PP纤维与模袋混凝土在灌区中的应用比较

胡世国

（水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

0 引言

农业是国民经济发展的保障，是关乎国计民生的命脉，牢牢地掌握这一命脉是国家繁荣稳定的基础。灌区建设是保障农业生产，促进农业发展的重要举措，是保证粮食产量，提高居民收入，促进乡村发展的必然要求[1]。然而，农业用水量比重仍然较大，势必挤占工业和生活用水需求，2018年农业用水量3 693.1 亿m3，占全国用水总量的61.4%[2]。在东北地区尚存在水资源开发利用率、耕地灌溉率较低的状况[3]。因此，推进灌区建设以及灌区节水改造，可以降低农业灌溉成本，提高灌溉水利用效率，实现高效增收[4]。

深层渗漏和蒸发是农业灌溉中水量损失的主要途径，深层渗漏一般对作物蓄水不利，它源于降水或灌水过多，使水分流入根系活动层以下，以至作物难以利用。长期灌水过多对作物生长不利，较多的渗漏会带走更多的养分和水量，不利于灌区节水，但适当的渗漏有助于改善土壤通气状况，反而对作物生长发育有利[5]。渠道渗漏还会造成上游水分大量流失，下游出现无水可灌的局面。渠系水利用系数是衡量渠系输水效率及水量损失的有效指标，研究结果表明：渠道采取防渗措施后，渠系水利用系数为0.728，较未采取防渗措施提高28.40%，如果衬砌材料全为混凝土，利用系数可达到0.934，进一步分析得到：对渠道上游位置衬砌可更好提高渠系水利用系数[6]。

渠道防渗材料随着材料科学的进步不断发展，也应因地制宜，根据地域的环境特点、施工条件、用途、使用年限、工程投资有所不同。PP 纤维是聚烯烃类结晶聚合物，普通混凝土板块中加入该材料，可有效提高混凝土板块的抗裂性能，使其获得更好的耐久性和更高的抗拉、抗压、冲击性能[7]。PP 纤维混凝土板块具有以上优势，因此广泛应用于渠道衬砌，具有便于运输、施工方便，寿命长的特点。无纺布是一种定向或随机纤维构成，是具有透气性、柔韧、无毒、可循环利用特点的覆盖材料。PP 纤维混凝土板块和无纺布组合材料可达到防渗补强的效果[8]。模袋混凝土是将模袋布与混凝土相结合，改善混凝土的抗拉性能，具有更强的抗渗性能，选择合适厚度可应用于渠道防渗，降低成本[9]。

1 工程概况及现状

前郭灌区位于吉林省松原市前郭县，吉林省西北部，地处中纬度区欧亚大陆东缘，在全国气候区划中属于北温带半干旱大陆性季风气候区。受大气环流的影响，在冷暖气团交替控制之下，四季气候变化十分明显。春季干燥多风沙，升温迅速；夏季炎热少雨，秋季天高气爽，日温差大；冬季严寒漫长少雪。灌区东西长116.000 km，南北最大宽度60.000 km，灌区幅员面积128 053 hm2。现已成为吉林省最大的商品水稻和绿色有机水稻生产基地，在社会经济发展中占十分重要的位置。一总引干是该灌区内主要引水渠之一，设计灌溉面积达到5 380 hm2，选取一总引干桩号31+635～48+402 m 为研究对象，是因为该段距离较长，渠段长16.767 km，渠段大部为半填半挖渠道，且无护砌。文中通过对前郭灌区一总引干主要渠道两侧渠坡进行护砌，研究PP 纤维混凝土板块与模袋混凝土护坡的优缺点，以期更好地达到渠道防渗和节约投资的效果，也为灌区内其他渠道护砌提供相应参考。

2 存在问题

1）灌区内有大量的盐碱荒地，工程性缺水问题突出。

前郭灌区范围内土地面积77 566 hm2，现有耕地面积51 546 hm2、盐碱荒地面积8 720 hm2。灌区内旱田不保灌面积为5 653 hm2，有1 893 hm2的旱田位于现有灌区的下游及盐碱荒地的周边，属中低产田，属于工程性缺水，宜改造成水田。

2）建筑物不配套，灌区设备陈旧、工程老化现象严重。

灌区骨干渠道上建筑物配套率为70%，虽然骨干灌排渠系工程已经形成，但多数建筑物已运行多年，在现有建筑物中，完好率只有55%。加上财政紧张，现有田间工程未完成配套，特别是建筑物不配套，一些现有建筑物年久失修并且老化现象严重，渠道及排水沟淤积严重，致使骨干工程不能充分发挥效益，目前亟需进行续建配套与节水改造。

