王偉東

（山西省運(yùn)城市水利勘測設(shè)計研究院，山西 運(yùn)城044000）

1 工程概況

北趙引黃工程位于山西省運(yùn)城市西北部的萬榮縣，臨猗縣和河津市境內(nèi)，該地區(qū)屬典型的干旱缺水區(qū)。該工程設(shè)計灌溉面積51.05 萬畝，設(shè)計流量15.1 m3/s，灌區(qū)受益區(qū)涉及萬榮和臨猗兩縣12 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，122 個行政村，總受益人口近30 萬人。灌區(qū)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(zhì)條件

工程區(qū)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(xué)試驗(yàn)結(jié)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(shù)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(nèi)，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(jié)構(gòu)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(jìn)行處理后，渠床上鋪復(fù)合土工膜料和混凝土板再現(xiàn)澆砼襯砌?，F(xiàn)澆砼渠道襯砌標(biāo)準(zhǔn)斷面采用弧底梯形斷面形式（圖1），渠道內(nèi)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(shè)一道橫向伸縮縫，弧段與直段交接處設(shè)縱向伸縮縫，縫寬2 cm，內(nèi)用聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫板填塞，聚氨脂密封膠封口。

1.2 水文氣象條件

工程區(qū)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(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)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(qū)處于東部中緯度地區(qū)，呈典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，受內(nèi)蒙古冬季冷氣團(tuán)的影響，冬季寒冷，極端最低氣溫可達(dá)-14.5℃，極端最高溫度為41.98℃，年平均日照時數(shù)2471 h，年平均降水量504.7 mm，干旱、冰雹、干熱風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害頻發(fā)。

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(shù)要點(diǎn)

北趙引黃工程灌區(qū)位于干旱-半干旱缺水區(qū)，再加上季節(jié)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(yùn)行地質(zhì)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(qū)渠道結(jié)構(gòu)性、欠壓密性等濕陷性黃土力學(xué)特性凸顯，其黃土顆粒組分主要表現(xiàn)為單個粉粒及由黏膠細(xì)微碎屑膠結(jié)而成的團(tuán)粒[1]。加強(qiáng)工程防滲漏技術(shù)措施的應(yīng)用，提升渠道渠系水利用系數(shù)，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(yùn)行條件，是北趙引黃工程濕陷性黃土渠道運(yùn)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(yè)“抵抗”凍脹技術(shù)、提升防身材料強(qiáng)度、增設(shè)置換層及“允許一定凍脹位移量”等設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對濕陷性黃土渠道擬采用適應(yīng)削減凍脹的抗凍脹技術(shù)措施。這種柔性防滲、剛性防護(hù)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(fù)合防滲型式也逐漸代替了單一防滲材料結(jié)構(gòu)型式，在國內(nèi)水利工程中普遍應(yīng)用，其中的柔性膜料能發(fā)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(shè)混凝土等剛性材料層，起到防滲層保護(hù)，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(fù)合防滲結(jié)構(gòu)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(jié)合的防滲結(jié)構(gòu)型式，也就是在濕陷性黃土渠道基床土層翻夯處理的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)土工膜料防滲，并進(jìn)行砼襯砌。根據(jù)渠道設(shè)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(yīng)選用厚度0.3 mm 質(zhì)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(qiáng)防滲，則選用厚度0.3 mm 質(zhì)量300 g/m2的防滲材料。保護(hù)面層使用厚10 cm、強(qiáng)度標(biāo)號C20、抗凍標(biāo)號為F50、防滲標(biāo)號為W6 的混凝土預(yù)制板。粘結(jié)層使用厚2.5 cm、強(qiáng)度標(biāo)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(shù)要求見表1。

表1 土工膜材料的參數(shù)要求

2.2 土工膜的焊接工藝

復(fù)合土工膜焊接工藝中的熱楔式熔焊技術(shù)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(huán)境干擾少，施工過程易控制、接縫拼接強(qiáng)度易檢測等技術(shù)優(yōu)勢，所以北趙引黃灌區(qū)渠道防滲施工土工膜接縫焊接采用熱楔式熔焊技術(shù)。ZPR-210 自動爬行熱楔式焊機(jī)包括熱楔加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、動力、調(diào)速系統(tǒng)及壓輥，其V 型熱楔加熱系統(tǒng)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(jī)將已經(jīng)融化的土工膜送入壓輥進(jìn)行壓合，完成均勻熔焊。

V 型熱楔系統(tǒng)的加熱主要通過其內(nèi)嵌的兩個串聯(lián)連接電加熱元件實(shí)現(xiàn)，由熱楔系統(tǒng)內(nèi)測溫?zé)犭娕歼M(jìn)行溫度測量并反饋給溫控元件，進(jìn)而接通/斷開電源進(jìn)行溫度控制。熱楔預(yù)熱5 min左右便進(jìn)入加熱工作狀態(tài)，熱楔開通至斷開降溫的耗時受焊機(jī)環(huán)境溫度的影響。為確保本工程土工膜熔焊施工效果，根據(jù)《聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL/T 231-98），應(yīng)將焊機(jī)熱楔加熱系統(tǒng)溫度控制在150℃～350℃，焊機(jī)行進(jìn)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(shè)焊接施工在6 月～10 月，環(huán)境氣溫較高，而焊接施工結(jié)束進(jìn)入冬季后環(huán)境溫度下降，土工膜料接縫邊緣必將出現(xiàn)收縮應(yīng)力裂縫，影響長度最長達(dá)32.5 m。所以，在夏季土工膜鋪設(shè)焊接施工過程中，膜料的鋪設(shè)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?fàn)顟B(tài)。渠道土工膜向上鋪設(shè)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(shí)，以達(dá)到防止土工膜滑移的目的。對于坡頂?shù)耐凉つt無需埋填，僅用土覆蓋或鋪設(shè)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(yùn)行，可以考慮在土工膜表層鋪設(shè)厚2.0 cm的砂漿墊層，再在其上鋪設(shè)坡腳有穩(wěn)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(wěn)定安全系數(shù)取值小，所以在膜表層鋪設(shè)砂漿墊層的過程中發(fā)生滑移的可能性很大，應(yīng)通過以下措施抑制和解決：①鋪設(shè)的粘結(jié)材料選擇含水量低、沉入度在2.8 cm～3.8 cm 的砂漿進(jìn)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(wěn)作用[3]，達(dá)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(jié)語

綜上所述，在濕陷性黃土渠道復(fù)合土工膜防滲施工過程中，土工膜材料的選用除應(yīng)考慮正常荷載下抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能外，還必須考慮環(huán)境溫度、環(huán)境土質(zhì)水質(zhì)等施工條件因素，同時還必須考慮渠道防滲施工結(jié)束后的實(shí)際使用條件，如水壓力過大、不均勻沉降、膜表面摩擦系數(shù)過低等都可能引發(fā)土工膜出現(xiàn)應(yīng)力變形。從北趙引黃工程濕陷性黃土渠道實(shí)際運(yùn)行效果來看，土工膜施工質(zhì)量和防滲效果良好，也積累了一定的在干旱缺水、寒冷地區(qū)濕陷性黃土渠道復(fù)合土工膜防滲施工的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。