浅谈堤防防渗技术及设计

张文杰

（安徽水安建设集团股份有限公司 合肥 230601）

1 常用堤防防渗加固技术原理与特点

1.1 机械垂直铺膜原理与特点

机械开槽垂直铺膜防渗是20 世纪80年代中期开始研究试验，90年代初发展起来的防渗技术。其工艺原理是利用开沟造槽铺塑机，在坝体（基）内开出一定宽度和深度的连续沟槽，同步在沟槽内铺设聚乙烯塑膜并回填符合设计要求的土料，经过土料的湿陷固结形成以塑膜为主要幕体材料的防渗帷幕。此技术目前在水库大坝、河道堤防防渗工程中得到比较广泛的应用。

1.2 水泥土防渗墙工作原理与特点

水泥土固化机理：水泥搅拌土的固化主要是通过水泥和土的物理化学变化来实现的。土体中喷入水泥浆再经搅拌拌和后，水泥和土的固化过程有以下物化反应：（1）水泥的水解和水化反应；（2）离子交换和团粒化作用；（3）硬凝作用；（4）碳酸化作用。水化反应减少了土体中的含水量，增加颗粒之间的粘结力；离子交换与团粒化作用可以使颗粒形成坚固的联合体；硬凝作用能增加水泥土的强度和足够的水稳定性；碳酸化作用还能进一步提高水泥土的强度。水泥土的物化反应增加了固结体强度和结构致密，从而使其具有足够的水稳性和抗渗性。

多头小直径搅喷式水泥土防渗墙施工技术，是近几年来发展起来的一项新的防渗墙施工工艺技术。其主要原理是：在移动桩架上设置有五根（或以上）搅拌轴，通过动力转动搅拌轴对土体进行搅拌、切削，同时对三根轴（或以上）提供水泥浆液，对两轴（或以上）提供压缩空气，五轴间同时相对转动掘搅、切削、供浆、供气，三维作业，将地层土体与水泥浆液混合，搅拌成均匀的水泥土体，形成地下连续防渗墙。

1.3 灌浆工作原理与特点

灌浆技术是利用压力将固结的浆液通过钻孔注入土体或岩石空隙中，使其物理力学性能获得改善的一种有效的防渗方法。比较常用的浆液有水泥粘土浆、水泥浆、水泥-水玻璃浆。目前运用较多的是水泥粘土浆形成的防渗帷幕灌浆。

灌浆技术分为：锥探灌浆防渗技术、劈裂灌浆防渗技术、帷幕灌浆防渗技术、袖阀灌浆技术。

1.4 高压喷射工作原理与特点

先利用钻机引孔至设计深度后，将喷具下至设计深度，通过高压浆液切割造槽，控制旋转速度、喷嘴摆角及提升速度，经过高压浆液切割、搅拌、升扬置换等作用，利用水泥浆液充填槽孔，形成水泥土固结体防渗墙。高压喷射形式上分为：定喷、摆喷、旋喷；注浆方法分为：单管法、双管法、三管法和双高压等。

1.5 地下连续墙工作原理与特点

地下连续墙是在地面上利用特制的成槽机械，沿着开挖工程的周边（例如地下结构的边墙），在泥浆（又称稳定液，如膨润土泥浆）护壁的情况下进行开挖，形成一定长度的沟槽，再将制作好的钢筋笼放入槽段内，采用导管法进行水下混凝土浇注，形成一个单元的墙段，各墙段之间采用特定的接头方式（如用接头管或接头箱做成的接头）相互连接，形成一道连续的地下钢筋混凝土墙。

1.6 防渗技术的适用范围及优缺点

机械垂直铺膜：优点是防渗效果显著，施工技术可靠，施工质量易控制，刮板式机械能适应不同土质的施工要求，工效高、进度快，每台机械一昼夜铺膜400～600m2，且造价较低。缺点是工艺要求高，遇块石和疏松堤段槽壁坍塌时易造成难工，遇松散堤防沉陷、变形大，最大成槽深度13.0m左右，对防渗深度大于13m 的还不能完全满足工程的需要，目前应用逐渐减少。

