水利防滲膜及減壓系統(tǒng)在人工濕地中的應(yīng)用

劉 聰，方 昊

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 前言

復(fù)合土工膜作為一種常用防滲材料，在河渠池湖中應(yīng)用廣泛，常用的型式包括PE(聚乙烯)復(fù)合土工膜、HDPE(高密度聚乙烯)復(fù)合土工膜等[1]。水池等采用土工膜形成封閉水平防滲，而區(qū)域地下水位變化頻繁時，由于土工膜滲透性極低(k<10-11cm/s)，地下水位漲落產(chǎn)生的氣泡和浮力會對水平防滲膜產(chǎn)生頂托作用[2]，從而造成膜底不均勻變形，造成鼓包或局部破裂[3]，甚至使防滲系統(tǒng)失效。

人工濕地屬于市政環(huán)境工程，防滲設(shè)計多參照規(guī)范CJJ 113—2007《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[4]。而復(fù)合土工膜在水利領(lǐng)域已長期廣泛應(yīng)用于水庫、渠道、河湖治理[5]，其相應(yīng)土工膜防滲應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可對人工濕地設(shè)計提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

某人工濕地位于江蘇省淮安市，為工業(yè)園區(qū)污水廠尾水凈化濕地，設(shè)計凈化處理能力20000t/d，總占地面積106畝(面積70618m2)。濕地工藝布置曝氣調(diào)節(jié)塘1座(面積7642m2)、應(yīng)急塘1座(面積3819m2)、高效微生物濾池2座(處理能力共20000m3/d)、高效除磷表面流濕地1座(面積23168m2)。前置的曝氣調(diào)節(jié)塘、應(yīng)急塘直接存放未經(jīng)加強(qiáng)處理的污水廠尾水，采用復(fù)合土工膜進(jìn)行水平防滲。為應(yīng)對可能出現(xiàn)的進(jìn)水水質(zhì)超標(biāo)，應(yīng)急塘常貯水位較淺，以預(yù)留容積，其防滲膜上浮變形危險性在所有水池中最嚴(yán)重，本文以應(yīng)急塘為例做設(shè)計與分析。

1.2 地質(zhì)情況

場地在地貌上屬徐淮黃泛平原區(qū)，沖積扇三角洲地貌單元，第四紀(jì)覆蓋層主要由砂質(zhì)粉土及粘性土組成，擬建場地以農(nóng)田為主。地勘鉆孔揭示土層分布情況如下：

(1)1-1素填土：雜色，松散，濕，以粉性土為主，局部段為雜填，夾雜有碎石，表層含生活垃圾，土質(zhì)不均勻。中等透水，場地普遍分布。

(2)2-1粉質(zhì)黏土：淺灰色，軟塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，該層夾薄層粉土。弱透水，場局部分布。

(3)2-2砂質(zhì)粉土：淺灰色，稍密～中密，濕度大，搖震反應(yīng)迅速，干強(qiáng)度低，韌性低，局部夾有軟塑狀粉質(zhì)粘土，土質(zhì)不均勻，中等透水，該層沿線局部缺失。

(4)2-3粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑，切面稍光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部含有砂質(zhì)粉土，土質(zhì)不均勻，弱透水，該層沿線均有分布。

(5)2-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰黑色，流塑～軟塑，稍有腐臭味，干強(qiáng)度韌性中等。極微透水，場區(qū)局部缺失。

(6)3-1含砂姜粘土：灰黃色，硬塑，局部夾薄層粉砂，含砂姜約占5%～10%，粒徑約5～30mm，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。微透水，場區(qū)普遍分布。該層未揭穿。

應(yīng)急塘為下挖式水池，自然放坡，挖深范圍內(nèi)土層為1-1素填土、2-2砂質(zhì)粉土，下臥土層為2-3粉質(zhì)黏土、2-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

1.3 地下水情況

場地勘察深度內(nèi)地下水為松散土類潛水中的孔隙水，潛水中的孔隙水賦存于1-1層填土和2-1層粉質(zhì)黏土及2-2層砂質(zhì)粉土中。

根據(jù)搜集到的資料，季橋鎮(zhèn)歷史最高潛水位為地面下0.50m，潛水位年變化幅度一般為2m左右。據(jù)調(diào)查，近年最高水位埋深為地面下0.50m。地下水位季節(jié)性變化顯著，一般在雨季到來之前的5月下旬—6月上旬達(dá)到最低點(diǎn)，6月中旬以后隨著雨季的到來，水位開始回升，至7—9月份降雨高峰季節(jié)孔隙水位到達(dá)高點(diǎn)，此時水位埋深最高可達(dá)1m以內(nèi)。

