堤防防滲加固中垂直鋪塑截滲技術的應用

廖強

（江西省新干縣河道圩堤維護服務中心，江西 新干 331300）

1 工程概況

某堤防興建于20 世紀70 年代，于20 世紀90 年代維修加固，主要發揮著內河航運及排水入（贛）江的功能。該堤防樁號0+020～2+950 段堤基土質呈明顯砂性，堤防窨潮，存在嚴重滲漏，必須展開大堤防滲加固。

2 施工方案

2.1 垂直防滲技術

現有的垂直防滲技術包括剛性垂直防滲帷幕和柔性垂直防滲帷幕兩種。基于此，山東省水利科學院研制出鏈條式和往復式垂直防滲機具和垂直鋪塑防滲技術，集造槽、鋪塑和回填功能于一體，連續作業，成墻效率高，廣泛適用于河道堤防、平原水庫防滲處理。經綜合比較分析，最終選擇垂直鋪塑防滲技術，以增強防滲效果，并保證防滲帷幕的整體性。

2.2 造槽機械

①往復式水沖鋸刀鋪塑機：該機具主要憑借開槽機臂桿的循環往復運動，借助水力或刀具切割破壞土體造槽，同時通過聯動裝置完成卷簾鋪塑。其對于粉質粘土較為適用，對于粘性土存在造槽及鋪塑難度。該機具造槽及鋪塑深度通常達10～12 m，造槽寬度一般為180～300 mm，施工動力通常為100～120 kW。②鏈條式循環刮板鋪塑機：該機具主要借助鏈條循環運動帶動刮板切割土體造槽，為減薄泥皮厚度，增大泥漿韌性和防滲性，確保槽壁穩定，必須將護壁泥漿容重控制在1.30～1.50 g/cm3范圍內。該機具造槽寬度可達300 mm，并借助聯動裝置同步卷簾鋪塑；鋪塑深度最大為15 m，對于不含樹根、雜草、塊石的任何土層均較為適用。但是從槽口移除的土方量較大，所需機械動力為150～180 kW。因該堤防工程地質條件復雜，故選用鏈條式循環刮板鋪塑機。

3 鋪塑截滲施工

3.1 塑膜選材

防水塑膜材料性能是決定垂直鋪塑截滲施工效果的關鍵因素之一，在選擇防滲塑膜時必須充分考慮其耐久性、抗滲性，鋪膜施工的便捷性及經濟性。

第一是耐久性。一般情況下塑料薄膜隔水效果及抗變形能力較好，是較為理想的水工防滲材料，但是其使用年限不盡相同。當前，國內水利水電工程中使用較多的是聚乙烯和聚氯乙烯兩種材料，聚乙烯具有更高的抗拉強度、抗老化性能和使用壽命，故該堤防工程防滲加固中主要選用聚乙烯薄膜。

第二是塑膜厚度。塑膜厚度和周圍介質顆粒級配決定著塑膜承受水壓的能力，一般情況下塑膜越厚，周圍介質顆粒級配越好，其抗水壓能力也就越強。如果塑膜厚度過小，很可能因為水壓力、機械拉力等而撕裂，并容易產生局部麻眼，不利于防滲。根據《堤防工程設計規范GB50286-2013》，垂直鋪塑膜厚度應根據其允許拉應力計算公式進行反推，公式如下：

式中：T—垂直鋪塑膜厚度，mm；E—塑膜彈性模量，kg/cm2；P—塑膜所承受的水壓力，kPa；d—塑膜所接觸砂卵石最大粒徑，mm，結合該堤防工程地勘報告，取10 mm；σ—塑膜拉應力允許值，kg/cm2。

將以上參數值代入式（1）得出的塑膜厚度為0.15 mm，滿足規范所規定的垂直鋪塑截滲技術中塑膜厚度應在0.10～0.20 mm 范圍內的要求。該堤防防滲加固垂直鋪聚乙烯塑膜幅寬10～12.50 m，質量200 g/m2，抗拉強度不小于1 kN/cm2，抗撕裂強度和抗滲強度不小于10.08 kN和100 kPa，伸長率16%，滲透系數為1×10-11m/s。

