浅议垂直铺塑防渗技术的应用

王 博

(调兵山市水利局，辽宁 调兵山 112700)

垂直铺塑防渗技术，主要用于水库、堤坝和江河堤防的防渗堵漏，通过截断堤坝(基)的渗流通道，达到防渗和加固堤坝的目的。该技术防渗效果好，施工速度快，工艺简单，易操作，节省投资。现以调兵山市小青堆子段王河堤防渗处理为例浅议垂直铺塑防渗技术的应用。

1 工程概况

1.1 地理位置及水文气象

调兵山市位于辽宁省北部，区域面积262.9km2，属北温带半湿润季风大陆性气候区，年平均气温为6.85℃，年平均风速为 3.29m/s，年平均降雨量为650.8mm。境内有王河、长沟河等河流，是全国重要的煤炭生产基地。王河堤防渗处理段位于调兵山市大明镇小青堆子处王河堤右岸，总长度1300m。

1.2 工程地质及水文地质

王河堤防小青堆子段地势平坦，河道宽50～240m左右，堤身高6.0～7.0m，堤顶宽度5.0m。堤身土壤由黏土、粉土组成。粉土层厚2.6m，具中等压缩性;黏土层厚度为3.8m，具中等压缩性。堤基土壤由黏土、粉土、粉质黏土、粉细砂组成，本次勘察未穿透此层，钻孔揭露最大厚度为8.5m。该堤段地表水主要为王河河水，地下水为第四系孔隙潜水，补给来源为大气降水和灌溉入渗。

1.3 防渗处理的必要性

王河是调兵山市的主要河流，其下游是重要的煤炭生产基地，大堤肩负着保护矿区人民生命、财产安全的重任。该堤段透水层堤身主要为粉土，堤基粉细砂，属中等透水。每年汛前此处都是重要的险工险段，遇暴雨天气，险情时有发生，需要部署专人盯防。若该段堤防出险，将危及矿区人民生命财产安全。因此，进行该堤段防渗处理势在必行。

2 工程设计

2.1 防渗方案

堤顶宽6.0m，迎水坡坡比为1∶2.2，背水坡坡比为1∶3.5，堤基宽41m，设计水位16.50m。

采用土工膜垂直铺塑防渗，在迎水坡堤脚处机械垂直开槽置土工膜形成防渗帷幕，迎水坡采用复合土工膜黏土盖重防渗。

2.2 渗透稳定计算

以背水坡无水的渗流状态进行稳定计算。

因为该堤防是透水堤基上的均质土堤，所以将堤身和地基的渗透量分开进行计算，总宽渗流量分为通过堤身渗流量q1及地基渗流量之和。采用《堤防工程设计规范》(GB 50286—98)附录E.3透水堤基均质土堤渗流计算公式。

2.2.1 单宽渗流量计算

计算简图见图1。

图1 单宽渗流量计算图

式中 q——透水堤基总单位宽度渗流量，m3/s·m;

q1——不透水堤基上求得的相同排水形式的单位宽度渗流量，m3/s·m;

k——堤身渗透系数，cm/s;堤身土质主要为黏土，其渗透系数为k=8.45×10－4cm/s;

k0——堤基渗透系数，cm/s;堤基土质自上而下为粉质黏土0.3m、粉细砂8.5m，其渗透系数分别为 k1=3.24 ×10－5cm/s，k2=8.22 ×10－3cm/s，将地基土层转化为各向同性的均质土，经转化，等效渗透系数为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——透水层堤基深度，按无限深透水地基计算;

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

经计算得q=2.64(m3/d·m)

2.2.2 渗流比降计算

渗流比降计算如图2所示。

图2 透水地基土堤坡面渗流比降计算

渗流比降计算公式:

渗出段AB坡面渗流坡降采用公式:

地基段堤基渗流坡降公式:

式中 h0——特征水深;

y——浸润线上逸出点的垂直坐标;x——浸润线上逸出点的水平坐标;J1——沿坡面的渗透坡降;J2——沿堤基水平渗透坡降。

y、x按有效范围(0.25～1.0)h0计算。下游坡有贴坡排水或无排水设备，当堤身渗透系数k≤地基渗透系数k0时，特征水深h0按下列公式计算:

将各参数代入上式中计算特征水深h0=1.158m。

粉细砂的允许水力坡降为0.4，经计算:

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中部分区段水力坡降大于［J］(堤基);

