汾河灌区渠道防渗工程应用复合土工膜效果分析

2014-12-25刘宏武

山西水利科技 2014年2期

刘宏武

（山西省汾河灌溉管理局山西祁县 030900）

1 工程基本情况

汾河灌区设计灌溉面积9.97万hm2，有效灌溉面积8.79万hm2，属大Ⅱ型灌区，是山西省最大的自流灌区，现有干、支、斗、农四级固定渠道（局部地区为五级固定渠道）3006条，总长3607.5km，渠系建筑物10535座，平均年供水量17887万m3，其中农业灌溉用水量14094万m3，公益和工业用水量3793万 m3。

汾河灌区渠道工程和建筑物大部分兴建于上世纪五六十年代，虽然经过历年增改建，但是普遍存在工程老化、年久失修等问题，渠道工程均为土质渠道，冲刷渗漏严重，渠系水利用系数仅为0.549，灌溉水利用系数仅为0.358，不仅造成水资源的极大浪费，一些高填方危险渠道还存在安全隐患，直接影响了灌区效益的正常发挥。

自1999年汾河灌区续建配套和节水改造工程实施以来，截至2012年底共完成渠道防渗工程118.64km，干支渠建筑物改造271处（见表1）。渠道防渗工程刚开始主要采用预制混凝土板、浆砌石等防渗材料，但存在填方渠道的防渗效果不理想、挖方渠道的冻胀破坏难以解决等问题。从2005年项目开始，渠道防渗工程中普遍采用混凝土、浆砌石加复合土工膜的防渗形式，铺设复合土工膜的防渗渠道总长70.7km，占全部防渗渠道的58.3%，取得了很好的防渗和抗冻胀效果。

表1 历年渠道防渗工程统计表（单位：km）

续表1

2 不同衬砌材料加复合土工膜防渗形式的比较分析

2.1 浆砌石斜坡式梯形断面加复合土工膜的防渗形式

该防渗形式的优点是施工简易，断面尺寸较小，仅是重力式矩形断面工程量的65%左右，减少了回填土方，能够节省大量资金，主要应用在渠堤梯形断面形状稳定的渠段；缺点是土质边坡的压实度不易保证，浆砌石护坡厚度只有40 cm，抗冻胀能力不高，工程竣工运行后，部分渠段由于农田冬灌和退水渠内积水影响，左右两侧护坡均在水位线附近出现冻胀裂缝，增加了工程维修成本（见图1）。

图1 浆砌石斜坡式梯形断面加复合土工膜形式

为解决该防渗形式的冻胀裂缝问题，在后续的工程施工中保持断面工程量基本不变，变更了断面设计，将平行四边形护坡变为上部300 mm、下部500 mm的梯形形状，加大基础宽度，增强了护坡底部的抗冻胀能力，工程竣工运行后只在背阴护坡上出现局部的冻胀裂缝，取得了一定的抗冻胀效果（见图2）。

2.2 混凝土斜坡式梯形断面加复合土工膜的防渗形式

该防渗形式的优点是断面尺寸小，防渗效果好，降低了渠道糙率，提高了渠道的输水能力，渠底为钢筋混凝土底板，不生杂草，减少淤积，便于管理和养护，适用于防渗要求较高的填方渠道；缺点是斜坡上混凝土施工难度较大，混凝土表面裂纹不易控制，抗冻胀能力低，易遭受冻胀破坏，经常冬灌的渠道不宜采用，在地下水位较高的挖方渠段要考虑设置反滤排水措施，增加了工程投资（见图3）。

图2 浆砌石斜坡式优化梯形断面加复合土工膜形式

图3 混凝土斜坡式梯形断面加复合土工膜形式

2.3 浆砌石重力式矩形断面、混凝土底板加复合土工膜防渗形式

该防渗形式的优点是渠堤有很好的整体稳定性，抗冻、抗冲性能好，并具有少占地方、节约土地资源的优势，尤其适用于城区段和临近村庄的渠道防渗，防渗效果明显，抗冻胀性能得到提高，工程竣工运行至今没有出现任何问题，运行情况良好，混凝土底板平整美观，消除了浆砌石底板容易局部淤积并滋生杂草的缺陷，把浆砌石、混凝土和复合土工膜很好地结合起来，是一种标准较高、成功有效的防渗形式。缺点是浆砌石矩形断面尺寸大，工程投资较大（见图4）。

