元江砂基砂堤防渗措施探讨

张志坚

（昆明市水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650000）

1 基本原理

基础防渗设计采用在迎水坡堤脚进行垂直铺塑的防渗处理方案，选用0.5 mm厚LDPE土工膜作为防渗材料，防渗深度8.0 m，防渗帷幕体设在堤坝迎水坡堤脚前2～3 m处。坡面防渗采用在迎水坡坡面上铺设复合土工膜，土工膜铺设至设计水位以上0.5 m，土工膜上面压盖粘土（垂直于堤坡方向墙厚1 m）为主；上游堤脚处水平粘土铺盖（厚1 m），坡面防渗土工膜与基础防渗土工膜在堤脚进行连接，形成整体的悬挂式防渗帷幕。

垂直铺塑技术是20世纪80年代初开始研制发展起来的一项新的防渗技术，经过二十余年的发展和创新，该技术已日趋成熟并广泛应用于水库大坝和江河、湖泊大堤的防渗加固工程。垂直铺塑法施工工艺简单、施工速度快、成本低、防渗效果好，工程造价低，在国内水利防渗工程中得到了广泛的应用。

2 工程实例

2.1 概况

元江金平县境内段地质为第四系（Q4）全新统海陆交互相相沉积地层。地形表面平坦，实为无限透水地基。河道两岸堤基土质不好，一般自上而下是粉土层和细砂层，有的表层即为细砂，也有少数地区表层有1～2 m左右的粉质粘土，往下粉土、细砂。由于河道筑堤土料来自河滩地，因此堤身填土成分复杂。在河道整治施工中，采用泥浆泵筑堤，取土深往往达到7～8 m甚至更深，筑堤土料中细砂成分较高，所以河道堤防大多是砂堤、砂基。

元江金平县境内段以上径流面积32.02万km2，规划防洪标准为100年一遇，设计流量8400 m3/s，堤防工程级别为Ⅰ级。设计堤顶宽7 m，迎水侧设计边坡 1∶3.0，背水侧设计边坡 1∶3.5。

2.2 渗流计算

由于该段堤防基础类型比较单一，沿堤线方向堤基各土层分布层次及厚度变化不大，因此选典型断面进行渗流稳定分析。

渗流在背水坡堤脚出现所需时间T：

式中：K——堤身渗透系数（m/s）；n0——土的有效孔隙率；n——孔隙率；SW——饱和度；H——迎水坡堤脚水深；m1，m2——迎背水坡边坡系数；b′——与水位齐平处堤身的水平宽度，m。

从计算结果可知，粉细砂渗流达到堤脚的时间需要3 d，河道洪峰历时7 d。因此，对于堤身为粉质粘土的堤段，不能形成稳定渗流，对于堤身为粉土的堤段，就存在渗漏破坏的可能，需要进行防渗处理。

表1 堤防渗流计算成果表

表2 稳定渗流计算结果

根据地质勘察报告，该堤段粉细砂的临界水力坡降和允许水力坡降分别为0.89和0.44。上述计算表明的水力坡降在临界水力坡降附近，不满足堤防渗透安全的要求。计算结果表示该段堤防地基大部分区段会发生流土的可能，即使堤脚下游设反滤排水可防止流土的发生，但不能防止堤基内部大部分区段细颗粒向下游移动，久而久之，细颗粒流失，地基淘空，导致塌陷，产生渗透破坏。所以本段堤防应采用垂直防渗或水平防渗措施才能达到安全的要求。

垂直铺塑防渗处理措施可有效地增加渗径，消除较高剩余水头，降低逸出点水力坡降，防止行洪期间堤后产生渗透破坏、确保堤防安全。

2.3 防渗材料的选择

表3 土工膜性能指标

2.4 基础防渗帷幕设计

通过渗流计算可知，堤基原有渗径不够，为了消除堤基的渗透变形破坏，保证堤防稳定安全，简易可行的办法即增加渗径。采用垂直铺塑防渗技术，沿大堤构筑一道悬挂式防渗帷幕墙。防渗帷幕墙设计在迎水坡堤脚外。

按照一般垂直防渗经验，防渗帷幕深度可取为 S=（1～1.5）H，（H 为最大水深 H=5.1 m） 则 S=4.8～7.65 m，设计确定帷幕防渗深度为8 m。

1）根据（SL/T225-98）《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》的规定，当采用土工膜作为防渗层，截断地下水流或地上水流时，应符合以下要求：

