УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 630 Общие вопросы
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
В статье рассматривается сравнительный анализ инновационной гидроизоляционной облицовки оросительных каналов на основе геокомпозита КАПЛАМ и традиционной бетонной облицовки. Актуальность исследования обусловлена большими потерями на фильтрацию в оросительных каналах. Приведен сравнительный анализ инженерной эффективности и экономической целесообразности обеих технологий. Проведены лабораторные исследования и расчетные оценки материалов. Выявлено, что КАПЛАМ представляет собой рулонный материал на основе полиэтилена с ламинирующим слоем, полностью водонепроницаем, прочен и гибок при отрицательных температурах. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность КАПЛАМ: благодаря использованию геокомпозита полностью исключаются фильтрационные потери и повышается коэффициент полезного действия каналов, а также обеспечивается экономия ресурсов и снижаются затраты жизненного цикла по сравнению с бетонной облицовкой
геокомпозит КАПЛАМ, бетонная облицовка, орошение, гидроизоляция, жизненный цикл, кпд каналов, фильтрационные потери
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 |
№ попытки |
Предел прочности (Кн/м) |
Визуальный результат |
|
Каплам 500 |
ГОСТ Р 56785–2015 |
1 |
36 |
Отрыв |
|
Каплам 500 |
ГОСТ Р 56785–2015 |
2 |
37 |
Отрыв |
|
Каплам 500 |
ГОСТ Р 56785–2015 |
3 |
38 |
Отрыв |
|
Каплам 500 |
ГОСТ Р 56785–2015 |
4 |
37 |
Отрыв |
|
Каплам 500 |
ГОСТ Р 56785–2015 |
5 |
36 |
Отрыв |
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»
|
Материал |
Метод |
№ попытки |
Предел прочности (Кн/м) |
Визуальный результат |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ Р 56785- 2015 |
1 |
69 |
Отрыв |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ Р 56785- 2015 |
2 |
70 |
Отрыв |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ Р 56785- 2015 |
3 |
71 |
Отрыв |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ Р 56785 -2015 |
4 |
70 |
Отрыв |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ Р 56785- 2015 |
5 |
68 |
Отрыв |
По 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=
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 материалов
|
Материал |
Метод |
Параметры испытания |
F max (Н) |
Смещение при F max (мм) |
Комментарий (поведение) |
|
Каплам 500 |
ГОСТ 2678-94 |
скорость ~10 мм/мин, песчаная подсыпка, рамка |
550 Н |
3–6 мм |
Локальная вдавленность, возможно частичное расслоение, без крупного разрыва |
|
Каплам 1000 |
ГОСТ 2678-94 |
скорость ~10 мм/мин, та же конфигурация |
945 Н |
5–10 мм |
Значительно 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 расчёта
Расчёт включает статьи затрат:
- материалы (мембрана/геотекстиль/анкеры);
- монтаж (укладка, сварка швов, подготовительные работы);
- доставка/логистика;
- эксплуатационные затраты за 30 лет.
Входные параметры
Длина участка L - 1 000 м.
Площадь облицовки S - 8 500 м²
Цена «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/м²
Доставка - 2 000 р.
Эксплуатационные затраты за 30 лет - 4 200 000 р.
Подстановка параметров и поэтапные вычисления:
«Каплам 500»Стоимость мембраны: Геотекстиль: 510000 р. Анкеры: 12000 х 40 р/шт. = 480000 р. Материалы (сумма): Монтаж: 110 р/м2 х 8500 = 935000 р. Доставка: 2000 р. Эксплуатационные затраты за 30 лет: 4200000 р. Итого (полная стоимость жизненного цикла): Стоимость 1 м2: 8677000 / 8500 = 1020,9 р/м2. |
«Каплам 1000»Стоимость мембраны: Геотекстиль: 510000 р. Анкеры: 12000 х 40 р/шт = 480000р. Материалы (сумма): Монтаж: 110 р/м2 х 8500 = 935000 р. Доставка: 2000 р. Эксплуатационные затраты за 30 лет: 4200000 р. Итого (полная стоимость жизненного цикла): Стоимость 1 м2: 9952000 / 8500 = 1171 р/м2. |
|
Вариант |
Материалы, р |
Монтаж, р |
Доставка, р |
(30 лет) |
Итого, р |
р/м² |
|
Каплам-500 |
3540000 |
935000 |
2000 |
4200000 |
8677000 |
1020,9 |
|
Каплам-1000 |
4815000 |
935000 |
2000 |
4200000 |
9952000 |
1171 |
|
Бетон |
68000000 |
20400000 |
388000 |
16600000 |
107 090 000 |
12599 |
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.
