吉林省水利科學(xué)研究院針對凍脹區(qū)渠道防滲工程凍脹滲漏嚴(yán)重、造價(jià)高的難題，研制出了復(fù)合土工膜料+5cm厚土工格室(或PP纖維)
混凝土板的成套防滲抗凍技術(shù)，經(jīng)濟(jì)地解決了15cm厚混凝土板都不宜抵抗住的凍害問題，使工程造價(jià)降低了30％以上。這項(xiàng)成果已在全省
大范圍推廣使用。為保證成果推廣的健康有序，防止工程出現(xiàn)質(zhì)量隱患，特提出如下應(yīng)注意的幾個(gè)問題。
復(fù)合土工膜的選用及其應(yīng)滿足的技術(shù)指標(biāo)研究和使用的是排水型復(fù)合土工膜，由無紡?fù)凉た椢锱c土工膜復(fù)合而成，分“一布一膜”和“兩布一膜”，無紡?fù)凉た椢锲鸱礊V排水、保護(hù)膜料和提高膜面摩擦系數(shù)的作用。
1．1土工膜的材料
國內(nèi)外所甩土工膜的原材料主要是聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)兩種。哪一種更適宜我省的渠道防滲工程，本文的研究結(jié)論如下：
①拉伸強(qiáng)度。兩種材料制成的土工膜的拉伸強(qiáng)度相差不大，用作防滲時(shí)其拉伸強(qiáng)度不是選材時(shí)的主要指標(biāo)。
②摩擦性能。PVC膜因添加有塑化劑。使得其伸長率比PE膜的大一些，柔性較好，與砂粒接觸時(shí)可使砂粒嵌入得更深一些而不破裂，從
而增加了二者之間的摩擦系數(shù)，因此，PVC膜與砂之間的摩擦系數(shù)明顯大于PE膜與砂之間的摩擦系數(shù)，摩擦角平均至少大50～60％。為了
增大PE膜的摩擦性能，本文要求使用復(fù)臺型膜料，因?yàn)閺?fù)合膜外層的土工織物與土料的摩擦系數(shù)接近于PVC膜與土料的摩擦系數(shù)。
③可連接性。一般PE膜只能用加熱熔合的方式連接，而PVC膜除此之外，還可以采用粘合劑進(jìn)行粘接。因此，小于0．15mm厚的土工
膜因不宜熱焊，只能選用PVC膜。最近河南省水科所開發(fā)出了適宜PE膜的KS膠粘荊及快速粘結(jié)技術(shù)，建議試用。
④經(jīng)濟(jì)性。目前兩種材料的價(jià)格大體相當(dāng)，而PE的比重小于PVC的比重，所以同樣厚度的PE膜單位面積的價(jià)格要少一些。另外PVC膜出廠時(shí)的幅寬一般為1．5～2．0m，PE膜幅寬可達(dá)4m以上，相應(yīng)地PE膜的接縫數(shù)量就比PVC膜的要少。
⑤低溫性能。PVC膜抗低溫性能不如PE膜，--15℃時(shí)脆化，拉伸率降低明顯。而PE膜低溫下強(qiáng)度提高，凍融50次后斷裂伸長率降低未超過30％，表明PE膜在低溫情況下可以使用。
綜合以上幾個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，再結(jié)合市場貨源實(shí)際情況，本文建議選擇聚乙烯膜(PE)。
1．2土工膜厚度
渠道防滲工程水壓力小，施工條件容易控制，若按計(jì)算方法確定土工膜的厚度可能不足lmm。事實(shí)上，不論怎樣控制施工質(zhì)量，滲漏
總是可能產(chǎn)生的。據(jù)國外對某工程28處共20萬m2土工膜的質(zhì)量檢測結(jié)果來看，平均每1萬m2中有26個(gè)漏水孔，其中15％是自身的孔眼，
69％出現(xiàn)在焊縫處，其余16％主要是由于施工及運(yùn)輸中的刺破造成的。膜料一旦滲漏，即便是很細(xì)小的滲漏，也會對渠基土含水量產(chǎn)生大的影響，對工程凍脹危害甚大。《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》SL／T225—98要求輸水渠道的防滲設(shè)計(jì)厚度不應(yīng)小于0．25mm，重要工程和特殊部位應(yīng)增加厚度}渠道防滲設(shè)計(jì)規(guī)范要求中、小型渠道宜用厚度大于0．18～0．22mm的深色膜料，大型渠道宜用厚度為0．3～o．6mm的深色膜料，特種土基，應(yīng)結(jié)合基土處理情況采用厚度0．2～o．6ram的深色塑膜。
