找平層、防水混凝土頂板(見(jiàn)圖4)。

圖4 頂板設(shè)計(jì)示意圖

3.4 試驗(yàn)區(qū)頂板、頂板變形縫設(shè)計(jì)

蒸滲測(cè)坑、大型稱重式蒸滲儀、軌道式蒸滲測(cè)筒一體化結(jié)構(gòu)的整體建筑框架較長(zhǎng)，應(yīng)在每一類設(shè)施結(jié)構(gòu)之間增加底板和頂板變形防水縫，增強(qiáng)整個(gè)一體化結(jié)構(gòu)防水防滲能力(見(jiàn)圖5)。

圖5 底板和頂板變形縫防水構(gòu)造(單位：mm)

3.5 雙上下樓道設(shè)計(jì)

一體化結(jié)構(gòu)使整個(gè)地下室加長(zhǎng)，東西各設(shè)計(jì)一個(gè)上下樓道。

4 一體化結(jié)構(gòu)的作用

灌溉試驗(yàn)站中核心的試驗(yàn)平臺(tái)為蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)設(shè)施。蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)設(shè)施承擔(dān)著農(nóng)作物需水量觀測(cè)的任務(wù)，主要由蒸滲測(cè)坑、大型稱重式蒸滲儀和軌道式蒸滲測(cè)筒組成，這三種蒸滲測(cè)坑平臺(tái)是泉州試驗(yàn)站作物需水量及灌溉節(jié)水技術(shù)試驗(yàn)的主要觀測(cè)平臺(tái)，其中蒸滲測(cè)坑裝置主要側(cè)重于使用測(cè)坑地下自動(dòng)供排水裝置及測(cè)坑土壤傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備研究水分運(yùn)移規(guī)律、節(jié)水灌溉技術(shù)等；大型稱重式蒸滲儀多用于使用稱量方式研究與非稱重式蒸滲測(cè)坑體積一樣的大型測(cè)坑內(nèi)作物的蒸騰蒸發(fā)量；軌道式蒸滲測(cè)筒裝置側(cè)重開(kāi)展多個(gè)小型測(cè)筒內(nèi)作物的需水量研究，通過(guò)自動(dòng)升降稱重方式快速稱量出每個(gè)測(cè)筒每日的重量變化量從而計(jì)算出筒內(nèi)作物日蒸騰蒸發(fā)量。一體化結(jié)構(gòu)建設(shè)完成后，可開(kāi)展水利部布置的農(nóng)田水利常規(guī)試驗(yàn)，承擔(dān)水利部或高校協(xié)作研究任務(wù)和省級(jí)設(shè)置的科研課題, 推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)和作物灌溉科研成果。

5 一體化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

a.一體化結(jié)構(gòu)考慮防30年一遇洪水，以及抗剪切力和抗浮力要求，測(cè)坑按使用50年設(shè)計(jì)，防水等級(jí)達(dá)到國(guó)家地下建筑防水一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，解決了泉州灌溉試驗(yàn)站防洪、防滲、防臺(tái)風(fēng)問(wèn)題。

b.建設(shè)成地下混凝土一體化結(jié)構(gòu)，做試驗(yàn)測(cè)量不僅不受外界風(fēng)雨天氣的干擾，同時(shí)避免了原每個(gè)試驗(yàn)區(qū)單獨(dú)建設(shè)造成的重復(fù)性建筑占地，此結(jié)構(gòu)便于試驗(yàn)人員集中開(kāi)展科研試驗(yàn)。

c.一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“一”字形，蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)區(qū)地表設(shè)計(jì)成一套3截自動(dòng)防雨棚，從而避免了原分散式結(jié)構(gòu)須分別在軌道式蒸滲測(cè)筒、大型稱重式蒸滲儀和蒸滲測(cè)坑兩個(gè)區(qū)域各建一套自動(dòng)防雨棚。

