堤防防滲加固中垂直鋪塑截滲技術(shù)的應(yīng)用

廖強(qiáng)

（江西省新干縣河道圩堤維護(hù)服務(wù)中心，江西 新干 331300）

1 工程概況

某堤防興建于20 世紀(jì)70 年代，于20 世紀(jì)90 年代維修加固，主要發(fā)揮著內(nèi)河航運(yùn)及排水入（贛）江的功能。該堤防樁號(hào)0+020～2+950 段堤基土質(zhì)呈明顯砂性，堤防窨潮，存在嚴(yán)重滲漏，必須展開大堤防滲加固。

2 施工方案

2.1 垂直防滲技術(shù)

現(xiàn)有的垂直防滲技術(shù)包括剛性垂直防滲帷幕和柔性垂直防滲帷幕兩種?；诖?，山東省水利科學(xué)院研制出鏈條式和往復(fù)式垂直防滲機(jī)具和垂直鋪塑防滲技術(shù)，集造槽、鋪塑和回填功能于一體，連續(xù)作業(yè)，成墻效率高，廣泛適用于河道堤防、平原水庫(kù)防滲處理。經(jīng)綜合比較分析，最終選擇垂直鋪塑防滲技術(shù)，以增強(qiáng)防滲效果，并保證防滲帷幕的整體性。

2.2 造槽機(jī)械

①往復(fù)式水沖鋸刀鋪塑機(jī)：該機(jī)具主要憑借開槽機(jī)臂桿的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，借助水力或刀具切割破壞土體造槽，同時(shí)通過聯(lián)動(dòng)裝置完成卷簾鋪塑。其對(duì)于粉質(zhì)粘土較為適用，對(duì)于粘性土存在造槽及鋪塑難度。該機(jī)具造槽及鋪塑深度通常達(dá)10～12 m，造槽寬度一般為180～300 mm，施工動(dòng)力通常為100～120 kW。②鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機(jī)：該機(jī)具主要借助鏈條循環(huán)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刮板切割土體造槽，為減薄泥皮厚度，增大泥漿韌性和防滲性，確保槽壁穩(wěn)定，必須將護(hù)壁泥漿容重控制在1.30～1.50 g/cm3范圍內(nèi)。該機(jī)具造槽寬度可達(dá)300 mm，并借助聯(lián)動(dòng)裝置同步卷簾鋪塑；鋪塑深度最大為15 m，對(duì)于不含樹根、雜草、塊石的任何土層均較為適用。但是從槽口移除的土方量較大，所需機(jī)械動(dòng)力為150～180 kW。因該堤防工程地質(zhì)條件復(fù)雜，故選用鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機(jī)。

3 鋪塑截滲施工

3.1 塑膜選材

防水塑膜材料性能是決定垂直鋪塑截滲施工效果的關(guān)鍵因素之一，在選擇防滲塑膜時(shí)必須充分考慮其耐久性、抗?jié)B性，鋪膜施工的便捷性及經(jīng)濟(jì)性。

第一是耐久性。一般情況下塑料薄膜隔水效果及抗變形能力較好，是較為理想的水工防滲材料，但是其使用年限不盡相同。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)水利水電工程中使用較多的是聚乙烯和聚氯乙烯兩種材料，聚乙烯具有更高的抗拉強(qiáng)度、抗老化性能和使用壽命，故該堤防工程防滲加固中主要選用聚乙烯薄膜。

第二是塑膜厚度。塑膜厚度和周圍介質(zhì)顆粒級(jí)配決定著塑膜承受水壓的能力，一般情況下塑膜越厚，周圍介質(zhì)顆粒級(jí)配越好，其抗水壓能力也就越強(qiáng)。如果塑膜厚度過小，很可能因?yàn)樗畨毫ΑC(jī)械拉力等而撕裂，并容易產(chǎn)生局部麻眼，不利于防滲。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB50286-2013》，垂直鋪塑膜厚度應(yīng)根據(jù)其允許拉應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行反推，公式如下：

式中：T—垂直鋪塑膜厚度，mm；E—塑膜彈性模量，kg/cm2；P—塑膜所承受的水壓力，kPa；d—塑膜所接觸砂卵石最大粒徑，mm，結(jié)合該堤防工程地勘報(bào)告，取10 mm；σ—塑膜拉應(yīng)力允許值，kg/cm2。

將以上參數(shù)值代入式（1）得出的塑膜厚度為0.15 mm，滿足規(guī)范所規(guī)定的垂直鋪塑截滲技術(shù)中塑膜厚度應(yīng)在0.10～0.20 mm 范圍內(nèi)的要求。該堤防防滲加固垂直鋪聚乙烯塑膜幅寬10～12.50 m，質(zhì)量200 g/m2，抗拉強(qiáng)度不小于1 kN/cm2，抗撕裂強(qiáng)度和抗?jié)B強(qiáng)度不小于10.08 kN和100 kPa，伸長(zhǎng)率16%，滲透系數(shù)為1×10-11m/s。