3）地表水浪费现象普遍存在，未能得到充分利用。

造成水资源严重浪费的原因：一是渠道防渗工程滞后，致使灌溉水利用系数较低，仅为0.475；二是灌区的管理设施落后，信息化建设滞后、管理水平低。前郭灌区自1998 年实施续建配套与节水改造项目以来，信息化建设资金投入较少，没有自动化的量配水设施，难以收取水费，农民节水意识不高，水资源浪费现象普遍。

3 方案设计比选

为提高渠系水利用系数，节省水资源，根据一总引干近几年续建配套及节水改造护砌型式，选定pp 纤维混凝土板护砌和机制模袋混凝土护坡进行分析。一总引干渠坡内边坡1.00∶1.75，平均边坡长6.13 m，总长16.767 km，为了便于分析，选100 m 渠段护砌工程量进行投资对比。

1）方案一PP 纤维混凝土板块护坡

采用8 cm 厚PP 纤维混凝土板护砌，规格尺寸为1 m×1 m，混凝土板下铺设无纺布，规格为400 g/m2。为防止冻胀破坏在混凝土板下铺30 cm 厚砂砾石垫层。渠坡坡脚设置现浇混凝土脚槽（顶宽0.3 m，底宽0.4 m，高0.5 m）；渠坡封顶采用混凝土压板（宽0.5 m，高0.2 m）。PP 纤维混凝土板块护坡方案投资见表1。

表1 PP 纤维混凝土板块护坡方案投资表（100 m）

2）方案二机制模袋混凝土护坡

采用机制模袋混凝土护坡，模袋厚12 cm，下铺无纺布。渠脚设现浇混凝土脚槽（顶宽0.3 m，底宽0.4 m，高0.5 m），渠坡封顶采用混凝土压板（宽0.5 m，高0.2 m）。机制模袋下铺一层无纺布，规格同上。垂直堤轴线方向每列模袋中放置一根ϕ12 钢筋，通长布置，施工时把钢筋固设在模袋内，使其位置处于模袋中部。模袋混凝土坡面上需预留排水孔，排水孔应位于模袋凹坑处，排水孔孔径ϕ 50 mm，距坡脚500 mm（垂直高度)开始布孔，孔距1.5 m 左右，行距1.5 m 左右，呈品字型布孔。机制模袋护坡方案投资见表2。

表2 模袋护坡方案投资表（100 m）

2 个方案施工地质条件、气候条件、工程任务及规模完全一致。因此，主要从工程投资、施工条件、材料特性本身进行比较。通过对比投资表1和表2 可知：

1）工程投资：方案一投资总额为252 109 元，方案二投资为249 385 元，方案二投资少于方案一，方案一投资较方案二投资高1.092%，差额较少，考虑到总长度16.767 km 上投资，方案一较方案二增加投资456 733 元，数目相对较大。采用方案二可节省大量投资。

2）施工条件：因渠道为半填半挖渠道，并且坡度相对较小，施工较为方便，方案一通常对渠坡修整完成后，保证足够的压实度，先铺设砂砾石防止冻胀，后铺设无纺布，再铺设PP 纤维混凝土板块，施工程序相对复杂，耗时较多，不利于工期相对较短的情况；方案二是对渠坡修整后，保证足够的压实度，先铺设无纺布，再铺设机制模袋混凝土，工序相对简单，耗时较少，工程量较少，可节约工期。因此方案二可节约工期，减少工程量。

3）材料特性：考虑到气候条件，灌区冬季时间较长，且温度普遍在零下10 ℃以下，护砌材料必须具有良好的抗冻性。有研究表明，模袋混凝土衬砌板块与普通混凝土衬砌板块相比，能够减少变形量，最大降低80.5%[9]。并且模袋混凝土护坡具有整体性强、稳定性好、施工速度快、可在水中作业的特点。

综上考虑，此次采用机制模袋护坡的方案。

4 结论

通过对前郭灌区一总引干渠道护砌方案的综合分析，涉及到工程投资、施工条件及材料特性3个方面，结合当地水文气候地质条件，选择方案二这一护砌方式，达到节省投资和工期，具有施工相对简单，适应性更强的特点。PP 纤维混凝土板较普通混凝土板块具有更高的强度，PP 纤维与混凝土的连接也紧密，适度添加PP 纤维还可以明显提高混凝土的抗裂性能，具有混凝土板块不具有的优势，2 种材料都有广泛的应用。随着科技及材料的不断发展，将会有更多的护砌材料和方式可供选择。