地下垂直防渗和地下截潜流采用的土工膜厚度不宜小于0.25 mm，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0.5 mm。

设计采用LDPE低密聚乙烯土工膜，土工膜厚度取T=0.50 mm。

2）采用《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》附录C铺盖土工膜厚度计算公式进行复核：

式中：T——单宽土工膜的拉力，kN/m；p——膜上作用水压力，kPa，取p=118.70 kPa；b——预计膜下地基可能产生的裂缝宽度，m，分别取b1=5 mm b1=10 mm；ε——膜的拉应变，%。

表4 土工膜拉力计算表

根据预计裂缝宽度，按上面的公式及实际选用土工膜试验成果绘制土工膜应力～应变关系曲线，见图1。

交点对应的应变 ε1，ε2分别为裂缝宽 b1，b2，拉力 T1，T2时的拉伸应变。其中 P1（1.55%，1.01），P2（2.45%，1.59）。土工膜设计极限抗拉强度为Tr=6.0 kN/m，相应应变为9.23%。则拉力与应变的安全系数分别为：

图1 土工膜应力应变关系曲线

计算结果与（SL/T225-98）《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，可见选用厚度为0.5 mm的土工膜是合适的。

帷幕体的防渗效果：

根据表4土工膜性能指标，0.50mm厚聚乙烯膜在1.05MPa下，48 h不渗水，说明土工膜防渗效果非常理想。国内外不少研究机构认为土工膜的渗透系数可以达到10-12～10-10cm/s，能够满足防渗工程的要求。

2.5 坡面防渗设计

设计坡面采用0.5 mm厚的复合土工膜（两布一膜）进行防渗，复合土工膜上压盖0.8 m厚的粘土铺盖，粘土铺盖上层填0.2 m厚腐殖土，播撒草籽，形成生态护坡。

1）坡面防渗顶高程确定。由于需要防渗的堤段筑堤土质基本上为粉砂或细砂，渗透性很大。根据《堤防工程设计规范》的要求，防渗体的顶部应高出设计水位0.5 m。

2）土工膜防渗体稳定计算。土工膜防渗体的整体稳定性验算，针对防护层与土工膜之间的抗滑稳定。验算的最危险工况为水位骤降，根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》附录A，等厚防护层透水性良好，安全系数按下式计算：

式中：δ——上垫层土料与土工膜之间的摩擦角；α——土工膜铺放坡脚，21.8°。

经计算，安全系数Fs=1.18大于允许安全系数1.15，所以土工膜防渗体整体稳定

2.6 帷幕连接设计

为使基础形成一个整体的防渗帷幕，首先对迎水堤堤脚外3.0 m进行清基，清基厚度30 cm，基础防渗轴线布置在迎水堤堤脚外3.0 m处，土工膜铺设一端应靠向堤脚一侧，上部需留有不小于3.5 m长的土工膜，在距垂直铺塑1 m处设防滑槽，土工膜埋入0.3×0.4 m的防滑槽内用土压住，以防滑落槽内。土工膜铺设完成后，应及时对堤脚进行压盖处理，压盖总厚度0.8 m。

2.6 防渗效果分析

堤防的垂直防渗效果校核采用达西公式法，大堤的平均水力坡降可用下式计算：

式中：H为设计水头，m，H=5.5m；L为地下轮廓线的虚拟长度，m；L水平为水平渗径，L水平=55.0 m，L垂直=2×基础防渗深度。

各参数数值代入式中得：J=0.19小于允许坡降0.44，采用垂直防渗措施治理后的效果是非常理想的。

3 结论

垂直铺塑防渗技术具有如下特点：

1）开槽机造槽经济适用。开槽机是垂直铺塑防渗技术施工开槽的主要设备，它是根据防渗技术要求和有利于施工两个方面研制的，槽孔的深浅、宽窄可以调节，能够满足不同工程设计要求。机械结构简单，操作方便，施工速度快，造孔经济适用。

2）防渗材料性能好。垂直铺塑防渗技术所采用的防渗材料一般为土工膜。这类材料防渗效果好，其本身渗透系数一般小于10-11～10-12cm/s，柔性好，易于施工，寿命长，在地下良好的保护状态下，其工作寿命至少在50年以上。

3）施工速度快，工程造价低。垂直铺塑防渗技术之所以被广泛应用，一是新型开槽机结构简单，操作方便，施工速度快，造价低；二是防渗材料的单位面积造价经济，且易于施工。