复合土工膜防渗技术在堤防加固中的应用

何 淼，田春玲

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130021)

1 工程概况

该工程位于饮马河自石头口门水库坝下至伊通河入河口处（除德惠市砖厂处往下游1.0 km无堤段外），堤防全长193.755 km，其中左岸堤防长96.535 km，右岸堤防长97.22 km。

经现场对堤防沿线检查发现，目前主堤大部分堤身质量完好，但由于存在部分穿堤建筑物破损、局部砂基段渗水现象比较严重，河道塌岸较多，有的凹岸堤身已塌落，严重的威胁堤防安全。

2 工程等别及设计资料

依据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》及GB 50286—98《堤防工程设计规范》，确定饮马河洪水重现期为20年，主要建筑物为4级，临时建筑物为5级。设计资料见表1。

3 砂基段工程设计

3.1 基本资料

经现场实地勘察及资料记载，在汛期曾出现过严重渗漏险情的砂基险段共有18处。其中九台市境内14处，长7 090 m；德惠市境内4处，长2 101 m，共计总长10 191 m。现场检查发现各砂基段临水侧及背水侧地表有坑塘积水现象，部分堤段背水侧现已被砂袋大面积压重。

表1 设计参数表

根据地质钻探资料揭示，饮马河堤基为双层地基，上覆粉质壤土、砂质壤土层厚度较薄，一般在0～3.5 m之间，下部为含细砾中粗砂层，以九台市双丰砂基段为例进行计算。

双丰砂基段位于九台市龙家堡镇双丰村，饮马河的左岸，砂基段长902 m。双丰砂基段土层基本资料见表2。

3.2 渗透破坏类型判别

依据GB 50287-99《水利水电工程地质勘察规范》，土的渗透变形判别公式

表2 双丰砂基段地基土层基本资料表

式中：PC——土的细粒颗粒含量，以质量百分率计，%；n——土的孔隙率，%。

查工程地质土工试验资料，各砂基段地基土的细颗粒含量，均小于44%，确定地基土的渗透变形均属于管涌破坏。

3.3 堤基渗透稳定计算

依据GB50286—98《堤防工程设计规范》，计算下列水位的组合的堤防渗流情况：

1）临水侧为设计洪水位，背水侧为相应水位。

2）临水侧为设计洪水位，背水侧为低水位或无水。3）洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利的情况。根据工程实际情况，这次设计只计算临水侧设计洪水位，背水侧无水情况。

4）堤基渗透临界水力坡降及平均水力坡降计算，按照《中小型水利水电工程地质》，计算堤基土的临界水力坡降及堤下渗流段的平均水力坡降值。

临界水力坡降计算公式

粉质壤土：

砂质壤土

允许水力坡降I允=I临/2=0.57

堤基下游上升渗流段的平均水力坡降值计算公式

式中：△s——土的比重；n——土的孔隙度，%；I——平均水力坡降；H1，H2——上、下游水位，m；T1，T2——上、下土层厚度，m；K1，K2——上、土层的渗透系数；2b——堤基宽度，m。

利用电子表格列表计算，计算成果如表3。

表3 堤防各砂基段堤基平均水力坡降计算成果表

从计算结果可以看出，堤防下游上升渗流段的平均水力坡降值为1.84，与堤基覆盖土层的允许坡降0.57比较，不满足渗透稳定要求，易产生管涌现象。该段均需采取加固措施。

3.4 砂基段险段工程处理措施

饮马河堤基属双层地基，经渗流计算，部分砂基险段堤后地面渗流出逸比降不能满足规范要求，还有一部分砂基段虽经计算渗透稳定满足规范要求，但在汛期曾经出现过严重渗漏有破坏险情，为此均需采取除险加固措施，确保堤防安全。