綜合上述因素，從經(jīng)濟(jì)又滿足要求考慮，可選用膜厚0．22ram、單面無紡布重量100 g／mz的復(fù)合膜料。
1．3復(fù)合土工膜的技術(shù)指標(biāo)
據(jù)長江水利科學(xué)院為三峽工程所做的研究表明，復(fù)合土工膜的強(qiáng)度和防滲性能要優(yōu)于單一膜和土工織物兩者簡單疊加的性能，其優(yōu)良的程度
與膜和織物之間復(fù)合的緊密程度密切相關(guān)，因此復(fù)合膜的設(shè)計(jì)不能簡單地參照膜和織物各別的性能指標(biāo)直接套用。渠道防滲設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的僅是聚乙烯、聚氯乙烯單膜時(shí)要滿足的技術(shù)要求，幾乎所有廠家的產(chǎn)品都能達(dá)到這一要求。但從使用經(jīng)驗(yàn)看，上述規(guī)定還有些不適宜，如：抗拉強(qiáng)度(MPa)指標(biāo)偏低；單位與廠家給出的不統(tǒng)一；技術(shù)指標(biāo)僅是對塑膜確定的等。
總結(jié)國內(nèi)外幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合我省的低溫特點(diǎn)，并考慮經(jīng)濟(jì)承受能力，經(jīng)低溫凍融試驗(yàn)分析，本文提出了抗凍型渠道防滲用復(fù)合
土工膜的技術(shù)指標(biāo)要求如下：
試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)還表明，PE復(fù)合土工膜經(jīng)低溫或凍融后強(qiáng)度未降低，但延展性受到很大影響，使用時(shí)一定要做抗凍檢測，水壓力大時(shí)還要檢測受拉伸狀態(tài)時(shí)的滲透系數(shù)。
2. 改性PP纖維的選擇及其在混凝土中的合理摻量普通混凝土極易形成千縮裂縫，影響其外觀質(zhì)量、使用功能及耐久性，特別是混凝土的抗凍脹變形能力和抗凍融破壞能力顯著降低。本文對改性PP纖維混凝土的研究表明，其纖維對增強(qiáng)混凝土早期抗拉強(qiáng)度，防止早期由沉陷、水化熱、干縮而產(chǎn)生的內(nèi)蘊(yùn)微裂紋，減少表現(xiàn)裂縫和開裂寬度，增強(qiáng)混凝土的防滲性能、抗磨損抗沖擊性能及增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性有顯著作用，可顯著降低襯砌板厚度。為了提高對PP纖維作用機(jī)理的認(rèn)識，避免因無效使用而導(dǎo)致的工程隱患，現(xiàn)將有關(guān)問題說明如下。
2．1 PP纖維的作用
裂縫是混凝土澆筑后24h內(nèi)形成的，這時(shí)混凝土最敏感產(chǎn)生震動裂縫、收縮裂縫和沉陷裂縫。沉陷和收縮裂縫初期一般是無法觀察到的，
它們常被表面抹光于表面彌合，或者不夠?qū)挾床坏?，直到混凝土裂縫由于荷載使這些微裂隙薄弱面發(fā)展成可見裂縫。
針對水泥混凝土材料在硬化前的開裂現(xiàn)象，人們曾進(jìn)行了改善其性能的研究。所有的研究均表明：在水泥基材料中摻加纖維材料可在不同程
度上改善其抗塑性干縮開裂性能。因聚丙烯(PP)纖維具有密度小、濕強(qiáng)度高、延伸率大、耐堿性好、價(jià)格低等特點(diǎn)，本文做了重點(diǎn)研究和
推廣應(yīng)用。
PP纖維是以聚丙烯物為原料，經(jīng)過熔融或溶解成為粘稠紡絲液，在一定壓力下由噴絲頭噴絲，并經(jīng)加工和表面處理而成的細(xì)纖維狀物。其