d.一體化結(jié)構(gòu)使三類蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)設(shè)施集中布局，便于蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)數(shù)據(jù)集中采集到蒸滲測(cè)坑數(shù)據(jù)電腦監(jiān)控室，為所有數(shù)據(jù)集中管理、集中進(jìn)行信息化數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸提供了便利。

e.一體化結(jié)構(gòu)的蒸滲測(cè)坑數(shù)據(jù)采集區(qū)的電腦監(jiān)控室內(nèi)布置3臺(tái)工控計(jì)算機(jī)，測(cè)坑數(shù)據(jù)采集區(qū)電腦監(jiān)控室面向地下水位控制大廳一側(cè)設(shè)有玻璃窗，在試驗(yàn)區(qū)域布設(shè)監(jiān)控設(shè)備，便于在監(jiān)控室查看試驗(yàn)設(shè)施運(yùn)行狀況。

6 一體化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

6.1 測(cè)坑基礎(chǔ)建設(shè)數(shù)據(jù)情況對(duì)比

對(duì)全國(guó)近期新建的3個(gè)灌溉試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑基建情況進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)比結(jié)果如表1所列。

從表1分析可得：采用一體化結(jié)構(gòu)可少占地54～74m2，基建工程預(yù)算節(jié)約30萬(wàn)～40萬(wàn)元，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相對(duì)集中，便于傳輸。

表1 3個(gè)灌溉試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑基建情況

6.2 全國(guó)近期新建的2個(gè)灌溉試驗(yàn)站蒸滲測(cè)坑溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

廣西欽州試驗(yàn)站采取應(yīng)用一體化結(jié)構(gòu)蒸滲測(cè)坑，系統(tǒng)從測(cè)坑、測(cè)筒、蒸滲儀采集到的土壤數(shù)據(jù)，在同一個(gè)小氣候條件內(nèi)、同一埋深溫度差異小，最大差值為0.5℃。江蘇沿?；夭捎梅稚⑹浇ㄔO(shè)，收集了3個(gè)區(qū)域、3個(gè)不同試驗(yàn)采集的土壤溫度情況，因小氣候變化不一樣，同一埋深的土壤溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)差別較大，最大差值達(dá)到1.4℃。由于該結(jié)構(gòu)屬于最新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。數(shù)據(jù)對(duì)比情況詳見(jiàn)表2～表3。

表2 欽州市欽靈灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程2017年度項(xiàng)目(二期)灌溉試驗(yàn)站工程蒸滲測(cè)坑測(cè)筒溫度設(shè)備數(shù)據(jù)選取對(duì)比(一體化結(jié)構(gòu))

表3 江蘇省水利科學(xué)研究院沿海試驗(yàn)基地項(xiàng)目測(cè)坑測(cè)筒溫度設(shè)備數(shù)據(jù)選取對(duì)比(分散式建設(shè)結(jié)構(gòu))

7 結(jié) 語(yǔ)

該一體化結(jié)構(gòu)采用地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合泉州灌溉試驗(yàn)站實(shí)際地勢(shì)問(wèn)題，考慮了防30年一遇洪水以及一體化結(jié)構(gòu)抗剪切力和抗浮力參數(shù)；測(cè)坑按使用50年設(shè)計(jì)，防水等級(jí)達(dá)到國(guó)家地下建筑防水一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，解決了泉州灌溉試驗(yàn)站防洪、防滲、防臺(tái)風(fēng)問(wèn)題。

該一體化結(jié)構(gòu)較分散式結(jié)構(gòu)節(jié)約了10%～20%占地面積，蒸滲測(cè)坑測(cè)筒試驗(yàn)平臺(tái)基建節(jié)約了5%～15%經(jīng)費(fèi)，信息化建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入少，傳輸更便捷。

該一體化結(jié)構(gòu)提高了蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)效率，在全國(guó)試驗(yàn)站提出了一種新的結(jié)構(gòu)模式，符合現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)節(jié)能理念，滿足現(xiàn)代信息化建設(shè)要求。這種新型蒸滲測(cè)坑試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模式可供全國(guó)其他灌溉試驗(yàn)站參考。