土工合成材料在海水淡化预处理取水工程中的应用

2012-06-06诸葛爱军何俊峰刘天韵阚卫明

中国港湾建设 2012年4期

诸葛爱军，何俊峰，刘天韵，阚卫明

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；3.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461）

1 工程概况

天津经济技术开发区万吨级海水淡化预处理工程位于天津港北疆港区以北，北内堤与海挡相交处附近海域，与天津经济技术开发区相邻。该工程分取水工程和海水预处理厂两部分，其中取水工程部分主要由沉砂池和引潮沟两部分组成[1]。沉砂池的主要作用是存贮一定储量的蓄水，通过沉淀，形成可供预处理厂使用的水源。沉砂池原设计采用混凝土插板围堤，施工难度大，工程造价较高。鉴于工程位于北内堤与海挡相交处附近海域，为节约成本，降低造价，借助已建的北内堤和海挡结构，对二者进行适当的改建和防渗处理，作为沉砂池北侧和西侧的挡水围埝，东侧和南侧挡水围埝采用充填袋结构堤心，模袋混凝土护面的方案。其中东侧新建的挡水围埝与北内堤垂直，长度200 m，南侧新建的挡水围埝与北内堤平行，长度600 m，沉砂池在平面上的形状为直角梯形，如图1所示。沉砂池四周挡水围埝的结构充分利用了土工合成材料的滤层、排水、隔离、防护、防渗等作用，降低了施工难度，实现了蓄水沉沙，满足了预处理厂正常运行所需的供水量。

2 结构型式

2.1 北内堤侧

挡水围埝长度约为908 m，结构型式是在原北内堤的沉砂池两侧坡面抛填10～100 kg块石加宽北内堤，用袋装碎石垫层找平，然后铺土工布和防渗膜，最后用浆砌块石护面。考虑施工要求及使用期的行车，在堤顶面铺二片石垫层和土工格栅，在其上碾压泥结山皮土形成路面，围埝结构型式见图2。

2.2 海挡侧

挡水围埝长度约为228 m，结构型式是在原海挡结构沉砂池一侧坡面先铺土工布和防渗膜，然后做浆砌块石护面，围埝结构型式见图3。

2.3 南侧围埝

挡水围埝长度为800 m，围埝结构型式是砂垫层打塑料排水板为基础的充填袋围埝。充填袋外侧用袋装碎石找平，然后在沉砂池一侧坡面铺土工布和防渗膜，最后整个围埝用模袋混凝土做护面，并在两侧坡脚用100～150 kg块石做压脚棱体，围埝结构型式见图4。

2.4 东侧围埝

挡水围埝长度为200 m，围埝结构形式与南侧基本相同，只是为了满足施工及使用期的车辆行走要求，围埝顶部不用模袋混凝土做护面，而是铺二片石垫层和土工格栅，然后碾压泥结山皮土形成路面。

2.5 沉砂池内

本工程沉砂池的蓄水是供海水淡化处理厂使用，水质有一定的要求，含泥沙量不能过高。根据统计资料，本区域常风向为E向、次风向为S向，强风向为E。由于沉砂池的面积相对较小，同时由于本地区强风向和常风向都从侧面与池内相交，风程较小，因此池内不会产生较大幅度的波浪。但考虑到沉砂砂蓄水较浅，小波浪也可能搅起海底淤泥，影响沉砂池内水质。因此在沉砂池内海底泥面上铺设一层复合土工布软体排，阻止淤泥泛起，有效保证池内水质达到海水淡水预处理厂的使用要求，同时也便于后期沉砂池的清淤工作。

3 土工合成材料的应用

取水工程沉砂池的挡水围埝应用了多种多样的土工合成材料，如起防渗隔水作用的防渗膜、起防护作用的土工布、起隔离作用的土工布软体排以及充填袋结构袋布等，都非常有效地起到了相应的工程作用，现把主要的土工合成材料应用情况进行介绍。

3.1 防渗膜

沉砂池的主要作用是蓄水、沉淀供预处理厂取用，因此防渗膜的选取对工程成败具有决定作用，鉴于工程对防渗要求较高的特点，选用工程中应用比较普遍的、防渗性能较高的复合土工膜。复合土工膜作为一种新型的防渗材料，主要由土工膜和土工织物复合而成，具有防渗性能好、施工简单、造价低等特点，近年来已广泛应用于各类防渗工程中，主要有一布一膜，二布一膜、三布二膜。其作用机理是土工膜用来防渗，土工织物起加筋、排水和增加土工膜与土体之间摩擦力的作用。在迎水面铺设复合土工膜防渗，在坡度较缓的情况下，复合土工膜依靠摩擦力即可维持稳定。复合土工膜规格选择与下垫层平整度、材料允许拉应力、材料弹性模量、铺设范围内的最大水头等因素有关，还需考虑暴露、埋压、气候、使用寿命等应用条件。由于本工程的复合土工膜除要求有可靠的防渗性能外，还要承受施工荷载和围埝沉降等引起的应力，沉砂池的长期使用也需要复合土工膜有较高耐久性，此外一旦复合土工膜破坏，沉砂池蓄水能力降低，将影响预处理厂以致整个海水淡化工程的运转，经济损失巨大，因此本工程要求复合土工膜具有较高的防渗性、强度和耐久性。经比选，采用基材为纯新涤纶针刺无纺布/聚乙烯（PE）膜的二布一膜复合土工膜，其主要技术指标应见表1。