均勻地加入混凝土后，可在混凝土內(nèi)部構(gòu)成三維亂向的支撐體系，從而極為有效地增強(qiáng)了混凝土的韌性，抑制塑性階段干縮及冷縮所產(chǎn)生的表面裂縫。這種亂向撐托體系還可以有效地阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙沉降裂縫的形成。實(shí)驗(yàn)表明，加人一定量的PP纖維混凝土的抗裂能力可以提高70％以上，抗折強(qiáng)度提高40％左右，亦可最大限度減小在有強(qiáng)度狀態(tài)下混凝土可能出現(xiàn)裂縫的寬度和長度。
[作者簡介]王振鋅(1959--)男．畢業(yè)于武浞水利電力學(xué)院，學(xué)士，教高，現(xiàn)從事農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)研究工作
2．2 PP纖維材料性能
同濟(jì)大學(xué)曾經(jīng)做過3種不同工藝制作的PP纖維在不同摻量情況下對水泥基復(fù)合材料抗裂性能和力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)比較分析后認(rèn)為：
PP纖維品種對水泥基材料抗塑性干縮開裂能力有明顯影響，直徑小的拉絲PP纖維抗開裂最好，膜裂PP纖維差。本文對3個(gè)廠家提供的
PP纖維也作了比較性實(shí)驗(yàn)，得出了相同的結(jié)論。因此，本文要求在選擇與使用PP纖維時(shí)一定要進(jìn)行試驗(yàn)檢測或比較試驗(yàn)。另外，PP纖維還必須是改性的和表面經(jīng)過獨(dú)特工藝處理的，否則，纖維的握裹力、在混凝土中的分散性、抗低溫性和老化將難以保證，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
為保證PP纖維混凝土使用的有效性，依據(jù)試驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)要求，提出PP纖維材料性能指標(biāo)要求如下：
束狀單絲，抗酸堿性極高，當(dāng)量直徑48pm，比重0．91，長度15mm，經(jīng)過抗老化處理，抗拉強(qiáng)度大于400Mpa，彈性模量大于3．5G pa，經(jīng)低溫(一78℃)檢測性能無變化，斷裂伸長率15～35％。
2．3 PP纖維的合理摻量與配比研究表明，PP纖維混凝土的優(yōu)良性能主要取決于混凝土的配合比、養(yǎng)護(hù)條件及纖維的品牌及摻量。本文根據(jù)各廠家提供的PP纖維材料所做的大量試驗(yàn)，提出了依據(jù)骨料與級配確定PP纖維合理摻量的方法，其給出的摻量為：一級配碎石1．3 kg／m3．二級配碎石1．5 kg／m3，卵石一、二級配1-3 kg／m3，砂漿0．9 kg／m3。
研究還得出如下結(jié)論：摻入PP纖維后混凝土抗凍能力降低，卵石骨料降低的最為明顯，PP纖維混凝土的抗凍設(shè)計(jì)標(biāo)號不允許大于F150；水泥用量不應(yīng)小于300kg／m3。
3 PP纖維混凝土板結(jié)構(gòu)與適應(yīng)條件我省灌區(qū)渠道襯砌工程采用素混凝土板結(jié)構(gòu)已有幾十年的歷史，困凍脹造成的破壞事例也屢見不鮮。因PP纖維混凝土具有優(yōu)良的抗裂縫性能，對混凝土的抗凍脹破壞十分有利。根據(jù)混凝土的力學(xué)性能來計(jì)算確定板的幾何尺寸是十分困難的。本文是在總結(jié)已知力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，在有效控制土質(zhì)、水分、溫度的前提下，通過實(shí)物試驗(yàn)總結(jié)的手段來確定板的適宜厚度和縱橫尺寸，同時(shí)研究其適應(yīng)條件。
3．1 PP纖維混凝±板的適宜厚度
渠道防滲設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了溫和地區(qū)和寒冷地區(qū)渠道襯砌混凝土板厚的范圍為4～12cm。嚴(yán)寒地區(qū)不要求采用混凝土板結(jié)構(gòu)，規(guī)定：凍脹性屬
