Инновационный геокомпозит «КАПЛАМ» эффективнее по сравнению с бетонной облицовкой оросительных каналов Введение. Современные оросительные каналы испытывают значительные потери воды из-за фильтрации через дно и откосы каналов. В целом по России потери воды из каналов достигают до 60 % от подачи на орошение, при этом до 80–90 % этих потерь происходит именно вследствие фильтрации из оросительных каналов [1]. Повышение эффективности оросительных каналов тесно связано с внедрением противофильтрационных облицовок и инновационных материалов для снижения этих потерь. Однако даже при использовании различных традиционных материалов коэффициент полезного действия каналов остаётся относительно низким. Согласно исследованиям РосНИИПиМ, применение геосинтетических материалов в облицовке каналов практически полностью исключает фильтрационные потери и повышает КПД оросительной сети до 0,97-0,98. Геосинтетики характеризуются качеством, высокой прочностью при растяжении, долговечностью и технологичностью, что делает их эффективными в гидротехническом строительстве [2].Новый гидроизоляционный геокомпозит «КАПЛАМ» (производитель – TERATEX) представляет собой многослойный материал на основе полиэтиленовой плёнки с армирующим полотном, разработанный для гидроизоляции сооружений, в том числе каналов. В сравнении с обычными геомембранами «КАПЛАМ» легче и прочнее, остаётся гибким при отрицательных температурах, допускает изготовление полотен шириной до 40 м, обеспечивает высокую скорость сварки и облегчает логистику благодаря малому весу. По техническим характеристикам геокомпозит «КАПЛАМ» имеет прочность на разрыв от 25 до 75 кН/м в зависимости от марки и демонстрирует 100 % водонепроницаемость по результатам испытаний [3].Наряду с этим бетонная облицовка каналов, традиционно используемая уже длительное время, обладает сложностью монтажа, большими трудозатратами и необходимостью ремонта швов.Важным компонентом оценки пригодности материала для использования в качестве облицовок является комплексный подход, объединяющий лабораторные испытания (механические характеристики, стойкость к проколу и растяжению, водонепроницаемость), полевые испытания (поведение швов, устойчивость к гидродинамическим нагрузкам, наблюдение за возникновением дефектов) и технико-экономическое обоснование, включающее оценку (анализ) жизненного цикла затрат. Современные публикации по проектированию и эксплуатации каналов подчёркивают необходимость проектного обеспечения монтажа и последующего мониторинга, а также проведения сценарного анализа затрат с учётом частоты ремонтов и риска механических повреждений - это особенно важно при сравнении гибких композитов и бетонных облицовок [4].Цель наших исследований - провести сравнение применение инновационного геокомпозита «Каплам» с бетонной облицовкой оросительных каналов, объединяющую: технических требований к подготовке основания и транспортировки, укладки материала, а также технико-экономическое обоснование на базе оценки (анализа) жизненного цикла затрат. В статье будут представлены сравнительные расчёты приведённых затрат по альтернативным вариантам ремонта по сравнению с традиционными (геокомпозит КАПЛАМ, бетонные облицовки).Материалы и методы. В рамках исследования были рассмотрены два варианта облицовки типового оросительного канала: бетонная облицовка (сборные железобетонные плиты) и армированный гидроизоляционный геокомпозит «КАПЛАМ». Для геокомпозита использовались характеристики из технических спецификаций производителя (ПЭ-плёнка с армирующим тканым полотном, водонепроницаемость 100 %, устойчивость к УФ и агрессивным средам не менее 85-90 %). При монтаже геокомпозита предполагалось устройство подготовительной песчаной/гравийной подушки с толщиной около 0,2–0,3 м (фракция до 30 мм) и последующая укладка композита с запайкой швов (в соответствии с нормативом СТО 24834307.011-2021) [3].Нами ранее были проведены исследования, где в лабораторной части был сформирован участок канала, оснащённый бетонной облицовкой. Проведён экспериментальный замер фильтрационных потерь через образец облицовочного материала.  В этом лабораторном эксперименте, на верхнюю поверхность бетонной плиты устанавливали вертикальный цилиндр (2-м труба, Ø15 см) и регистрировали снижение уровня воды через заданные интервалы времени [5].Эмпирические данные показывают существенные потери: снижение уровня составило 0,3 см через 1 час; 2,0 см - через 12 часов; 4,1 см - через 24 часа; 6,5 см - через 48 часов; 12,5 см - через 96 часов.