露天煤矿截水帷幕防渗膜垂向隐蔽铺设施工工艺

2020-08-19李文嵩党亚堃朱明诚

煤田地质与勘探 2020年4期

李文嵩，党亚堃，朱明诚，高雅

(1.国家能源集团大雁公司，内蒙古呼伦贝尔 021122；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077)

HDPE 土工膜全称“高密度聚乙烯土工膜”，是以一种结晶度高、非极性的热塑性树脂为原料生产的防水阻隔材料。该土工膜具有强度高、抗老化、抗低温、耐腐蚀、寿命长等特点。因其造价低廉、易于运输，且防渗性优秀，现今广泛应用于水利水电工程、铁路隧道工程、建筑工程及垃圾填埋场中的截渗环节[1-2]。实际使用中，土工膜取得了良好的经济效益及社会效益。

HDPE 土工膜(以下简称“防渗膜”)已在其他防渗领域中得到广泛应用。袁满洪[3]、潘绍财等[4]提出垂直铺塑技术在水利基础工程中的抗渗应用，介绍了其优点及施工控制要点等，一般应用深度在1～15 m，地下水位保持在2～6 m 以下；张德友[5]介绍防渗膜帷幕在堤防加固中的应用，并完整介绍了其施工流程；姚有朝等[6]将垂直防渗帷幕应用于卫生填埋场中，适宜深度在16 m 以内。在煤矿截水领域，张雁[7]提出采用地下防渗墙对补给通道进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工程的新方法与新思路；赵春虎等[8]提出帷幕墙阻水减渗是矿区强富水强补给含水层水资源保护性开采的一种有效手段。根据以往研究成果可知，在露天煤矿利用防渗膜垂向隐蔽铺设进行截水减排具有可行性。

目前，防渗膜多采用平面或斜面铺设，利用焊接技术实现膜与膜之间的连接；在水利工程中利用垂直铺塑技术实现地下防渗。但在煤矿截渗减排中，尚无防渗膜垂向铺设技术应用范例，原因有以下几点：①煤层赋存深度往往较大，将防渗膜垂直铺设至槽段底部，且保证膜在下放过程中无褶皱、无弯曲、无破损，难度较大；② 铺设过程为隐蔽铺设，较难检验每幅防渗膜是否保持完整性且顺利下放至槽段底部；③防渗膜帷幕墙由较多组防渗膜组成，膜与膜之间的无缝连接是防渗的关键，需要检验其截水效果；④ 防渗膜铺设完成后，需确定槽段内采取的回填方式及回填材料选择。

在我国某露天煤矿采坑外围建设的截水帷幕中，地下帷幕墙起到为煤矿截渗减排、封堵过水通道的作用[9]，对防渗性要求较高，对承压能力要求略低。因此，防渗膜帷幕墙比起传统钢筋笼加混凝土浇筑工艺的地下连续墙，突出其防渗性强的优点，减少不必要的抗压性能，极大减少成本，降低施工难度，提高施工效率。基于此，本文重点介绍防渗膜垂向隐蔽铺设过程和工艺，提出防渗膜垂向铺设难点的解决方案，并根据围井试验检验其防渗效果，分析该工艺推广应用的可行性；以期为防渗膜在露天煤矿帷幕防治水工程中的应用提供参考。

1 工程概况

某露天煤矿位于我国东北部草原区，煤层赋存稳定，开采过程中，矿坑疏排水量大，通过水文地质勘探得知矿坑涌水主要为北侧河流通过砾石层沿煤层隐伏露头补给，动态补给量约为疏排水总量的82%。

经一系列勘探、论证及分析，为控制含水层对煤矿开采及边坡稳定性的影响，减少对地下水资源的破坏，在原有疏干孔不足以满足矿坑排水的情况下，该露天煤矿拟建设地下帷幕墙，对地下水渗水通道进行帷幕截流，达到减少矿坑疏排水量、实现矿坑安全生产、生态环保等多重目标，保障露天矿安全高效开采。

地下帷幕墙是使用挖槽机械，在地下开挖一条狭长深槽，成槽后进行灌注充填形成的连续墙体，多用于截水、防渗、承重工程。目前国内外地下截水帷幕墙主要有混凝土地下连续墙、高压及超高压射流注浆地下连续墙、桩基地下连续墙、注浆帷幕等。本项目经多次试验，最终采用防渗膜垂向隐蔽铺设与水泥-粉煤灰混合浆液注浆回填的施工工艺，构筑截水帷幕墙。

