垂直铺塑防渗技术在生态河道工程中的应用

2015-03-25蔡晓凌吴希华

东北水利水电 2015年8期

蔡晓凌，吴希华

（1.辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

1 工程概况

大凌河义县城区段生态河道工程主要内容包括：大凌河1号、2号橡胶坝及人工湖防渗工程。大凌河1号橡胶坝位于锦阜高速铁路桥上游100m处，回水末端到拟建的2号橡胶坝坝下，回水长度为1450m，坝长387.5m。大凌河2号橡胶坝位于北关桥桥下游500m处，回水末端到锦阜铁路桥下，回水长度为1800m，坝长387.5m。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

地质勘察揭露的人工湖地段地层岩性主要为素填土、杂填土、细砂、圆砾、卵石及全风化互层状的粉砂岩、泥岩等。

1）杂填土层厚0.70～7.50m，层底埋深0.70～7.50m。

2）细砂层厚2.20～2.50m，层顶埋深4.00～7.50m。

3）粉质粘土层厚3.20m，层顶埋深5.40m。

4）圆砾层厚1.40～4.30m，层顶埋深0.70～9.70m。

5）卵石层厚1.10～1.50m，层顶埋深5.00～10.00m。

6）全风化互层状粉砂岩、泥岩，揭露厚度2.70～4.40m，层顶埋深4.40～12.40m。

2.2 水文地质条件

勘察人工湖地段稳定水位埋深0.30～8.60m，地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于细砂、圆砾及卵石层中，与河水联系较密切，在河床处地下水与地表水连为一体。地下水主要受大凌河水侧向迳流及大气降水入渗补给，以侧向径流及蒸发形式排泄，地下水位变幅1.0m左右。

3 防渗方案比选

3.1 防渗必要性

根据人工湖蓄满分析，人工湖周边地层主要由圆砾及卵石组成，属强透水，渗漏严重，人工湖仅依靠上游水库弃水的蓄满保证率较低，因此必须进行全截断防渗，减少渗漏损失水量，提高人工湖蓄满保证率。

3.2 防渗方案比较

橡胶坝基础为细砂、圆砾、卵石，需要对主河槽防渗设计，形成人工湖。目前，对人工湖可行的防渗处理的方法主要有水平防渗法和垂直防渗两种方法，垂直防渗包括开挖截渗槽、搅拌桩、板桩、混凝土截渗墙及垂直铺塑法等。由于该工程河段地下水位较高，开挖截渗槽降水比较困难；在砂砾卵石地基条件下采用搅拌桩施工困难且吃浆量较大，工程质量难以控制；板桩和混凝土截渗墙造价较高。经综合分析，仅对垂直铺塑法和水平防渗法进行方案比较。

3.2.1 垂直铺塑技术

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革新，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，在国内水利防渗工程中得到了广泛的应用，形成了比较成熟的技术和经验。与较早的其它防渗技术相比较，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、价格低。垂直铺塑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达到10-11cm/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。

3.2.2 水平防渗法

在基础渗透系数较大、相对不透水层较深的地质条件下，也可采用全断面土工膜的水平防渗方法，土工膜上压盖1.5~2.0m厚砂砾料盖重。该方法常应用在人工湖防渗中，具有如下特点：

1）防渗材料性能好。水平防渗所采用的土工膜防渗材料性能同垂直铺塑。

2）施工技术简单。土工膜铺设技术已经是比较成熟的施工工艺，施工方便。

3.2.3 工程量及投资比较

通过对垂直铺塑法与水平防渗法两种防渗处理方式进行技术经济比较，垂直铺塑方案投资少、施工方便、施工速度快，结合该工程的地质条件和进度计划安排，确定采用垂直铺塑的基础防渗结构形式。

4 垂直铺塑防渗设计

1）垂直铺塑防渗帷幕线布置。采用垂直铺塑防渗技术，在主河槽上沿橡胶坝两侧各设一道垂直防渗体伸入相对不透水层，使每道橡胶坝上游都形成一个全封闭防渗体。在左右岸主河槽部位，帷幕轴线位于护坡防护结构外3.0m。在两座橡胶坝前，帷幕轴线位于铺盖前2.0m，土工膜与铺盖混凝土连接。土工膜上浇筑0.3m厚C20钢筋混凝土护板。垂直铺塑时，部分树木及坑塘会影响到垂直铺塑帷幕轴线的位置，施工时可根据实际情况适当调整帷幕轴线的位置。

