湿陷性黄土渠道复合土工膜防渗施工技术应用探讨

王伟东

（山西省运城市水利勘测设计研究院，山西 运城044000）

1 工程概况

北赵引黄工程位于山西省运城市西北部的万荣县，临猗县和河津市境内，该地区属典型的干旱缺水区。该工程设计灌溉面积51.05 万亩，设计流量15.1 m3/s，灌区受益区涉及万荣和临猗两县12 个乡镇，122 个行政村，总受益人口近30 万人。灌区工程包括三级五站，干支骨干输水渠道，干渠总长93.5 km，其中总干渠7.7 km，北干渠15.6 km，中干渠32.5 km，南干渠37.7 km，支渠总长105.3 km。

1.1 地质条件

工程区属冲洪积平原，Q3eol湿陷性黄土厚度并不均匀，渠道沿线取样的物理力学试验结果表明，Q3eol黄土主要是粉粒成分，粒径0.005 mm～0.070 mm 粉粒含量80.8%，粒径小于0.070 mm 粉粒含量93.2%，为冻胀性黄土，不均匀系数7.9，曲率1.58，为级配良好的中等均匀湿陷性粉粒黄土。深度8.0 m 以内，Q3eol湿陷性黄土局部溶盐率＜1.3%，不存在盐胀性，且湿陷性黄土中的局部溶盐对混凝土结构及钢筋存在硫酸盐型弱-中腐蚀。沿渠道段湿陷等级Ⅰ～Ⅳ级均有，对于Ⅰ～Ⅱ级自重湿陷场地，可不做或稍做处理，对于Ⅱ～Ⅳ级，采用翻夯的方式进行处理后，渠床上铺复合土工膜料和混凝土板再现浇砼衬砌。现浇砼渠道衬砌标准断面采用弧底梯形断面形式（图1），渠道内坡为1∶1。此断面由于近似于最佳水力断面，流速分布均匀，易于挟沙，减小淤积；同时也能改善防渗渠道冻胀变形分布的不均匀性，且渠底有一定的反拱作用，故可减轻砼板的冻胀破坏，减少裂缝和移位。沿渠道纵向每4 m 设一道横向伸缩缝，弧段与直段交接处设纵向伸缩缝，缝宽2 cm，内用聚苯乙烯硬质泡沫板填塞，聚氨脂密封胶封口。

1.2 水文气象条件

工程区地下水属于第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，水位埋深较大（＞13.5 m），且区域内地下水补给主要靠大气降水，且地下水对普通混凝土钢筋材料无腐蚀性。工程区处于东部中纬度地区，呈典型的温带大陆性季风气候，受内蒙古冬季冷气团的影响，冬季寒冷，极端最低气温可达-14.5℃，极端最高温度为41.98℃，年平均日照时数2471 h，年平均降水量504.7 mm，干旱、冰雹、干热风、暴雨等自然灾害频发。

图1 北赵引黄工程湿陷性黄土渠道土工膜防渗布置简图

2 土工膜防渗施工技术要点

北赵引黄工程灌区位于干旱-半干旱缺水区，再加上季节性冻融等气候因素的不利影响，其渠道大部分处于湿陷性黄土地带，运行地质条件较差，还长期面临干湿、冻融交替作用的恶劣水文气象条件，灌区渠道结构性、欠压密性等湿陷性黄土力学特性凸显，其黄土颗粒组分主要表现为单个粉粒及由黏胶细微碎屑胶结而成的团粒[1]。加强工程防渗漏技术措施的应用，提升渠道渠系水利用系数，降低渠道受湿陷性黄土，冻融、干湿交替等作用的不利影响，改善渠道运行条件，是北赵引黄工程湿陷性黄土渠道运行管理过程中亟待解决的问题。

2.1 防渗型式及材料要求

本工程在国家水利行业“抵抗”冻胀技术、提升防身材料强度、增设置换层及“允许一定冻胀位移量”等设计标准的基础上，对湿陷性黄土渠道拟采用适应削减冻胀的抗冻胀技术措施。这种柔性防渗、刚性防护的措施[2]能有效减缓干湿、冻融交替作用及湿陷性对渠道的不利影响。近年来，混凝土+塑膜+砂浆垫层的三层复合防渗型式也逐渐代替了单一防渗材料结构型式，在国内水利工程中普遍应用，其中的柔性膜料能发挥较好的防渗作用，有效组织渠道渗漏，降低土壤含水量，减少冻胀破坏，并在膜料层之上再铺设混凝土等刚性材料层，起到防渗层保护，延缓材料老化等作用。所以，本工程也采用土工膜+混凝土板的复合防渗结构型式。