根據(jù)地勘建議，建筑物抗浮設(shè)計水位按室外設(shè)計地坪以下0.5m考慮。

1.4 風(fēng)險分析

(1)地下水位變動活躍帶來的抗浮風(fēng)險。防滲膜抗浮穩(wěn)定最不利水池為應(yīng)急塘，面積約3819m2。根據(jù)濕地工藝布置，場區(qū)設(shè)計地面高程7.20m，應(yīng)急塘塘底高程3.50m，塘內(nèi)常貯水位4.50m，以預(yù)留事故備用容積?？垢≡O(shè)計地下水位最高可至6.70m，最低4.70m，即當(dāng)?shù)赜昙緯r期，隨地下水位上漲，最大將會對塘底防滲膜產(chǎn)生2.20m凈水頭差浮力。

(2)場地土質(zhì)情況的不均勻性。濕地水塘在現(xiàn)場開挖期間，發(fā)現(xiàn)表層地基中有大量垃圾埋藏。據(jù)與當(dāng)?shù)毓芾聿块T核實(shí)，本區(qū)域數(shù)年前曾被實(shí)際作為非法垃圾填埋場地，后期未經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)。

地下水位漲落及地基土質(zhì)的不均勻容易在防滲膜底產(chǎn)生氣泡并伴有較強(qiáng)的浮力，使復(fù)合土工膜產(chǎn)生變形破壞風(fēng)險。

2 防滲膜及排水減壓系統(tǒng)

2.1 防滲及防沖設(shè)計

應(yīng)急塘采用水平防滲，防滲材料選用復(fù)合土工膜，防滲材料設(shè)置相應(yīng)支持層及保護(hù)層。具體做法參照水利防滲膜及渠道防滲規(guī)范，如圖1所示。

圖1 復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)及集水井

(1)支持層設(shè)計：塘底原狀素土夯實(shí)，再鋪設(shè)200mm厚粗砂墊層，上鋪土工布1道；

(2)復(fù)合土工膜防滲層：防滲材料復(fù)合土工膜采用兩布一膜結(jié)構(gòu)ABA型，其中基布A為2層無紡布，膜B為光面高密度聚乙烯(HDPE)膜，厚度不小于1.0mm。復(fù)合土工膜上下設(shè)置過渡層，均采用50mm厚砂漿墊層；

(3)保護(hù)層設(shè)計：保護(hù)層采用黏土壓實(shí)，厚度600mm，同時為增加膜上配重，再增設(shè)600mm厚卵石覆蓋層。

2.2 排水降壓系統(tǒng)

根據(jù)SL/T 231—98《聚乙烯土工膜防滲設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)水面寬度大于10m、水深大于2m時，應(yīng)采取減壓系統(tǒng)，可采用的型式包括：砂卵石連續(xù)排水層、間距小于3m的排水集水管道、排氣管(有高壓時用)、排水排氣系統(tǒng)，如圖2所示。本工程膜下采用排水排氣系統(tǒng)，設(shè)計原則為“網(wǎng)狀覆蓋、集中釋放”。

圖2 膜下排水降壓系統(tǒng)布置

根據(jù)應(yīng)急塘平面形狀，采用縱橫狀集水排氣系統(tǒng)，全覆蓋塘底及坡面防滲層。塘底防滲膜下200mm粗砂支持層中，設(shè)置縱橫矩形塑料盲溝作為集水排氣媒介?？v向盲溝間距10m布置1道，范圍覆蓋；橫向盲溝在塘底及塘口各環(huán)形布置1道。矩形塑料盲溝尺寸300mm×200mm，中空部分160mm×73mm，外包土工布1道。

塘底環(huán)形橫向盲溝均布設(shè)置2座點(diǎn)狀集水井，當(dāng)出現(xiàn)塘內(nèi)水位過低或無水時，應(yīng)采用備用泵從盲溝集水井中抽水，保證集水井中水位低于塘內(nèi)水位。

2.3 抗浮計算

防滲膜上壓重大于膜下浮力，并預(yù)留一定的安全裕度，抗浮系數(shù)k取1.05?？垢∮嬎愎剑?/p>

k·ρwΔh=∑ρsihi+ρwhw

(1)

式中，ρs、ρw—土體、水容重，kN/m3；Δh—浮力水頭差，m；hw—塘內(nèi)水深，m。根據(jù)抗浮穩(wěn)定要求，如不采取其他措施，當(dāng)雨季地下水位上漲至6.70m時，應(yīng)急塘內(nèi)至少需貯水2.1m深。

