汾河灌区渠道防渗工程应用复合土工膜效果分析

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。

5 结语

随着复合土工膜防渗技术在渠道防渗工程中的广泛使用，汾河灌区渠道防渗工程主要采用浆砌石、混凝土加复合土工膜的复合防渗形式，并根据渠道不同渠段的具体地理位置和地质条件采用不同的断面形式，多年的工程实践经验证明，不同衬砌材料加复合土工膜的复合防渗形式是汾河灌区比较成功有效的渠道防渗形式。

（注:部分数据源自汾河灌区节水改造项目部，在此表示感谢。）

［1］何章森，马利嘉.渠道防渗维护技术的发展趋势［J］.水利天地，2011（8）：39-40.