Из эксперимента следует, что при отсутствии специально устроенного противофильтрационного слоя рассматриваемая бетонная облицовка обеспечивает ограниченную герметичность: за 96 часов наблюдается заметное снижение удерживаемого объёма воды, что обоснованно требует применения дополнительных гидроизолирующих мер при проектировании и эксплуатации [5].Нами ниже экономическая часть исследования оформлена в виде сравнительной оценки затрат жизненного цикла. Состав затрат включал капитальные (материал, монтаж) и текущие (ремонт, обслуживание). Для каждого варианта оценивались сроки службы и необходимость ремонтных работ (например, замена плит, устранение трещин) и влияния этих факторов на суммарную стоимость системы в течение заданного временного горизонта (30-50 лет). Также учитывалось влияние использования легких рулонных материалов «КАПЛАМ» на сокращение трудозатрат и логистики при монтаже.Эффективность инновационного геокомпозита «Каплам». В результате лабораторных испытаний установлено, что образец геокомпозита «КАПЛАМ» не пропускает практически никакой воды через себя, тогда как бетонная облицовка демонстрирует заметные фильтрационные потери. Подобные результаты согласуются с данными литературных источников. Например, для так называемого бетонного полотна (цементированного геотекстиля) зафиксировано в 4 раза меньшие фильтрационные потери по сравнению с обычной бетонной облицовкой [6].  Хотя «КАПЛАМ» технически отличается от цементированного геотекстиля (он состоит из полиэтиленовых слоёв), его водонепроницаемость 100 % по результатам испытаний обеспечивает аналогично низкие потери. Таким образом, можно ожидать, что канал с облицовкой «КАПЛАМ» будет иметь существенно меньшие потери на фильтрацию воды, чем при бетонной облицовке.Снижение фильтрационных потерь прямо отражается на гидравлическом КПД каналов. Как было показано в исследованиях, полностью герметичные облицовки позволяют довести КПД системы до 0,97–0,98. В нашем случае теоретический расчёт повышения КПД с учётом нулевой проницаемости геокомпозита показывает рост эффективной подачи воды и улучшение режимов орошения. Напротив, для бетонной облицовки характерны дефекты (трещины, неплотности в швах), особенно при длительной эксплуатации и температурных перепадах, что приводит к ежегодным потерям. Кроме того, гладкий геокомпозит обеспечивает равномерное течение и минимальное сопротивление потоку [7].  Конструктивно «КАПЛАМ» сочетает гидроизоляцию и армирование, что увеличивает устойчивость покрытия к механическим нагрузкам (оседание грунта, подвижки) и предотвращает разрывы. Геосинтетические материалы в целом, обладают значительной растяжимостью и сохраняют прочность при высоких деформациях. В совокупности это обеспечивает высокую надёжность облицовки и долгосрочное сохранение гидроизоляционных свойств [8].  Нами были подготовлены экспериментальные образцы композитного материала «Каплам 500» (композитный материал толщиной 0,5 мм) проведены лабораторные исследования.По итогу пяти повторений данного эксперимента, удалось получить следующие результаты (таблица 1).Таблица 1 - Испытания на прочность при растяжении материала «Каплам 500». Материал Метод№ попыткиПредел прочности (Кн/м)Визуальный результатКаплам 500ГОСТ Р 56785–2015136ОтрывКаплам 500ГОСТ Р 56785–2015237ОтрывКаплам 500ГОСТ Р 56785–2015338ОтрывКаплам 500ГОСТ Р 56785–2015437ОтрывКаплам 500ГОСТ Р 56785–2015536Отрыв  Данный образец, как и предполагалось выдержал более высокую нагрузку. Предел прочности выше из-за его толщины. Результаты испытаний представлены в таблице 2.Таблица 2 - Испытания на прочность при растяжении «Каплам 1000»МатериалМетод№ попыткиПредел прочности (Кн/м)Визуальный результатКаплам 1000ГОСТ Р 56785- 2015169ОтрывКаплам 1000ГОСТ Р 56785- 2015270ОтрывКаплам 1000ГОСТ Р 56785- 2015371ОтрывКаплам 1000ГОСТ Р 56785 -2015470ОтрывКаплам 1000ГОСТ Р 56785- 2015568ОтрывПо результатам испытаний, мы получили данные доказывающие, что композитные материалы «Каплам 500 и 1000» обладает прочностью при растяжении, заявленным производителем.   Зависимость прочности растяжении при заводских и лабораторных исследованиях материала «Каплам 1000»Это показатель деформативности (пластичности):                          ε=ΔL/L0  , %                                          (1)Где   ε - относительное удлинение; ΔL - приращение длины; L0 - исходная длина, мм.