2.4 集水井排水量計算

排水排氣系統(tǒng)抽排水量可參照基坑降水公式計算，水塘面積3819m2，集水井及導(dǎo)水盲溝組成潛水非完整降水井，井點(diǎn)數(shù)量為2?；涌傆克縌及降水井單井設(shè)計流量計算公式為：

(2)

(3)

式中，H—潛水含水層厚度，m；h—降水后水位線高度，m；l—過濾器進(jìn)水部分長度，m；R—降水影響半徑，m；r0—基坑等效半徑，m。

為滿足抗隆起要求，至少需將應(yīng)急塘位置地下水位降至與塘內(nèi)常水位齊平，根據(jù)計算基坑總涌水量為14.62m3/d。為保證水池防滲膜下降水效果均勻，設(shè)置2座降水井對稱均勻布置，相應(yīng)單井設(shè)計流量為8.0m3/d。

3 基于PLAXIS的膜下減壓效果模擬

3.1 有限元模型的建立

PLAXIS程序是目前廣泛采用的巖土有限元模擬軟件，本次設(shè)計基于PLAXIS平臺對人工濕地防滲膜下系統(tǒng)進(jìn)行地下滲流模擬[6]，從而分析減壓效果。

本次有限元計算采用平面應(yīng)變十五節(jié)點(diǎn)模型，水平、豎向分別對應(yīng)模型X、Y向，滲流條件打開xmax、xmin、ymax邊界，關(guān)閉ymin邊界。防滲膜及膜上保護(hù)層防滲黏土設(shè)置極小滲透系數(shù)(k<10-9cm/s)，膜下粗砂為強(qiáng)透水，其余土層根據(jù)地勘資料取值，土體采用可排水的摩爾-庫倫本構(gòu)模型[7]。降壓集水井采用井單元模擬，設(shè)置行為類型為地下水抽取，單井抽水流量8.0m3/d，模型計算參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

3.2 模型計算結(jié)果

分3種工況計算對比分析膜下排水減壓系統(tǒng)的作用：3種工況均為高地下水位抗浮不利工況，工況一為原始條件工況，工況二為膜下不設(shè)盲溝+砂墊層的啟泵降壓工況，工況三為膜下設(shè)集水盲溝+砂墊層的啟泵降壓工況，見表2。如圖3—5所示為3種工況的孔隙水壓力云圖。

表2 計算工況表

圖3 工況一：高地下靜水位工況孔隙水壓力云圖

對比圖3—5，可以直觀發(fā)現(xiàn)啟動抽水泵可以有效減小防滲膜下的孔隙水壓力；對比圖4—5，可以發(fā)現(xiàn)防滲膜下集水盲溝+砂墊層的設(shè)置，對于緩解孔隙水壓力的分布均勻性具有明顯效果，究其原因，抽水行為在強(qiáng)透水的集水墊層中形成的負(fù)壓作用均勻分布，周邊土體可通過更大的接觸面實(shí)現(xiàn)地下水的通暢流動。為了避免應(yīng)力不均導(dǎo)致膜體差異變形從而產(chǎn)生破壞，集水井及盲溝+粗砂墊層共同組成膜下降壓系統(tǒng)是有效且有必要的。

圖4 工況二：膜下無盲溝+砂墊層，啟泵抽水工況孔隙水壓力云圖

圖5 工況三：膜下有盲溝+砂墊層，啟泵抽水工況孔隙水壓力云圖

以3m間距均勻取坡面、坡腳、塘底的防滲膜下節(jié)點(diǎn)，繪制孔隙水壓力曲線如圖6所示，可以得出，設(shè)置集水井+粗砂墊層組成的膜下排水降壓系統(tǒng)以后，可以減小防滲膜受到的孔隙水壓力平均36.9kPa，減小總頂托力約2434.73kN，有效提高了防滲膜的抗浮安全。

圖6 防滲膜下孔隙水壓力沿線分布圖

4 結(jié)語

參照水利渠道復(fù)合土工防滲膜相關(guān)做法，應(yīng)用于人工濕地塘底設(shè)計，對于復(fù)合土工膜與膜下盲溝粗砂墊層+集水井組成的排水降壓系統(tǒng)，經(jīng)過PLAXIS有限元軟件驗(yàn)算，可知其可有效且均勻的緩解高地下水位對防滲膜底產(chǎn)生的孔隙水浮托力。證明該種設(shè)計做法對于人工濕地的復(fù)合土工膜防滲處理方式是合理可行的，為以后的人工濕地防滲設(shè)計提供了參考借鑒。