濕陷性黃土渠道復合土工膜防滲施工技術應用探討

王偉東

（山西省運城市水利勘測設計研究院，山西 運城044000）

1 工程概況

北趙引黃工程位于山西省運城市西北部的萬榮縣，臨猗縣和河津市境內，該地區屬典型的干旱缺水區。該工程設計灌溉面積51.05 萬畝，設計流量15.1 m3/s，灌區受益區涉及萬榮和臨猗兩縣12 個鄉鎮，122 個行政村，總受益人口近30 萬人。灌區工程包括三級五站，干支骨干輸水渠道，干渠總長93.5 km，其中總干渠7.7 km，北干渠15.6 km，中干渠32.5 km，南干渠37.7 km，支渠總長105.3 km。

1.1 地質條件

工程區屬沖洪積平原，Q3eol濕陷性黃土厚度并不均勻，渠道沿線取樣的物理力學試驗結果表明，Q3eol黃土主要是粉粒成分，粒徑0.005 mm～0.070 mm 粉粒含量80.8%，粒徑小于0.070 mm 粉粒含量93.2%，為凍脹性黃土，不均勻系數7.9，曲率1.58，為級配良好的中等均勻濕陷性粉粒黃土。深度8.0 m 以內，Q3eol濕陷性黃土局部溶鹽率＜1.3%，不存在鹽脹性，且濕陷性黃土中的局部溶鹽對混凝土結構及鋼筋存在硫酸鹽型弱-中腐蝕。沿渠道段濕陷等級Ⅰ～Ⅳ級均有，對于Ⅰ～Ⅱ級自重濕陷場地，可不做或稍做處理，對于Ⅱ～Ⅳ級，采用翻夯的方式進行處理后，渠床上鋪復合土工膜料和混凝土板再現澆砼襯砌。現澆砼渠道襯砌標準斷面采用弧底梯形斷面形式（圖1），渠道內坡為1∶1。此斷面由于近似于最佳水力斷面，流速分布均勻，易于挾沙，減小淤積；同時也能改善防滲渠道凍脹變形分布的不均勻性，且渠底有一定的反拱作用，故可減輕砼板的凍脹破壞，減少裂縫和移位。沿渠道縱向每4 m 設一道橫向伸縮縫，弧段與直段交接處設縱向伸縮縫，縫寬2 cm，內用聚苯乙烯硬質泡沫板填塞，聚氨脂密封膠封口。

1.2 水文氣象條件

工程區地下水屬于第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水位埋深較大（＞13.5 m），且區域內地下水補給主要靠大氣降水，且地下水對普通混凝土鋼筋材料無腐蝕性。工程區處于東部中緯度地區，呈典型的溫帶大陸性季風氣候，受內蒙古冬季冷氣團的影響，冬季寒冷，極端最低氣溫可達-14.5℃，極端最高溫度為41.98℃，年平均日照時數2471 h，年平均降水量504.7 mm，干旱、冰雹、干熱風、暴雨等自然災害頻發。

圖1 北趙引黃工程濕陷性黃土渠道土工膜防滲布置簡圖

2 土工膜防滲施工技術要點

北趙引黃工程灌區位于干旱-半干旱缺水區，再加上季節性凍融等氣候因素的不利影響，其渠道大部分處于濕陷性黃土地帶，運行地質條件較差，還長期面臨干濕、凍融交替作用的惡劣水文氣象條件，灌區渠道結構性、欠壓密性等濕陷性黃土力學特性凸顯，其黃土顆粒組分主要表現為單個粉粒及由黏膠細微碎屑膠結而成的團粒[1]。加強工程防滲漏技術措施的應用，提升渠道渠系水利用系數，降低渠道受濕陷性黃土，凍融、干濕交替等作用的不利影響，改善渠道運行條件，是北趙引黃工程濕陷性黃土渠道運行管理過程中亟待解決的問題。

2.1 防滲型式及材料要求

本工程在國家水利行業“抵抗”凍脹技術、提升防身材料強度、增設置換層及“允許一定凍脹位移量”等設計標準的基礎上，對濕陷性黃土渠道擬采用適應削減凍脹的抗凍脹技術措施。這種柔性防滲、剛性防護的措施[2]能有效減緩干濕、凍融交替作用及濕陷性對渠道的不利影響。近年來，混凝土+塑膜+砂漿墊層的三層復合防滲型式也逐漸代替了單一防滲材料結構型式，在國內水利工程中普遍應用，其中的柔性膜料能發揮較好的防滲作用，有效組織渠道滲漏，降低土壤含水量，減少凍脹破壞，并在膜料層之上再鋪設混凝土等剛性材料層，起到防滲層保護，延緩材料老化等作用。所以，本工程也采用土工膜+混凝土板的復合防滲結構型式。