3.2 垂直鋪塑

在正式施工前應將施工場地內電線桿、樹木等全部搬移和清除，按照設計要求就位開溝造槽機，并在就位機械前方開挖出1條20～30 cm深、25～30 cm寬的引溝。考慮到該堤防工程堤頂狹窄，施工場地較為狹小，故在施工開始后應將道路兩頭封閉，并在堤頂側備制好回填土料。該堤防工程工況復雜，且待加固堤防現有穿堤涵洞、取水口、土山洞等既有建筑，對應的堤段均不具備垂直鋪塑施工條件，對于此類特殊堤段應改用水泥漿高壓定噴防滲技術。沿堤壩方向與堤頂肩相距2.50 m 處開槽軸線，機械鋪塑插入不透水層1 m左右。

其余正常堤段則使用鏈條式循環刮板鋪塑機造槽，電機帶動曲軸運動后刀桿便開始上下往復運動，其上的刮刀會持續切割土層；此外，高壓水泵中的壓力水也從刀桿空腔水管噴嘴處噴出，連續沖切土體，持續將周圍土體攪拌成泥漿，主要發揮固壁效果，泥漿持續不斷流向溝槽后方。開槽深度主要在刀桿長度既定時，通過控制刀桿和地面的夾角而進行調整。

緊跟前部溝槽的形成過程，后部鋪塑裝置采用膜桿鋪設法鋪膜，以保證造槽和鋪膜同步進行。設置在開槽后部的鋪塑裝置無固定牽引環，中部焊接豎向塑膜固定桿，塑膜捆能繞桿轉動；將該固定桿插入土工塑膜鋼管后置入溝槽槽底，根據造槽速度由人工拉動牽引繩并轉動塑膜捆，以使塑膜平鋪于溝槽內。

鋪設完成塑膜后必須及時回填。回填時先通過人工方式將粘性土投放進溝槽至0.50～1 m高度。此后再借助泥漿淤沉和人工方式投放土料回填，泥漿淤沉量應在整個溝槽回填工程量中占60%左右；回填土內不得夾雜塊石和雜質，通過羊角碾和人工踩踏相結合方式回填密實。見圖1。

圖1 垂直鋪塑器及鋪膜過程圖

4 施工效果檢測

該堤防在未加固前0+020、1+345、2+280 及2+950 等樁號處部分堤段滲水嚴重，下游坡腳低洼區域常年積水。采用垂直鋪塑截滲技術加固處理后滲水現象得到改觀，通過對滲水部位布置測壓管的觀測結果展開分析，對應的截滲效果具體見表1，表中削減水頭通過上下游測壓管水位差與上下游水位差的比求取。結合表中測壓管觀測資料和結果，防滲帷幕設置后上下游水位均驟然下降，表明防滲帷幕削減水頭、延長滲徑、減小滲水壓力的效果十分顯著，堤防穩定性和安全性也明顯提升。

表2 堤防垂直鋪塑截滲效果觀測表

垂直鋪塑截滲技術實施后，除堤防防滲性能明顯提升外，大堤內在質量也有所改善。結合造槽情況，堤身內部空洞及裂隙被溝槽內泥漿充填，起到類似劈裂灌漿的效果，施工前后土體平均質量密度從15.14 kg/m3提高至15.58 kg/m3，表明土體密實度較大提高。

應用土石壩二向滲流有限元法展開該堤防滲流穩定計算結果顯示，垂直鋪塑截滲技術實施前后，出逸點高度從0.80 m降至0 m，堤坡及堤基水力坡降分別從0.40%和0.35%降至0%和0.02%，截滲效果非常顯著。施工結束3個月后，在該堤防垂直鋪塑截滲段進行了注水試驗，所得出的滲透系數均值為2.60×10-7cm/s，與施工前相比滲透系數大大降低。

5 結論

綜上所述，該堤防工程主要通過兼具造槽、鋪塑和回填功能于一體的鏈條式循環刮板鋪塑機開挖出設計溝槽后鋪設聚乙烯土工膜，再回填溝槽，構建起土工膜防滲帷幕體系。堤防防滲竣工后運行至今已逾2 個自然年，堤坡再未出現流土、管涌、散滲等現象，防滲效果十分優異。