根据工程实际，饮马河堤防两侧均为农田，且背水侧仅有15 m长护堤地范围可以使用，为此设计采取临水侧防渗铺盖和背水侧压渗盖重相结合的措施进行加固。

3.4.1 铺盖设计

铺盖长度按照《水工建筑物》土坝地基处理，取6倍的设计水头计算。

3.4.2 防渗材料的选择

由于当地黏土料缺乏，设计采用复合土工膜（500 g/m2）防渗材料，即在堤防临水侧堤前铺设复合土工膜。

表4 复合土工膜主要技术指标

3.4.3 结构设计

为提高堤防的抗渗能力，在临水侧堤坡设置复合土工膜斜墙与铺盖连成一体的防渗体系，水平铺盖设置为防止耕作土层对土工膜造成破坏，设计将复合土工膜铺设在原地面以下1.0 m处，即将原地面土层开挖，铺设复合土工膜后回填覆盖土层厚1.0 m并碾压。

斜墙复合土工膜铺设在堤坡上，为避免大面积开挖原堤防边坡土，埋置复合土工膜造成堤身破坏和土体的整体性差，易受冲刷破坏，根据当地缺乏石料等因素，设计采用机织混凝土模袋护坡进行结构护面，结构层自下而上分别为复合土工膜（500 g/m2）。机织模袋混凝土（平均厚度15 cm，最大厚度25 cm）。

周边界处理。端部边槽的锚固上、下游两侧与护坡段之间采取顺坡开槽，将模袋混凝土埋入槽中的方式，接头处连接平顺。开槽埋入深度上、下游端均采用0.7 m。顶部采用水平延伸长度1.0 m进行封项。坡脚深度为1.0 m或1.5 m。

3.4.4 压渗盖重设计

按《碾压土石坝设计规范》第8.2计算

式中：Ja-x表层土在坝下游坡脚点a至a以下范围x点的渗透比降，按表层土上下表面的水头差h，除以表层土层厚度t1得出：

表土层上、下水头差按下式计算：

若 Ja-x＞（Gs-1）（1-n1）/K，应设置排水盖重或排水减压井。

经计算（Gs-1）（1-n1）/K=0.48，Ja-x的计算成果见表5。

排水盖重厚度t。按式（4）计算

式中：t1——表层土的厚度，m；γ——排水盖重层的容重，砂质壤土 γ=18.6 kN/m3，干砌石γ=20 kN/m3；γω——水的容重，γω=10 kN/m3。其他符号意义同前。

盖重长度根据工程实际，初拟采用8.0 m。

计算成果如表5示。

表5 压渗盖重计算成果表

3.4.4 堤基渗透稳定复核

采取加固措施后，验算堤基渗透稳定。

按 GB50286—98《堤防工程设计规范》，式（E.7.3-5）计算承压水头：

式中：S下——下游弱透水层等效长度，m；S上——上游弱透水层等效长度，m；其余符号意义同前。

表6 渗透稳定计算成果表

经渗透稳定复核计算，各砂基段渗透比降满足设计要求。

背水侧盖重回填砂壤土，施工时应分层铺填，并依靠运输或摊铺机械的行驶压实。

4 复合土工膜施工要点

1）复合土工膜铺设应力求平顺，松紧适度，不得绷拉过紧；复合土工膜应与土面密贴，不留空隙。

2）相邻复合土工膜块拼接可用搭接或缝接。该工程采用搭接。平地搭接宽度可取30 cm，不平地面或畸形处应不小于50 cm。

3）坡面铺设采用自下而上进行，坡顶、坡脚应以锚固沟或其它可靠方法固定，防止其滑动。

4）回填时，不得破坏复合土工膜，复合土工膜铺设完成后，应尽量减少在膜面上行走、搬动工具等，凡能对防渗膜造成危害的物件，均不应放在膜上或携带在膜上行走，以免对膜造成意外损伤，不得使用重型机械或振动压实。

6 结论

复合土工膜具有质轻、防渗性能有较好的延展性，在该次饮马河堤防除险加固应急度汛工程中的应用，实现了施工简单，造价低等特点，取得了较好的效果，是一种理想的防渗材料。