1. Бандурин М.А., Юрченко И.Ф. Обоснование эколого-экономической эффективности применения противофильтрационных геотекстильных покрытий водопроводящих сооружений оросительных систем // Вестник ЮРГТУ (НПИ). Сер. «Соц.-экон. науки». 2018. № 3. С. 95–103.
2. Кокарев Я.В., Косиченко Ю.М., Кореновский А.М. Способы строительства противофильтрационных облицовок на каналах оросительных систем // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: материалы / Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации (РосНИИПМ). — Новочеркасск, 2015. - С. 27. - URL: https://www.cawater-info.net/bk/improvement-irrigated-agriculture/files/rosniipm54.pdf (дата обращения: 22.11.2025).
3. TERATEX Geo. Геокомпозит гидроизоляционный «КАПЛАМ». Описание продукции // Официальный сайт компании TERATEX (RU). URL:https://teratexgeo.ru/produkcziya/geo-kompozit- gidroizolyaczionnyj-kaplam/ (дата обращения: 16.11.2025)
4. Абдразаков Ф.К., Рукавишников А.А., Сафин Э.Э. Методы диагностики облицованных оросительных каналов // Природообустройство. 2024. № 5. С. 21-27. https://doi.org/10.26897/1997-6011-2024-5-21-27
5. Абдразаков Ф. К., Рукавишников А. А. Оценка перспективы использования бетонного полотна в качестве облицовочного материала для покрытия оросительных каналов. Известия НВ АУК. 2020. 4(60). 327-339. DOI:https://doi.org/10.32786/2071-9485-2020-04-32.
6. Абдразаков Ф.К., Рукавишников А.А. Исключение непроизводительных потерь водных ресурсов из оросительной сети за счет использования инновационных облицовочных материалов // Аграрный научный журнал. 2019. № 10. С. 91–94. - URL (дата обращения: 23.11.2025).
7. Косиченко Ю.М., Баев О.А. Гидравлическая эффективность оросительных каналов при эксплуатации // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15, № 8. С. 1147–1162.
8. Сольский С.В., Лопатина М.Г., Быковская С.А., Клушенцев В.А. Проблемы применения геосинтетических материалов (геомембран) в конструкции противофильтрационных элементов гидротехнических сооружений // Известия ВНИИГ им. В.А. Веденева. 2020. Вып. 296. С. 22–43.
9. ГОСТ 2678-94. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Методы испытаний. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. - URL: https://docs.cntd.ru/document/901710684 (дата обращения: 22.11.2025).
10. Руководство по ремонту и защите гидротехнических сооружений (материалы и технологии: торкретирование, наливные составы) / Mapei Russia – «Ремонт и защита конструкций» (практическое руководство). - [эл. ресурс]. - URL:https://aomapei.ru/upload/iblock/d7d/ha175ve6wzgual0g4uz2e52gfav9xwi8.pdf (дата обращения: 23.11.2025)
11. Абдразаков, Ф. К. Технико-экономическое обоснование применения геомембран и геотекстиля для облицовки каналов / Ф. К. Абдразаков, Э. Э. Сафин, А. А. Рукавишников // Природообустройство. – 2025. – № 4. – С. 51-59. – DOIhttps://doi.org/10.26897/1997-6011-2025-4-51-59. – EDN SJOTSZ.