I、Ⅱ級時(shí)．宜采用U形槽、弧形底斷面、架空梁板式等結(jié)構(gòu)，Ⅲ、Ⅳ、V級時(shí)，大、中型渠道宜采用保溫置換排水措施I深挖方渠道，可采
用明涵或隧洞輸水。
本文的試驗(yàn)工程資料顯示，5cm厚PP纖維混凝土板與復(fù)合土工膜防滲聯(lián)合運(yùn)用的工程，有效地控制了基土的含水量，減小了凍脹量，板塊
均未發(fā)現(xiàn)有凍脹裂縫現(xiàn)象。故用PP纖維混凝土作渠道襯砌工程時(shí)要求厚度一般為5 cm，特殊情況為6 cm。
3．2 PP纖維混凝土板的平面尺寸殛適宜條件
根據(jù)混凝土板塊襯砌渠道的凍脹裂縫分布規(guī)律和渠系抗凍規(guī)范對混凝土允許變位的要求，綜合各地的使用經(jīng)驗(yàn)，本文提出的PP纖維混凝土
板襯砌的平面尺寸及適宜條件如下：
(1)板厚5cm平面尺寸150X200cm凍脹量≤3cml
(2)板厚5cm平面尺寸80×120cm 3cm≤凍脹量≤5cm；
必須分縫位置：渠坡下部1／3處和渠底中間部位。
4.土工格室混凝土板結(jié)構(gòu)與適應(yīng)條件
土工格室混凝土板是一種新型的渠(溝)道護(hù)砌結(jié)構(gòu)，比PP纖維混凝土板有更優(yōu)異的抗凍脹變形能力。其基本結(jié)構(gòu)為：以展開后的土工格室為框架，其內(nèi)現(xiàn)澆混凝土，形成土工格室混凝土板結(jié)構(gòu)。土工格室的作用是將混凝土板有機(jī)地分割成塊，相互連鎖，形成柔性結(jié)構(gòu)，防止在強(qiáng)
凍脹區(qū)產(chǎn)生的鼓起搭架、滑脫等現(xiàn)象的發(fā)生。
4．1土工格窒材料性能和作用機(jī)理
土工格室是我國近幾年引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的一種新型土工合成材料，是以聚烯烴為基材，加入特殊添加劑，經(jīng)高強(qiáng)力焊接而成的一種三維蜂
窩狀結(jié)構(gòu)。它具有質(zhì)輕、耐磨、強(qiáng)調(diào)高、耐老化等特點(diǎn)。格室可折疊，其尺寸規(guī)格可視工程需要進(jìn)行調(diào)整。
使用時(shí)將土工格室人工拉成網(wǎng)格狀，蜂窩內(nèi)填入混凝土充填料。土工格室起柔性模板的作用，將填料分割成相互連鎖的板塊，利用其伸長
率較大的特點(diǎn)，可適應(yīng)板的較大的垂直不均勻變形。
經(jīng)常溫、低溫和凍融循環(huán)50次后的實(shí)驗(yàn)表明：材質(zhì)為PE黑色的土工格室，抗凍性能優(yōu)異；PE綠色的，顯示不耐低溫或老化。
4．2土工格宣混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)與適應(yīng)條件
土工格室規(guī)格為50×900Xlmm(網(wǎng)格高度×焊接間距×板材厚度)，拉開后格室邊長50cm，對角線長為61×80 cm，板厚為5cm，單室
按菱形布置，板下鋪防滲膜，格室與邊坡土體用鋼釘固定。試驗(yàn)工程原最大凍脹量在15cm左右，使用5cm厚土工格室混凝土板襯砌后未發(fā)生凍害現(xiàn)象，說明在凍脹性Ⅲ類情況下使用是安全的。這種結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)較大變形的主要原因是：①板下土工膜起到了控制基土水分的作用，削弱了凍脹②板塊小，順坡長度只有80 cm③土工格室伸長率大，可適應(yīng)較大的基礎(chǔ)變形④土工格室的存在增大了混凝土板的整體剛
度，板塊不均勻沉陷系數(shù)減小，抗凍脹變形能力提高。
4．3施工方法
用土工格室代替了木模板，起到了連鎖和節(jié)約木材的目的，但板塊形狀難于控制。本文在實(shí)踐給出的鋼架固定交叉作業(yè)的施工方法，簡便易
行，尺寸可調(diào)，鋼架可無限次重復(fù)使用，工程外觀美觀。