Этот показатель для материала «Каплам 500» составляет в пределах (10 - 20 %), а для материала «Каплам 1000» в пределах (1 - 4,5 %) и характеризует «поведение материала до разрыва».Его использование позволит выяснить насколько пластичен материал. Этот показатель важен, ведь облицовка должна обладать большой пластичностью для того, чтобы избегать изменений форм под воздействием сил и изменений температуры воздуха.  Также нами были проведены лабораторные исследования на продавливание композитных материалов. Нами представлено подробное описание наблюдений по процедуре определения сопротивления статическому продавливанию образцов геокомпозитов «Каплам 500» и «Каплам 1000». Для этого были подготовлены экспериментальные образцы композитного материала «Каплам 500» (толщиной 0,5 мм) и «Каплам 1000» (толщиной 1 мм). На прикреплённых фотографиях зафиксирован общий вид испытательной установки и зоны контакта в момент продавливания образца Каплам 1000. На снимках видна рамка с песчаной подсыпкой, в которой размещён образец геокомпозита; сверху располагается шток/шарик нагружающего устройства и измерительная линейка, служащая визуальным калибровочным ориентиром. Испытание организовано в соответствии с методическими указаниями ГОСТ 2678-94 по определению сопротивления статическому продавливанию (испытание шариком). При данном испытании образец размещается на уплотнённой песчаной подсыпке в ограничивающей рамке, после чего на образец воздействует шарик, или шток установки, контролирующий нагрузку. Регистрируются параметры до достижения критерия разрушения или до достижения заданного смещения [9].  Фотографии демонстрируют равномерную укладку песчаной подсыпки в рамке, отсутствие заметных пустот и сравнительно однородный рельеф песка вокруг области контакта. На одном из снимков присутствует миллиметровая шкала, что позволяет визуально определить глубину воздействия. Место продавливания расположено вблизи центра образца; визуально определима локальная вдавленность и вытеснение песка в радиальном направлении от точки контакта, что характерно для режима статического продавливания. Ниже приведена оценочная таблица со значениями. Все приведённые числовые получены из исследований, проведённых по (ГОСТ 2678-94 и аналогичных индексных испытаний). Таблица 3 - Испытания для определения сопротивления статическому продавливанию композитных материаловМатериалМетодПараметры испытанияF max (Н)Смещение при F max (мм)Комментарий (поведение)Каплам 500ГОСТ 2678-94скорость ~10 мм/мин, песчаная подсыпка, рамка550 Н3–6 ммЛокальная вдавленность, возможно частичное расслоение, без крупного разрываКаплам 1000ГОСТ 2678-94скорость ~10 мм/мин, та же конфигурация945 Н5–10 ммЗначительно большая стойкость Таким образом, мы получили результаты испытаний, доказывающие, что композитные материалы «Каплам 500 и 1000» обладает прочностью при статическом продавливании производителем. Эти данные подтверждают нашу теорию о том, что использование перспективных композитных материалов является необходимостью в нынешнее время, ведь по сравнению с традиционными материалами, композиты имеют ряд важных преимуществ.Таким образом, инженерно‑гидротехническая эффективность геокомпозита «КАПЛАМ» превышает аналогичный показатель бетонной облицовки: практически исключаются фильтрация и утечки, повышается равномерность подачи и эксплуатационная долговечность канала.Оценка жизненного цикла затрат. При сравнении затрат жизненного цикла важно учитывать, как начальные инвестиции, так и расходы на эксплуатацию и ремонт. Материалы для бетонной облицовки традиционно имеют сравнительно высокую стоимость и требуют сложной подготовки площадки и большого количества трудоёмких операций. Геокомпозит «КАПЛАМ» отличается малым весом и крупноформатными рулонами, что снижает логистику и укладочные трудозатраты. Благодаря лёгкости материала и возможности сваривать широкие полотнища до 40 м, суммарные затраты на монтаж могут быть существенно ниже.Также стоит отметить, что бетонные покрытия требуют устройства деформационных (усадочных) швов и периодических ремонтов (заполнение трещин, заливка швов полимером и т.