淺議垂直鋪塑防滲技術的應用

王 博

(調兵山市水利局，遼寧 調兵山 112700)

垂直鋪塑防滲技術，主要用于水庫、堤壩和江河堤防的防滲堵漏，通過截斷堤壩(基)的滲流通道，達到防滲和加固堤壩的目的。該技術防滲效果好，施工速度快，工藝簡單，易操作，節省投資。現以調兵山市小青堆子段王河堤防滲處理為例淺議垂直鋪塑防滲技術的應用。

1 工程概況

1.1 地理位置及水文氣象

調兵山市位于遼寧省北部，區域面積262.9km2，屬北溫帶半濕潤季風大陸性氣候區，年平均氣溫為6.85℃，年平均風速為 3.29m/s，年平均降雨量為650.8mm。境內有王河、長溝河等河流，是全國重要的煤炭生產基地。王河堤防滲處理段位于調兵山市大明鎮小青堆子處王河堤右岸，總長度1300m。

1.2 工程地質及水文地質

王河堤防小青堆子段地勢平坦，河道寬50～240m左右，堤身高6.0～7.0m，堤頂寬度5.0m。堤身土壤由黏土、粉土組成。粉土層厚2.6m，具中等壓縮性;黏土層厚度為3.8m，具中等壓縮性。堤基土壤由黏土、粉土、粉質黏土、粉細砂組成，本次勘察未穿透此層，鉆孔揭露最大厚度為8.5m。該堤段地表水主要為王河河水，地下水為第四系孔隙潛水，補給來源為大氣降水和灌溉入滲。

1.3 防滲處理的必要性

王河是調兵山市的主要河流，其下游是重要的煤炭生產基地，大堤肩負著保護礦區人民生命、財產安全的重任。該堤段透水層堤身主要為粉土，堤基粉細砂，屬中等透水。每年汛前此處都是重要的險工險段，遇暴雨天氣，險情時有發生，需要部署專人盯防。若該段堤防出險，將危及礦區人民生命財產安全。因此，進行該堤段防滲處理勢在必行。

2 工程設計

2.1 防滲方案

堤頂寬6.0m，迎水坡坡比為1∶2.2，背水坡坡比為1∶3.5，堤基寬41m，設計水位16.50m。

采用土工膜垂直鋪塑防滲，在迎水坡堤腳處機械垂直開槽置土工膜形成防滲帷幕，迎水坡采用復合土工膜黏土蓋重防滲。

2.2 滲透穩定計算

以背水坡無水的滲流狀態進行穩定計算。

因為該堤防是透水堤基上的均質土堤，所以將堤身和地基的滲透量分開進行計算，總寬滲流量分為通過堤身滲流量q1及地基滲流量之和。采用《堤防工程設計規范》(GB 50286—98)附錄E.3透水堤基均質土堤滲流計算公式。

2.2.1 單寬滲流量計算

計算簡圖見圖1。

圖1 單寬滲流量計算圖

式中 q——透水堤基總單位寬度滲流量，m3/s·m;

q1——不透水堤基上求得的相同排水形式的單位寬度滲流量，m3/s·m;

k——堤身滲透系數，cm/s;堤身土質主要為黏土，其滲透系數為k=8.45×10－4cm/s;

k0——堤基滲透系數，cm/s;堤基土質自上而下為粉質黏土0.3m、粉細砂8.5m，其滲透系數分別為 k1=3.24 ×10－5cm/s，k2=8.22 ×10－3cm/s，將地基土層轉化為各向同性的均質土，經轉化，等效滲透系數為2.61 ×10－3cm/s。

H1——堤前水位，H1=4.453m;

H2——堤后水位，H2=0;

m1——堤迎水坡坡率;2.2;

m2——堤背水坡坡率;3.6;

T——透水層堤基深度，按無限深透水地基計算;

取有效深度Te=0.5(L+m1H1)=0.5×(30.913+4.453×2.2)=20.355m;

經計算得q=2.64(m3/d·m)

2.2.2 滲流比降計算

滲流比降計算如圖2所示。

圖2 透水地基土堤坡面滲流比降計算

滲流比降計算公式:

滲出段AB坡面滲流坡降采用公式:

地基段堤基滲流坡降公式:

式中 h0——特征水深;

y——浸潤線上逸出點的垂直坐標;x——浸潤線上逸出點的水平坐標;J1——沿坡面的滲透坡降;J2——沿堤基水平滲透坡降。

y、x按有效范圍(0.25～1.0)h0計算。下游坡有貼坡排水或無排水設備，當堤身滲透系數k≤地基滲透系數k0時，特征水深h0按下列公式計算:

將各參數代入上式中計算特征水深h0=1.158m。

粉細砂的允許水力坡降為0.4，經計算:

J1=0.287～0.534，J1中水力坡降大部分小于［J］(堤身);

J2=0.276～0.869，J2中部分區段水力坡降大于［J］(堤基);