2）垂直铺塑防渗帷幕长度。根据地质条件，橡胶坝前及其回水长度内两岸均需要进行防渗，总防渗长度8290m，其中左岸长3600m，右岸长3010m，每座橡胶坝前长840m。

3）垂直铺塑深度。帷幕深度4.70～12.70m，下部入基岩0.3m。

4）土工膜防渗材料选择。目前，土工合成材料逐渐形成了功能齐全的系列产品和相应工艺技术。在防渗工程上，应用较多的土工膜，无论是在物性、水力特性和环境特性上都经过了许多大小工程的考验，应用二十多年后取样检测性能优良。土工膜现已广泛应用于岩土工程的各个领域，不同的工程对材料有不同的功能要求，并以此选择不同类型和不同种类的土工膜。土工膜的一般性能包括物理、力学、化学、热学和耐久性等。在工程应用中更重视其防水（渗透性及透气性）、抗变形的能力及耐久性。大量工程实践证明，土工膜有很好的防水性，有很好的弹性和适应变形的能力，能承受不同的施工条件和工作应力，有良好的耐老化能力，处于水下、土中的土工膜的耐久性更为突出。总之，可以认为土工膜具有十分突出的防渗性能。

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，采用LDPE低密聚乙烯复合土工膜作为防渗层，截断地下水流，土工膜厚度采用0.5mm。

5 工程实施

1）成槽设备选择。垂直铺塑成槽设备包括两大类，第一类是链槽机和锯槽机。链槽机是通过链条循环运动带动几排刮刀切割土体成槽；锯槽机是靠开槽机杆臂的往复运动，利用水力冲割和刀具切割破坏土体成槽。两者共同特点是沿轴线对称铺设两条钢轨，轨道上安装开槽机，泥浆固壁，通过联动装置卷帘铺塑，开槽与铺设同步作业，适用于粉土、粉质粘土及粉细砂等地层，铺塑深度一般10~15m，槽宽18~30cm。第二类是液压式抓斗开槽机和机械抓斗开槽机。液压式抓斗开槽机是通过液压动力源为液压缸提供动力，从而驱动左右两个组合斗的开合在地基上挖槽；机械抓斗开槽机一般靠绳索驱动抓斗开合完成在地基上挖槽。两者共同特点是不需铺设钢轨，适用于粉土、粉质粘土、粉细砂及卵砾石等地层，成槽深度可达数十米至上百米，槽宽视需要。该工程地层中含有圆砾、卵石，不适用于链槽机和锯槽机等第一类成槽设备，故选择了液压式抓斗开槽机。

2）槽口导向墙及开槽施工。沿帷幕线两侧分别浇筑C15混凝土槽口导向墙，墙宽50cm，高50 cm。待导向墙强度达到要求后，采用液压式抓斗开槽机挖槽，槽宽40cm。

3）铺塑施工。前面开槽机成槽后，土工布按一定方式集卷后移至槽边，拉出一端与铺设工具人工连接，徐徐送入槽内，并不断将土工布展开送至槽底；同时，土工布上的袋子用砂土填充，将土工布固定在槽内。土工膜采用搭接方式，搭接宽度不小于1.0m。土工膜铺入槽内后，及时进行膜两侧填土，并在槽底回填粘土，厚度为1.0m，粘土要求粘粒含量35%，塑性指数15，含水量不大于塑限。

4）压顶施工。铺塑施工完成后，主河槽两侧帷幕上部采用1.2m宽0.5m厚C20混凝土压顶。回填混凝土压顶，目的是密封，以防止水从下部绕渗，待土工膜出槽后，将其与建筑物防渗体系连接，不得外露。在与建筑物连接处，土工膜应留有足够的富裕，以防建筑物变形时拉断土工膜。在两座橡胶坝前，帷幕轴线位于铺盖前2.0m，土工膜与铺盖混凝土粘接。土工膜上覆0.1m厚中粗砂垫层，其上浇筑0.3m厚C20钢筋混凝土护板。