3.2 垂直鋪塑

在正式施工前應(yīng)將施工場(chǎng)地內(nèi)電線桿、樹木等全部搬移和清除，按照設(shè)計(jì)要求就位開溝造槽機(jī)，并在就位機(jī)械前方開挖出1條20～30 cm深、25～30 cm寬的引溝?？紤]到該堤防工程堤頂狹窄，施工場(chǎng)地較為狹小，故在施工開始后應(yīng)將道路兩頭封閉，并在堤頂側(cè)備制好回填土料。該堤防工程工況復(fù)雜，且待加固堤防現(xiàn)有穿堤涵洞、取水口、土山洞等既有建筑，對(duì)應(yīng)的堤段均不具備垂直鋪塑施工條件，對(duì)于此類特殊堤段應(yīng)改用水泥漿高壓定噴防滲技術(shù)。沿堤壩方向與堤頂肩相距2.50 m 處開槽軸線，機(jī)械鋪塑插入不透水層1 m左右。

其余正常堤段則使用鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機(jī)造槽，電機(jī)帶動(dòng)曲軸運(yùn)動(dòng)后刀桿便開始上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其上的刮刀會(huì)持續(xù)切割土層；此外，高壓水泵中的壓力水也從刀桿空腔水管噴嘴處噴出，連續(xù)沖切土體，持續(xù)將周圍土體攪拌成泥漿，主要發(fā)揮固壁效果，泥漿持續(xù)不斷流向溝槽后方。開槽深度主要在刀桿長(zhǎng)度既定時(shí)，通過控制刀桿和地面的夾角而進(jìn)行調(diào)整。

緊跟前部溝槽的形成過程，后部鋪塑裝置采用膜桿鋪設(shè)法鋪膜，以保證造槽和鋪膜同步進(jìn)行。設(shè)置在開槽后部的鋪塑裝置無固定牽引環(huán)，中部焊接豎向塑膜固定桿，塑膜捆能繞桿轉(zhuǎn)動(dòng)；將該固定桿插入土工塑膜鋼管后置入溝槽槽底，根據(jù)造槽速度由人工拉動(dòng)牽引繩并轉(zhuǎn)動(dòng)塑膜捆，以使塑膜平鋪于溝槽內(nèi)。

鋪設(shè)完成塑膜后必須及時(shí)回填?；靥顣r(shí)先通過人工方式將粘性土投放進(jìn)溝槽至0.50～1 m高度。此后再借助泥漿淤沉和人工方式投放土料回填，泥漿淤沉量應(yīng)在整個(gè)溝槽回填工程量中占60%左右；回填土內(nèi)不得夾雜塊石和雜質(zhì)，通過羊角碾和人工踩踏相結(jié)合方式回填密實(shí)。見圖1。

圖1 垂直鋪塑器及鋪膜過程圖

4 施工效果檢測(cè)

該堤防在未加固前0+020、1+345、2+280 及2+950 等樁號(hào)處部分堤段滲水嚴(yán)重，下游坡腳低洼區(qū)域常年積水。采用垂直鋪塑截滲技術(shù)加固處理后滲水現(xiàn)象得到改觀，通過對(duì)滲水部位布置測(cè)壓管的觀測(cè)結(jié)果展開分析，對(duì)應(yīng)的截滲效果具體見表1，表中削減水頭通過上下游測(cè)壓管水位差與上下游水位差的比求取。結(jié)合表中測(cè)壓管觀測(cè)資料和結(jié)果，防滲帷幕設(shè)置后上下游水位均驟然下降，表明防滲帷幕削減水頭、延長(zhǎng)滲徑、減小滲水壓力的效果十分顯著，堤防穩(wěn)定性和安全性也明顯提升。

表2 堤防垂直鋪塑截滲效果觀測(cè)表

垂直鋪塑截滲技術(shù)實(shí)施后，除堤防防滲性能明顯提升外，大堤內(nèi)在質(zhì)量也有所改善。結(jié)合造槽情況，堤身內(nèi)部空洞及裂隙被溝槽內(nèi)泥漿充填，起到類似劈裂灌漿的效果，施工前后土體平均質(zhì)量密度從15.14 kg/m3提高至15.58 kg/m3，表明土體密實(shí)度較大提高。

應(yīng)用土石壩二向滲流有限元法展開該堤防滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果顯示，垂直鋪塑截滲技術(shù)實(shí)施前后，出逸點(diǎn)高度從0.80 m降至0 m，堤坡及堤基水力坡降分別從0.40%和0.35%降至0%和0.02%，截滲效果非常顯著。施工結(jié)束3個(gè)月后，在該堤防垂直鋪塑截滲段進(jìn)行了注水試驗(yàn)，所得出的滲透系數(shù)均值為2.60×10-7cm/s，與施工前相比滲透系數(shù)大大降低。

5 結(jié)論

綜上所述，該堤防工程主要通過兼具造槽、鋪塑和回填功能于一體的鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機(jī)開挖出設(shè)計(jì)溝槽后鋪設(shè)聚乙烯土工膜，再回填溝槽，構(gòu)建起土工膜防滲帷幕體系。堤防防滲竣工后運(yùn)行至今已逾2 個(gè)自然年，堤坡再未出現(xiàn)流土、管涌、散滲等現(xiàn)象，防滲效果十分優(yōu)異。