在北趙引黃工程濕陷性黃土渠道土工膜防滲過程中，采用混凝土板-土工膜結合的防滲結構型式，也就是在濕陷性黃土渠道基床土層翻夯處理的基礎上，鋪設土工膜料防滲，并進行砼襯砌。根據渠道設計流量及抗凍防滲要求，對于本工程Ⅱ級自重濕陷性渠段，應選用厚度0.3 mm 質量200 g/m2的防滲材料，而對于工程Ⅲ—Ⅳ級自重濕陷性渠段，為加強防滲，則選用厚度0.3 mm 質量300 g/m2的防滲材料。保護面層使用厚10 cm、強度標號C20、抗凍標號為F50、防滲標號為W6 的混凝土預制板。粘結層使用厚2.5 cm、強度標號C5 的水泥砂漿。北趙引黃工程濕陷性黃土渠道防滲施工中所采用的PE 聚乙烯土工膜材料具體參數要求見表1。

表1 土工膜材料的參數要求

2.2 土工膜的焊接工藝

復合土工膜焊接工藝中的熱楔式熔焊技術通過電熱楔與土工膜表面的接觸完成接縫拼接，具有熱效率高，焊接施工速度快，受外界環境干擾少，施工過程易控制、接縫拼接強度易檢測等技術優勢，所以北趙引黃灌區渠道防滲施工土工膜接縫焊接采用熱楔式熔焊技術。ZPR-210 自動爬行熱楔式焊機包括熱楔加熱系統、溫控系統、動力、調速系統及壓輥，其V 型熱楔加熱系統在正常工作情況下通過與兩塊搭接的土工膜表面直接接觸而加熱融化，此后焊機將已經融化的土工膜送入壓輥進行壓合，完成均勻熔焊。

V 型熱楔系統的加熱主要通過其內嵌的兩個串聯連接電加熱元件實現，由熱楔系統內測溫熱電偶進行溫度測量并反饋給溫控元件，進而接通/斷開電源進行溫度控制。熱楔預熱5 min左右便進入加熱工作狀態，熱楔開通至斷開降溫的耗時受焊機環境溫度的影響。為確保本工程土工膜熔焊施工效果，根據《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術規范》（SL/T 231-98），應將焊機熱楔加熱系統溫度控制在150℃～350℃，焊機行進速度控制在1.5 m/min～4.5 m/min，土工膜焊接厚度控制在0.5 mm～1.5 mm。

北趙引黃工程濕陷性黃土渠道防滲工程土工膜鋪設焊接施工在6 月～10 月，環境氣溫較高，而焊接施工結束進入冬季后環境溫度下降，土工膜料接縫邊緣必將出現收縮應力裂縫，影響長度最長達32.5 m。所以，在夏季土工膜鋪設焊接施工過程中，膜料的鋪設必須寬松，才能保證冬季土工膜料邊緣收縮后膜料能呈自然平展狀態。渠道土工膜向上鋪設延伸至坡頂，在與坡頂距離1.0 m～2.0 m 時，在與渠道軸線平行處開挖出一條30 cm 深的錨固溝，埋入土工膜，并用開挖土回填夯實，以達到防止土工膜滑移的目的。對于坡頂的土工膜則無需埋填，僅用土覆蓋或鋪設砂漿即可。

2.3 土工膜上的砂漿墊層

為防止北趙引黃工程濕陷性黃土渠道防滲土工膜被硬物劃傷，確保其安全運行，可以考慮在土工膜表層鋪設厚2.0 cm的砂漿墊層，再在其上鋪設坡腳有穩定支撐墊塊的混凝土板，杜絕板材滑動。由于砂漿墊層和土工膜之間抗滑力較小，穩定安全系數取值小，所以在膜表層鋪設砂漿墊層的過程中發生滑移的可能性很大，應通過以下措施抑制和解決：①鋪設的粘結材料選擇含水量低、沉入度在2.8 cm～3.8 cm 的砂漿進行墊層砌筑；②在砂漿墊層鋪筑的同時砌筑混凝土板，充分利用混凝土板對砂漿墊層的擠密和壓穩作用[3]，達到防止砂漿墊層滑移的目的，還能同時起到防止土工膜被混凝土板劃傷的作用。

3 結語

綜上所述，在濕陷性黃土渠道復合土工膜防滲施工過程中，土工膜材料的選用除應考慮正常荷載下抗拉強度、撕裂強度等力學性能外，還必須考慮環境溫度、環境土質水質等施工條件因素，同時還必須考慮渠道防滲施工結束后的實際使用條件，如水壓力過大、不均勻沉降、膜表面摩擦系數過低等都可能引發土工膜出現應力變形。從北趙引黃工程濕陷性黃土渠道實際運行效果來看，土工膜施工質量和防滲效果良好，也積累了一定的在干旱缺水、寒冷地區濕陷性黃土渠道復合土工膜防滲施工的技術經驗。