2 防渗膜垂向隐蔽铺设技术

2.1 防渗膜参数与规格

防渗膜进场前，先对其进行检测[10-11]。待合格证等出厂材料齐全且抽检合格后，方可投入使用。防渗膜检测指标见表1。

表1 防渗膜主要参数Table 1 Main parameters of anti-seepage membrane

2.2 铺设机具研制

张立新等[12]提出，防渗膜垂向铺设方式主要有2 种，①薄膜杆法，将防渗膜卷在一根薄膜杆上，通过牵引使之跟随开槽机械向前运动，防渗膜即可展铺在槽孔中；② 直铺法，将防渗膜以较小宽度直接沉入槽孔中。2 种方式的槽孔深度一般控制在16 m 以内。

由于本次帷幕墙深度最大约56 m，用上述2 种方式难以保证防渗膜的铺设质量，因此，针对深度较大的防渗膜铺设，研制了铺膜机具，如图1 所示。该装置由分离滚筒、支架、电机、操控台等组成，其中电机位于操控台右下侧，图中被分离滚筒挡住未标出。分离滚筒用于控制防渗膜的下放幅度，保证防渗膜的平整；支架用于支撑防渗膜下放；电机用于控制防渗膜上升及下放的速率；操控台用于进行人为控制。

图1 防渗膜垂向铺设装置Fig.1 Vertical laying device for anti-seepage membrane

2.3 配重设计

防渗膜下放时，因槽段底部泥浆比重较大，防渗膜质量较小，难以下放至底部，因此，需配重辅助膜的下放；同时，配重还可将防渗膜拉展、减少膜的褶皱等。

配重需兼顾成本低、易制作、质量大等特性，经分析对比，选用混凝土制作配重。将混凝土倒入特制模具中，上面插入木龙骨用以连接膜与配重，待混凝土凝固后，便可投入使用，配重制作及剖面如图2 所示。

图2 防渗膜配重剖面Fig.2 Profile of counterweight of anti-seepage membrane

2.4 铺设过程

待成槽后，利用吊车将卷有防渗膜的铺设装置摆在槽段边缘，用螺栓将配重与防渗膜连接在一起，一幅宽8 m 的膜需要5～6 个配重。配重安装完成后，便可启动铺膜装置进行防渗膜垂向铺设。待配重抵达槽段底部时，将防渗膜上端用钢筋固定至槽段边缘，便完成该槽段的防渗膜铺设。防渗膜帷幕墙施工过程如图3 所示。

图3 防渗膜地下帷幕墙施工流程(据文献[14]修改)Fig.3 Construction flowchart of anti-seepage membrane underground water cutoff curtain wall

铺设过程中需要注意，该工艺为大深度垂向隐蔽铺设，部分槽段深度超过50 m，施工人员需拉展防渗膜，时刻保证膜的平整及垂直；在铺膜过程中严禁吸烟，使用火柴、打火机或化学溶剂类似的物品[13]，防止将膜破坏，降低帷幕墙截水效果。

3 叠覆连接与注浆回填技术

由于工艺限制，地下帷幕墙必须分幅施工，否则会有槽孔坍塌等风险。因此，防渗膜的叠覆连接也分为2 种类型，一是在同一槽段内铺设的防渗膜进行叠覆，二是对不同槽段间连接的防渗膜进行叠覆。

3.1 同一槽段内连接

同一槽段内防渗膜的叠覆连接如图4 所示，第1幅膜铺设完成后，第2 幅膜与第1 幅重叠1.5 m 后铺设，第3 幅膜再与第2 幅重叠1.5 m 铺设即可。

3.2 不同槽段间连接

图4 同一槽段内叠覆连接示意Fig.4 Schematic diagram of overlapping connections in the same groove section

不同槽段间易产生接缝，接缝处往往为渗水频发区[15]，因此，本次采用接头箱工艺进行不同槽段处的连接。接头箱断面长0.53 m，宽0.5 m，整体高9 m。深槽中将某一接头箱底部与另一接头箱头部进行连接，插入销子固定，以此类推，直到将接头箱整体下放至槽段底部，且顶部露出槽段。如此可将相邻2 幅槽段隔开，不仅解决了不同槽段间防渗膜的搭接难题，且实现了注浆回填后不同槽段间的无接缝连接。接头箱结构如图5 所示。