所以本堤防堤基应采用垂直防渗或水平防渗措施才能达到安全的要求。

2.3 帷幕防渗

据经验，垂直防渗深度可取为S=(1～1.5)H，则S=4.45～6.68m。又因王河下游有重要的煤炭生产基地，因此将帷幕防渗深度确定为8m。

根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—98)的规定，地下垂直防渗和地下截潜流采用的土工膜厚度不宜小于0.25mm，重要工程可采用复合土工膜或复合防水材料，膜厚度不宜小于0.5mm。因此取厚度T=0.50mm。经复核计算，结果与《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》的安全系数为Fs=4～5的要求相接近，此厚度满足要求。

2.4 坡面复合土工膜稳定分析

坡面复合土工膜稳定计算如图3所示。

图3 坡面复合土工膜稳定计算 单位:mm

计算方法参照《堤防工程设计规范》(GB 50286—98)附录D:堤岸防护计算中的D.1稳定计算方法

式中 k——稳定安全系数;

W1、W2、W3——土体重量，见图 3 所示;

α——迎水坡坡角，α =24.3°;

f1——土和土的内摩擦系数，f1= tan22°=0.40;

f2——复合土工膜与土的内摩擦系数，f2=tan30°=0.577;

A、B、C——分别为 W1、W2、W3的单 宽滑动面长。

将各参数代入式(5)中，得:k=1.25。满足要求。

为保证安全，在迎水坡堤坡上开挖三道0.30m×0.40m的沟槽，将复合土工膜埋入沟槽增加防滑能力，且最上一道作为土工膜的顶部固定齿槽。

2.5 工程布置及防渗结构

采用土工膜防渗，用机械垂直埋膜防渗技术，在坡脚外2.5m处从10m高程点埋设8m深土工膜，形成垂直防渗帷幕;堤坡铺设复合土工膜下卧0.8m形成防渗斜墙，下部10m高程处与垂直铺设连接，上部铺至17m高程(超出设计洪水位0.5m)，外部设有0.8m厚壤土保护层。

3 工程施工

3.1 垂直铺塑施工

3.1.1 工艺流程

砂基防渗主体工程采用垂直铺塑防渗技术，施工机械应具有连续成槽的能力，防渗工程施工工艺见图4。

图4 垂直铺塑施工工艺流程

3.1.2 施工准备

a.铺设进出场道路，路宽5.0m，并实现三通一平。

b.修建施工平台，用推土机推压平坦坚实、稳定;根据设计要求，进行墙体轴线施工放线，并对所放桩点加以保护。

c.修建浆站、储浆池和沉淀池。

d.设备安装调试:设备组装、单机调试、联机试运转，检查机架是否变形。

3.1.3 成槽施工

a.锯槽:锯槽机在无负荷情况下开启，开锯、牵引加荷，施工中应保持槽孔内的泥浆液面相对稳定。

b.要定时测量泥浆密度、含砂量等指标，槽内泥浆比重应控制在1.05～1.20左右，防止塌孔。

c.遇到阻碍时，应及时停机进行处理，停止锯进时，每隔1h用砂石泵进行一次泥浆循环，以防泥浆口淤堵。

d.出现漏浆时，应立即提高拌制泥浆的比重，采取有效措施堵漏。

e.成槽深度要求进入下层黏性土层的深度不小于1.5m，槽身的倾斜度不超过5%。

f.设备成槽为连续槽，成槽深度必须满足设计与铺膜要求。当成槽长度达到10m左右时，进行置膜铺塑。

g.清除回落在孔底的渣料。

3.1.4 塑膜铺设

初始成槽后采用铺膜机进行连续置膜。塑膜卷上部留1.5m长的土工膜，将槽外的土工膜埋入0.3m×0.4m的防滑槽内用土压住，以防滑落槽内。槽内土工膜采用顺水搭接方式，搭接长度不小于2m，堤基土工膜两侧不采取锚固措施，槽内填土压住即可。槽外土工膜亦可以采用搭接方式，搭接长度不小于2m。

3.1.5 槽内回填土

铺塑完成后及时进行槽内回填并夯实，槽身底部3m范围内回填黏性土，中部优先选用砂性土进行回填，回填接近槽上口时向槽内注水，使回填土自然下沉。

3.2 坡面复合土工膜施工

清理修整坡面、回填雨淋沟，采用倒土的方式开挖坡面铺复合土工膜。沿坡面开挖3道0.3m×0.4m的防滑槽。将复合土工膜自上而下徐徐展放至坡底，并埋入防滑槽内，填土夯实。坡面复合土工膜的上边及起始两侧采用布边埋入齿槽的固定方式。

4 结语

垂直铺塑防渗技术简单易行，施工速度快，造价低，截渗效果好，适合于平原低水头水库和河道堤防的截渗，实用性强，建议在平原水库、堤坝防渗中广泛应用。■