表1 复合土工膜主要技术指标

复合土工膜的铺设自下而上进行，先按设计在坡脚挖锚固沟，在沟内回填素土固定一定长度的防渗膜，然后逐步自坡脚向坡顶铺设复合土工膜。铺膜时，应清除坡面上石块等尖突物，压实整平。防渗膜铺设应平顺，松紧适度，避免应力集中和人为损伤。复合土工膜应与下层坡面密贴，不留空隙，防止土工膜折皱形成渗水通道。相邻复合土工膜拼接采用搭接，搭接缝采用专用焊缝机焊接，焊缝搭接宽度不小于10 cm，焊缝应清晰透明，无起泡、漏焊、熔点或焊缝跑边等，不合格的要进行补焊。焊缝前必须清除膜面的脏物，保证膜面清洁。为进一步确保复合土工膜不受破坏，在复合土工膜上下各铺设一层起防护作用的土工布，复合土工膜和防护土工布铺设后，立即进行外侧的护面施工，防止紫外线照射和人为造成的复合土工膜破坏。

3.2 充填袋袋布

沉砂池位于属于浅海滩涂区域，工程地质的主要特点以高含水量、高压缩性、低强度的淤泥、淤泥质土为主。对于此类工程位置和地质条件，在施工工艺和工程造价上，采用充填袋结构均优于原设计的混凝土插板围埝或传统的抛石围埝。充填袋结构具有在软基上构筑施工适用力强、施工速度快、造价低等优点，整体连续性好，目前在中国河、海堤坝及护岸工程中得到广泛采用，具有丰富的施工经验。因此，本工程沉砂池南侧和东侧采用砂垫层打塑料排水板为基础，充填袋结构为堤心的挡水围埝。充填袋结构是利用泥浆泵将混合水的充填料冲灌入封闭的土工织物袋体内，多余水分可从土工织物上的微细孔滤除，充填料在自重和渗水压力的作用下固结密实，与袋布一起形成复合的构筑材料。充填袋袋布的主要作用是包裹封闭充填材料并能排出余水，且具有一定的强度与充填料一起承受荷载和沉降引起的应力，因此选做充填袋袋布的土工织物应具有较好的透水性、保土性，强度要高、耐久性要好。本工程充填材料采用砂性土，参照《土工合成材料工程应用手册》中的有关方法，根据充填料颗粒、使用环境和施工条件，结合施工水平和施工工艺等因素，充填袋袋布选取150 g/m2的裂膜丝机织土工布，其主要技术指标见表2。根据沉砂池区域水文地质条件，按《水运工程土工织物应用技术规程》中的有关规定和公式对充填袋围埝进行整体稳定验算、充填袋层间稳定验算，确定充填袋结构的宽度。

表2 充填袋袋布主要技术指标

表3 丙纶长丝机织、涤纶无纺针刺复合土工布技术指标

充填袋袋布选择较宽布幅，拼接缝制采用锦纶线，拼接处折叠3层，宽度约5～10 cm，缝三道线（先缝一道，折叠后再缝两道）。袋中充填砂性土，其粒径小于0.005 mm的黏粒含量小于10%，采用水力充填法施工。袋子充填厚度控制在0.4～0.5 m之间。充填袋的充满度应控制在80%以上，下层充填袋在固结度达到70%以后，进行上一层充填袋的施工。上下层充填袋连接采用系带。

3.3 土工布软体排

土工布软体排是以土工合成材料加压重材料制成的系结式排体结构，其功能主要是保护软体排底泥砂免受搅动和淘刷。目前土工布软体排的型式主要有混凝土连锁压载和砂肋压载两种。复合土工布软体排结构简单，连续性和整体性好，施工方便，便于一次性大面积铺设。鉴于混凝土连锁压载造价高，对施工机械有特定要求，而本工程规模较小，防护要求不高，故采用砂肋压载的土工布软体排。对土工加筋砂肋体进行保砂透水设计、土工织物及加筋带强度设计、排体抗浮稳定设计等，确定软体排护底材料采用230 g/m2的丙纶长丝机织土工布与180 g/m2的涤纶无纺针刺复合而成的380 g/m2的复合土工布，技术指标见表3，软体排加筋带采用丙纶加筋带，加筋带宽度5 cm，砂肋直径0.3 m，间距1.5 m。

土工布软体排应铺设前要清除水下突起物，土工布经向（纵向）应平行围埝的宽度方向铺设。在横向两侧大于设计边线各外铺1.0 m。软体排定位后，要及时压铺充填袋，防止软体排位移。砂肋袋采用丁缝法缝制成直径0.3 m的圆筒型，砂肋袋两侧还需缝制10 cm充砂口，缝合强度必须达到织物强度的70%以上。砂肋充盈率必须大于80%，充填砂含泥量小于10%。