表1 常用堤防防渗加固技术的比较表

高压喷射防渗墙：优点是施工技术及工艺成熟、可适应于各类复杂地层，直接形成较深的防渗帷幕，防渗效果好；机具体积小，布置灵活，场地适应性强。缺点是工效相对较低，材料消耗量大，造价高。

多头小直径深层搅拌桩：优点是墙体均匀密实、延续性、整体性、抗渗性好，加固最大深度可达28m，工效较高，价格较适中。缺点是设备体积及自重大，对场地有一定要求。

地下连续墙：优点是墙体均匀，整体性好，能适应各种地层条件。缺点是造价高，作业面要求高，弃土和废浆需处置。

2 防渗墙体设计

2.1 防渗墙深度设计

防渗墙的嵌固深度要求是当基坑底土层为砂石土或砂土、基坑内排水且作用有渗流水压力时，防渗结构嵌固深度需满足坑内土体不发生管涌的抗渗稳定条件，抗管涌计算示意图如图1。

图1 抗管涌计算示意图

目前，国内在设计防渗结构方面的代表性规程有《建筑基坑支护技术规程》《上海市基坑工程设计规程》《广东省建筑基坑支护工程技术规程》。

《建筑基坑支护技术规程》中防渗墙深度计算采用公式：

式中：β—抗渗稳定系数，取1.2；γ0—工程重要性系数。

《上海市基坑工程设计规程》中防渗墙深度计算采用公式：

式中：Ks—抗渗流或抗管涌稳定性安全系数，取1.5～2.0；基坑底部为砂性土、砂质粉土或粉性土中有明显薄层粉砂夹层时取大值；ic—极限平均水力坡度，ic=γ’/γw=（Gs-1）/（1+e）；i—均水力坡度，i=hw/L=hw/（∑Lh+m ∑LV），γ’—透路径上土的加权有效重度；γw—地下水的重度；hw—支护结构两侧水头差；L—最短渗径流线总长度；∑Lh—渗径水平段总长度；∑LV—渗径水平段总长度；m—渗径垂直段换算成水平段的换算系数，单排帷幕墙时，取m=1.5，多排帷幕墙时，取m=2.0。

《广东省建筑基坑支护工程技术规程》中防渗墙深度计算采用公式：

式中：K—抗管涌稳定性安全系数（≥1.5）；h′—基坑外侧地下水至基坑底的距离；D—支护结构嵌入深度；γ0—工程重要性系数；γ′—渗透路径上土的加权有效重度；γw—地下水的重度。

以上所列规程在国内基坑防渗设计方面具有一定的代表性，但只有《上海市基坑工程设计规程》明确了最短渗径流线总长度的概念，其余规范均基于垂直开挖的基坑工程防渗深度设计，其对于超大型水工、航运建筑物基坑内侧放坡，同时设置降水井的外侧防渗深度设计趋于保守，存在一定的局限性。因此在江苏沿江地区基坑防渗深度设计建议采用上海地区规程较为合适。基坑降水剖面图如图2。

图2 基坑降水剖面图

2.2 防渗墙厚度设计

防渗体系墙体的厚度由构成墙体材料的允许水力坡度和墙体内外侧水头高度决定。墙体厚度计算公式：

式中：△H—墙体两侧水头差；［J］—水泥土允许比降；ηj—系数，可取1.1～1.4；允许水力坡降［J］的取值取决于构成墙体的物质特性。

3 结语

目前在防渗结构材料的研究中，对于混凝土防渗结构的允许水力坡降研究比较深入和透彻，对于水泥土防渗墙允许水力坡降的研究仍显不足。堤防防渗的形式比较多，应根据不同的土层选择适宜的工艺■