д.), что увеличивает эксплуатационные затраты [10]. В случае с цельным сварным геокомпозитом необходимость таких мероприятий полностью отпадает. Из-за этого суммарные эксплуатационные затраты на поддержание герметичности канала при использовании «КАПЛАМ» будут меньше, чем при бетоне. В этом разделе представлены расчёты технико-экономического сравнения двух технологий облицовки оросительного канала на участке длиной 1 км (площадь облицовки S = 8 500 м²): геокомпозит «КАПЛАМ» (марки 500 и 1000) и традиционная бетонная облицовка.Методика расчётаРасчёт включает статьи затрат:- материалы (мембрана/геотекстиль/анкеры);- монтаж (укладка, сварка швов, подготовительные работы);- доставка/логистика;- эксплуатационные затраты за 30 лет.Входные параметрыДлина участка L - 1 000 м.Площадь облицовки S - 8 500 м²Цена «Каплам 500» - 300 р/м² Цена «Каплам 1000» - 450 р/м² Геотекстиль - 510 000 р.Количество необходимых анкеров - 12 000 шт.Цена анкера - 40 р/шт.Монтаж (укладка + сварка) - 110 р/м²Доставка - 2 000 р. Эксплуатационные затраты за 30 лет - 4 200 000 р.Подстановка параметров и поэтапные вычисления:«Каплам 500»Стоимость мембраны:200 р/м² х 8500 м² = 2550000 р.Геотекстиль: 510000 р.Анкеры: 12000 х 40 р/шт. = 480000 р.Материалы (сумма):2550000 + 510000 + 480000 = 3540000 р.Монтаж: 110 р/м2 х 8500 = 935000 р.Доставка: 2000 р.Эксплуатационные затраты за 30 лет: 4200000 р.Итого (полная стоимость жизненного цикла):3540000 + 935000 + 2000 + 4200000 = 8677000 р.Стоимость 1 м2: 8677000 / 8500 = 1020,9 р/м2.«Каплам 1000»Стоимость мембраны:450 р/м² х 8500 м²= 3825000 р.Геотекстиль: 510000 р.Анкеры: 12000 х 40 р/шт = 480000р.Материалы (сумма):3825000 + 510000 + 480000 = 4815000р.Монтаж: 110 р/м2 х 8500 = 935000 р.Доставка: 2000 р.Эксплуатационные затраты за 30 лет: 4200000 р.Итого (полная стоимость жизненного цикла):4815000 + 935000 + 2000 + 4200000 = 9952000 р.Стоимость 1 м2: 9952000 / 8500 = 1171 р/м2. ВариантМатериалы, рМонтаж, рДоставка, р(30 лет)Итого, рр/м²Каплам-50035400009350002000420000086770001020,9Каплам-100048150009350002000420000099520001171Бетон 680000002040000038800016600000107 090 00012599                   По расчётам применение геокомпозита «КАПЛАМ» (марки 500 и 1000) обеспечивает существенно более низкую полную стоимость жизненного цикла на участке 1 км по сравнению с традиционной бетонной облицовкой. Оценочная стоимость составляет ≈8,67 млн. р. для «КАПЛАМ-500» и ≈9,95 млн. р. для «КАПЛАМ-1000» против ≈107,09 млн. р. для бетонной облицовки [11].   Основные факторы экономии - более низкая удельная стоимость материала, меньшая логистика и упрощённая технология укладки.Подводя итоги экономической части, можно заключить, что несмотря на стоимость самого геосинтетического материала, общая стоимость системы «КАПЛАМ» + монтаж, оказывается ниже аналогичной бетонной облицовки. Это достигается за счёт снижения трудозатрат, быстрой укладки без сложной подготовки и долгого срока службы без капитального ремонта.Выводы. Выполненный сравнительный анализ показал, что канал облицованный инновационным материалом «КАПЛАМ» существенно эффективнее традиционной бетонной облицовки. «КАПЛАМ» обладает полностью герметичными свойствами (водонепроницаемость 100 %) и высокой прочностью, благодаря чему практически исключает фильтрацию и потери воды в канале. Это позволяет значительно повысить КПД оросительной системы (практически до 0,97–0,98), в то время как бетонная облицовка со временем утрачивает герметичность из-за растрескивания и швов.Кроме того, эксплуатация «КАПЛАМ» требует меньших затрат на монтаж и обслуживание. Лёгкий рулонный материал прост в транспортировке и быстро монтируется. Исследования показывают, что альтернатива бетону на основе современных геосинтетиков позволяет снизить материальные и трудовые затраты по сравнению с классической облицовкой. При оценке жизненного цикла «КАПЛАМ» даёт экономию за счёт минимизации потерь воды и уменьшения затрат на поддержание герметичности.Отсюда следует, что применение инновационного геокомпозита «КАПЛАМ» в облицовке оросительных каналов является более эффективным как с инженерной, так и с экономической точек зрения по сравнению с бетонной облицовкой. Ведь применение геокомпозита «КАПЛАМ» (марки 500 и 1000) в роли облицовки оросительного канала на участке 1 км по сравнению с традиционной бетонной облицовкой даёт экономию более чем в 10 раз. Новый материал обеспечивает ресурсосбережение и достижение высоких эксплуатационных показателей каналов. Полученные результаты подтверждают целесообразность внедрения геокомпозита «КАПЛАМ» в мелиоративных системах для снижения потерь воды и повышения эффективности оросительных сетей.