所以本堤防堤基應采用垂直防滲或水平防滲措施才能達到安全的要求。

2.3 帷幕防滲

據經驗，垂直防滲深度可取為S=(1～1.5)H，則S=4.45～6.68m。又因王河下游有重要的煤炭生產基地，因此將帷幕防滲深度確定為8m。

根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》(SL/T 225—98)的規定，地下垂直防滲和地下截潛流采用的土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用復合土工膜或復合防水材料，膜厚度不宜小于0.5mm。因此取厚度T=0.50mm。經復核計算，結果與《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》的安全系數為Fs=4～5的要求相接近，此厚度滿足要求。

2.4 坡面復合土工膜穩定分析

坡面復合土工膜穩定計算如圖3所示。

圖3 坡面復合土工膜穩定計算 單位:mm

計算方法參照《堤防工程設計規范》(GB 50286—98)附錄D:堤岸防護計算中的D.1穩定計算方法

式中 k——穩定安全系數;

W1、W2、W3——土體重量，見圖 3 所示;

α——迎水坡坡角，α =24.3°;

f1——土和土的內摩擦系數，f1= tan22°=0.40;

f2——復合土工膜與土的內摩擦系數，f2=tan30°=0.577;

A、B、C——分別為 W1、W2、W3的單 寬滑動面長。

將各參數代入式(5)中，得:k=1.25。滿足要求。

為保證安全，在迎水坡堤坡上開挖三道0.30m×0.40m的溝槽，將復合土工膜埋入溝槽增加防滑能力，且最上一道作為土工膜的頂部固定齒槽。

2.5 工程布置及防滲結構

采用土工膜防滲，用機械垂直埋膜防滲技術，在坡腳外2.5m處從10m高程點埋設8m深土工膜，形成垂直防滲帷幕;堤坡鋪設復合土工膜下臥0.8m形成防滲斜墻，下部10m高程處與垂直鋪設連接，上部鋪至17m高程(超出設計洪水位0.5m)，外部設有0.8m厚壤土保護層。

3 工程施工

3.1 垂直鋪塑施工

3.1.1 工藝流程

砂基防滲主體工程采用垂直鋪塑防滲技術，施工機械應具有連續成槽的能力，防滲工程施工工藝見圖4。

圖4 垂直鋪塑施工工藝流程

3.1.2 施工準備

a.鋪設進出場道路，路寬5.0m，并實現三通一平。

b.修建施工平臺，用推土機推壓平坦堅實、穩定;根據設計要求，進行墻體軸線施工放線，并對所放樁點加以保護。

c.修建漿站、儲漿池和沉淀池。

d.設備安裝調試:設備組裝、單機調試、聯機試運轉，檢查機架是否變形。

3.1.3 成槽施工

a.鋸槽:鋸槽機在無負荷情況下開啟，開鋸、牽引加荷，施工中應保持槽孔內的泥漿液面相對穩定。

b.要定時測量泥漿密度、含砂量等指標，槽內泥漿比重應控制在1.05～1.20左右，防止塌孔。

c.遇到阻礙時，應及時停機進行處理，停止鋸進時，每隔1h用砂石泵進行一次泥漿循環，以防泥漿口淤堵。

d.出現漏漿時，應立即提高拌制泥漿的比重，采取有效措施堵漏。

e.成槽深度要求進入下層黏性土層的深度不小于1.5m，槽身的傾斜度不超過5%。

f.設備成槽為連續槽，成槽深度必須滿足設計與鋪膜要求。當成槽長度達到10m左右時，進行置膜鋪塑。

g.清除回落在孔底的渣料。

3.1.4 塑膜鋪設

初始成槽后采用鋪膜機進行連續置膜。塑膜卷上部留1.5m長的土工膜，將槽外的土工膜埋入0.3m×0.4m的防滑槽內用土壓住，以防滑落槽內。槽內土工膜采用順水搭接方式，搭接長度不小于2m，堤基土工膜兩側不采取錨固措施，槽內填土壓住即可。槽外土工膜亦可以采用搭接方式，搭接長度不小于2m。

3.1.5 槽內回填土

鋪塑完成后及時進行槽內回填并夯實，槽身底部3m范圍內回填黏性土，中部優先選用砂性土進行回填，回填接近槽上口時向槽內注水，使回填土自然下沉。

3.2 坡面復合土工膜施工

清理修整坡面、回填雨淋溝，采用倒土的方式開挖坡面鋪復合土工膜。沿坡面開挖3道0.3m×0.4m的防滑槽。將復合土工膜自上而下徐徐展放至坡底，并埋入防滑槽內，填土夯實。坡面復合土工膜的上邊及起始兩側采用布邊埋入齒槽的固定方式。

4 結語

垂直鋪塑防滲技術簡單易行，施工速度快，造價低，截滲效果好，適合于平原低水頭水庫和河道堤防的截滲，實用性強，建議在平原水庫、堤壩防滲中廣泛應用。■