3 复合土工膜在防渗工程中的质量控制及实践应用

3.1 复合土工膜的规格和尺寸的定制

工程采用PE两布一膜复合土工膜，规格为SN2/PE-7.5-300-0.2。性能指标经检测均满足GB-T17638-1998《土工合成材料短纤针刺非织造土工布》的标准规定和设计要求。

汾河灌区的干、支渠道底宽一般为4～10 m，渠堤高一般为1.5～2m，根据历年先砌边坡后砌底板的施工经验，考虑到施工方便、进料方便、保护土工膜等各种因素，复合土工膜的尺寸定制一般为宽4～10 m，长30～50 m，即纵断面土工膜分为3块（双侧边坡和底板各一块），沿渠道纵向设置2条连接缝，横断面上根据土工膜的长度每隔30～50 m设置横向连接缝。

3.2 复合土工膜的拼接

复合土工膜的拼接有两种：胶粘法和热熔焊接法。胶粘法由于接缝强度不高，受施工环境、粘合剂质量及人为因素影响较大，现已基本不用，主要用于土工膜局部的修补。现在主要应用双轨热熔焊接法焊接土工膜，上下层土工布采用手提式封包机缝接。热融焊接机温度设定建议为160～300℃（依防渗膜厚度做调整），可先做焊接测试以得到理想的焊接速度和均一的焊接质量。复合土工膜焊接流程：铺膜→缝底层布→清洁膜面→焊膜→检测焊缝→缝上层布。

3.3 复合土工膜垫层和保护层的选择

汾河灌区的干、支渠道均为土质渠道，一般以原状夯实土做为垫层，土工膜铺设前要对膜下土质基面进行夯实整平处理，清除尖凸硬物，保证土工膜与平整基面吻合。对地下水位较高的挖方渠段，边坡基础和底板的土工膜下要铺设10 cm厚的粗砂垫层，以排除透过防渗膜的水和地基内部的渗流水，避免膜下水压力顶托防渗膜并产生冻胀破坏。

复合土工膜上部保护层：基础和边坡采用4cm厚水泥砂浆；渠底铺设10 cm厚的粗砂垫层；重力式浆砌石直墙采用2cm水泥砂浆抹面。避免石块和混凝土接触土工膜导致应力集中，造成土工膜的损伤。

4 渠道防渗工程应用复合土工膜的效果分析

汾河灌区续建配套和节水改造工程实施以来，渠道防渗工程主要采用预制混凝土板、浆砌石等防渗材料，并进行过固化土、薄膜等防渗材料的试验，效果均不理想。表2给出了土质渠道以及不同防渗材料在不同水深下的防渗效果[1]，可以看出复合土工膜的防渗效果最好，分别比不防渗的土渠、浆砌石防渗、预制混凝土板防渗、现浇混凝土防渗减少94.4%～95.7%、87%～93.1%、85%～87%、78.6%～80%的渗漏损失。

表2 防渗材料在不同水深下防渗效果统计表

PE两布一膜复合土工膜每平方米单价7元左右，应用于渠道防渗每延长米仅增加投资126元左右，却可以减少80%以上的渗漏量，同时，膜料防渗层延伸性能好，具有保温效果，可以减轻冻胀破坏，与浆砌石、混凝土等不同衬砌保护材料复合使用后，复合土工膜的使用寿命可以达到30年以上，极大延长了工程使用寿命。使用复合土工膜后，可以相应减少衬砌保护材料的厚度，减少工程投资。

汾河灌区渠道防渗工程采用复合土工膜以后，铺设复合土工膜的防渗渠道总长70.7km，占全部防渗渠道的58.3%，取得了很好的防渗和抗冻胀效果，明显延长了渠道防渗工程的寿命，减少了渗漏损失，降低了农田渍害，渠系水利用系数由0.549提高到0.61，灌溉水利用系数由0.358提高到0.4，每年可节约用水854万m3，改善灌溉面积3万hm2，恢复灌溉面积0.23万hm2，年新增粮食生产能力2369kg，显示出较大的经济效益和社会效益。