在北赵引黄工程湿陷性黄土渠道土工膜防渗过程中，采用混凝土板-土工膜结合的防渗结构型式，也就是在湿陷性黄土渠道基床土层翻夯处理的基础上，铺设土工膜料防渗，并进行砼衬砌。根据渠道设计流量及抗冻防渗要求，对于本工程Ⅱ级自重湿陷性渠段，应选用厚度0.3 mm 质量200 g/m2的防渗材料，而对于工程Ⅲ—Ⅳ级自重湿陷性渠段，为加强防渗，则选用厚度0.3 mm 质量300 g/m2的防渗材料。保护面层使用厚10 cm、强度标号C20、抗冻标号为F50、防渗标号为W6 的混凝土预制板。粘结层使用厚2.5 cm、强度标号C5 的水泥砂浆。北赵引黄工程湿陷性黄土渠道防渗施工中所采用的PE 聚乙烯土工膜材料具体参数要求见表1。

表1 土工膜材料的参数要求

2.2 土工膜的焊接工艺

复合土工膜焊接工艺中的热楔式熔焊技术通过电热楔与土工膜表面的接触完成接缝拼接，具有热效率高，焊接施工速度快，受外界环境干扰少，施工过程易控制、接缝拼接强度易检测等技术优势，所以北赵引黄灌区渠道防渗施工土工膜接缝焊接采用热楔式熔焊技术。ZPR-210 自动爬行热楔式焊机包括热楔加热系统、温控系统、动力、调速系统及压辊，其V 型热楔加热系统在正常工作情况下通过与两块搭接的土工膜表面直接接触而加热融化，此后焊机将已经融化的土工膜送入压辊进行压合，完成均匀熔焊。

V 型热楔系统的加热主要通过其内嵌的两个串联连接电加热元件实现，由热楔系统内测温热电偶进行温度测量并反馈给温控元件，进而接通/断开电源进行温度控制。热楔预热5 min左右便进入加热工作状态，热楔开通至断开降温的耗时受焊机环境温度的影响。为确保本工程土工膜熔焊施工效果，根据《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T 231-98），应将焊机热楔加热系统温度控制在150℃～350℃，焊机行进速度控制在1.5 m/min～4.5 m/min，土工膜焊接厚度控制在0.5 mm～1.5 mm。

北赵引黄工程湿陷性黄土渠道防渗工程土工膜铺设焊接施工在6 月～10 月，环境气温较高，而焊接施工结束进入冬季后环境温度下降，土工膜料接缝边缘必将出现收缩应力裂缝，影响长度最长达32.5 m。所以，在夏季土工膜铺设焊接施工过程中，膜料的铺设必须宽松，才能保证冬季土工膜料边缘收缩后膜料能呈自然平展状态。渠道土工膜向上铺设延伸至坡顶，在与坡顶距离1.0 m～2.0 m 时，在与渠道轴线平行处开挖出一条30 cm 深的锚固沟，埋入土工膜，并用开挖土回填夯实，以达到防止土工膜滑移的目的。对于坡顶的土工膜则无需埋填，仅用土覆盖或铺设砂浆即可。

2.3 土工膜上的砂浆垫层

为防止北赵引黄工程湿陷性黄土渠道防渗土工膜被硬物划伤，确保其安全运行，可以考虑在土工膜表层铺设厚2.0 cm的砂浆垫层，再在其上铺设坡脚有稳定支撑垫块的混凝土板，杜绝板材滑动。由于砂浆垫层和土工膜之间抗滑力较小，稳定安全系数取值小，所以在膜表层铺设砂浆垫层的过程中发生滑移的可能性很大，应通过以下措施抑制和解决：①铺设的粘结材料选择含水量低、沉入度在2.8 cm～3.8 cm 的砂浆进行垫层砌筑；②在砂浆垫层铺筑的同时砌筑混凝土板，充分利用混凝土板对砂浆垫层的挤密和压稳作用[3]，达到防止砂浆垫层滑移的目的，还能同时起到防止土工膜被混凝土板划伤的作用。

3 结语

综上所述，在湿陷性黄土渠道复合土工膜防渗施工过程中，土工膜材料的选用除应考虑正常荷载下抗拉强度、撕裂强度等力学性能外，还必须考虑环境温度、环境土质水质等施工条件因素，同时还必须考虑渠道防渗施工结束后的实际使用条件，如水压力过大、不均匀沉降、膜表面摩擦系数过低等都可能引发土工膜出现应力变形。从北赵引黄工程湿陷性黄土渠道实际运行效果来看，土工膜施工质量和防渗效果良好，也积累了一定的在干旱缺水、寒冷地区湿陷性黄土渠道复合土工膜防渗施工的技术经验。