图5 接头箱结构及其剖面Fig.5 Structure and cross-section of connection boxes

接头箱连接原理如图6 所示。在已完成防渗膜铺设槽段A 的一侧端头垂直下入接头箱，完成槽段A 注浆回填后开挖相邻槽段B，开挖完成后，利用液压顶升架将接头箱顶出槽段(需保证槽段A 内的浆液固结)，之后在B 槽段靠内侧铺设防渗膜，并与A 槽段叠覆1 m。然后在B 槽段另一端头下放接头箱，并注入浆液，待其固结后将接头箱顶拔出槽段，以此类推，最终完成防渗膜帷幕墙施工。

图6 接头箱连接槽段施工示意Fig.6 Schematic diagram of connection between connection boxes and deep groove

接头箱工艺有效解决了不同槽段间防渗膜搭接的难题，不仅使单幅防渗膜帷幕墙连接成整体，更有铺设效率高、易控制、使槽段间无接缝等优点。

3.3 注浆回填技术

防渗膜铺设完成并固定于地面后，槽段内其余部分需进行充填。若使用原状土回填，具有以下几个缺点：①原状土为泥浆、水、砂、砾石等混合物，需晾晒后方可回填，工序复杂，耗时长；② 无法保证回填密实，有塌陷风险；③原状土回填会污染泥浆，导致泥浆质量变差，不易回收重复利用。

为解决上述问题，采用槽底注浆工艺进行回填。根据槽段长度不同，下放注浆管数量不一样，槽段长为3、7、14、21 m 时，分别采用注浆管数量为1、1、2、3 根。注浆回填材料采用高掺量粉煤灰-水泥混合浆液，粉煤灰与水泥的质量比为4︰1，混合浆液密度约为1.5 g/cm3，利用混合浆液密度大于槽内泥浆的原理置换泥浆，达到充填槽段的目的[16]。施工时通过注浆泵向槽底输送混合浆液，待泥浆缓慢上升，用地面泵将泥浆抽入循环浆池，重复利用，直到水泥-粉煤灰混合浆液升至槽段顶部，即可停止注浆，待浆液凝结便完成防渗膜帷幕墙建设。在注浆回填过程中，对每幅槽段回填浆液进行自检取样，按规范进行水养，待试块到达龄期后进行抗压抗渗测试。经测试结果统计，注浆回填浆液平均抗压强度约为3.0 MPa，抗渗等级为P3，远大于原状土的抗压和抗渗等级。

注浆回填技术不仅能保证将防渗膜压实至槽段一侧，起到固定防渗膜作用，且粉煤灰-水泥混合浆液固结后具有良好抗渗性，与防渗膜起到截水的“双保险”作用。

4 防渗膜截渗效果验证

为检验防渗膜叠覆铺设接头的截水质量，采用围井抽水试验方式进行检验。帷幕轴线上单幅长8 m，外侧单幅长7 m，围井两侧单幅长4 m，铺设U 型防渗膜叠覆1 m，深度均为46 m。围井施工完成后，在围井中心施工抽水井。现场围井试验施工如图7 所示，其中抽水泵采用额定流量8 m3/h、扬程50 m 规格，下泵深度为44 m。

图7 围井设计Fig.7 Design of surrounding well

抽水试验采用定流量定降深抽水方式，共获取3 组稳定降深与抽水量数据，见表2。

表2 抽水试验数据Table 2 Pumping test data

根据水均衡原理与达西定律Q=KAJ，得到：

式中：K为渗透系数，m/s；Q为抽水稳定流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；L为围井四边周长，m，取16.0 m；h为过水段高度，m，取20.4 m；J为墙内外水力坡度，无量纲；M为墙体平均厚度，m，本次取M=0.6 m；ΔH为墙内外水头差，m，即抽水孔稳定降深。

将3 组数据代入式(1)中，得到K1=8.5×10-7cm/s，K2=7.3×10-7cm/s，K3=1.0×10-6cm/s。取平均值，得到墙体渗透系数K=8.6×10-7cm/s。根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中渗透系数K值分类，可知防渗膜围井墙体的渗透性级别为极微透水。