堤防防渗加固中垂直铺塑截渗技术的应用

2023-05-25廖强

河南水利与南水北调 2023年4期

关键词：塑机塑膜沟槽

廖强

（江西省新干县河道圩堤维护服务中心，江西新干 331300）

1 工程概况

某堤防兴建于20 世纪70 年代，于20 世纪90 年代维修加固，主要发挥着内河航运及排水入（赣）江的功能。该堤防桩号0+020～2+950 段堤基土质呈明显砂性，堤防窨潮，存在严重渗漏，必须展开大堤防渗加固。

2 施工方案

2.1 垂直防渗技术

现有的垂直防渗技术包括刚性垂直防渗帷幕和柔性垂直防渗帷幕两种。基于此，山东省水利科学院研制出链条式和往复式垂直防渗机具和垂直铺塑防渗技术，集造槽、铺塑和回填功能于一体，连续作业，成墙效率高，广泛适用于河道堤防、平原水库防渗处理。经综合比较分析，最终选择垂直铺塑防渗技术，以增强防渗效果，并保证防渗帷幕的整体性。

2.2 造槽机械

①往复式水冲锯刀铺塑机：该机具主要凭借开槽机臂杆的循环往复运动，借助水力或刀具切割破坏土体造槽，同时通过联动装置完成卷帘铺塑。其对于粉质粘土较为适用，对于粘性土存在造槽及铺塑难度。该机具造槽及铺塑深度通常达10～12 m，造槽宽度一般为180～300 mm，施工动力通常为100～120 kW。②链条式循环刮板铺塑机：该机具主要借助链条循环运动带动刮板切割土体造槽，为减薄泥皮厚度，增大泥浆韧性和防渗性，确保槽壁稳定，必须将护壁泥浆容重控制在1.30～1.50 g/cm3范围内。该机具造槽宽度可达300 mm，并借助联动装置同步卷帘铺塑；铺塑深度最大为15 m，对于不含树根、杂草、块石的任何土层均较为适用。但是从槽口移除的土方量较大，所需机械动力为150～180 kW。因该堤防工程地质条件复杂，故选用链条式循环刮板铺塑机。

3 铺塑截渗施工

3.1 塑膜选材

防水塑膜材料性能是决定垂直铺塑截渗施工效果的关键因素之一，在选择防渗塑膜时必须充分考虑其耐久性、抗渗性，铺膜施工的便捷性及经济性。

第一是耐久性。一般情况下塑料薄膜隔水效果及抗变形能力较好，是较为理想的水工防渗材料，但是其使用年限不尽相同。当前，国内水利水电工程中使用较多的是聚乙烯和聚氯乙烯两种材料，聚乙烯具有更高的抗拉强度、抗老化性能和使用寿命，故该堤防工程防渗加固中主要选用聚乙烯薄膜。

第二是塑膜厚度。塑膜厚度和周围介质颗粒级配决定着塑膜承受水压的能力，一般情况下塑膜越厚，周围介质颗粒级配越好，其抗水压能力也就越强。如果塑膜厚度过小，很可能因为水压力、机械拉力等而撕裂，并容易产生局部麻眼，不利于防渗。根据《堤防工程设计规范GB50286-2013》，垂直铺塑膜厚度应根据其允许拉应力计算公式进行反推，公式如下：

式中：T—垂直铺塑膜厚度，mm；E—塑膜弹性模量，kg/cm2；P—塑膜所承受的水压力，kPa；d—塑膜所接触砂卵石最大粒径，mm，结合该堤防工程地勘报告，取10 mm；σ—塑膜拉应力允许值，kg/cm2。

将以上参数值代入式（1）得出的塑膜厚度为0.15 mm，满足规范所规定的垂直铺塑截渗技术中塑膜厚度应在0.10～0.20 mm 范围内的要求。该堤防防渗加固垂直铺聚乙烯塑膜幅宽10～12.50 m，质量200 g/m2，抗拉强度不小于1 kN/cm2，抗撕裂强度和抗渗强度不小于10.08 kN和100 kPa，伸长率16%，渗透系数为1×10-11m/s。

3.2 垂直铺塑

在正式施工前应将施工场地内电线杆、树木等全部搬移和清除，按照设计要求就位开沟造槽机，并在就位机械前方开挖出1条20～30 cm深、25～30 cm宽的引沟。考虑到该堤防工程堤顶狭窄，施工场地较为狭小，故在施工开始后应将道路两头封闭，并在堤顶侧备制好回填土料。该堤防工程工况复杂，且待加固堤防现有穿堤涵洞、取水口、土山洞等既有建筑，对应的堤段均不具备垂直铺塑施工条件，对于此类特殊堤段应改用水泥浆高压定喷防渗技术。沿堤坝方向与堤顶肩相距2.50 m 处开槽轴线，机械铺塑插入不透水层1 m左右。

其余正常堤段则使用链条式循环刮板铺塑机造槽，电机带动曲轴运动后刀杆便开始上下往复运动，其上的刮刀会持续切割土层；此外，高压水泵中的压力水也从刀杆空腔水管喷嘴处喷出，连续冲切土体，持续将周围土体搅拌成泥浆，主要发挥固壁效果，泥浆持续不断流向沟槽后方。开槽深度主要在刀杆长度既定时，通过控制刀杆和地面的夹角而进行调整。

紧跟前部沟槽的形成过程，后部铺塑装置采用膜杆铺设法铺膜，以保证造槽和铺膜同步进行。设置在开槽后部的铺塑装置无固定牵引环，中部焊接竖向塑膜固定杆，塑膜捆能绕杆转动；将该固定杆插入土工塑膜钢管后置入沟槽槽底，根据造槽速度由人工拉动牵引绳并转动塑膜捆，以使塑膜平铺于沟槽内。

铺设完成塑膜后必须及时回填。回填时先通过人工方式将粘性土投放进沟槽至0.50～1 m高度。此后再借助泥浆淤沉和人工方式投放土料回填，泥浆淤沉量应在整个沟槽回填工程量中占60%左右；回填土内不得夹杂块石和杂质，通过羊角碾和人工踩踏相结合方式回填密实。见图1。

图1 垂直铺塑器及铺膜过程图

4 施工效果检测

该堤防在未加固前0+020、1+345、2+280 及2+950 等桩号处部分堤段渗水严重，下游坡脚低洼区域常年积水。采用垂直铺塑截渗技术加固处理后渗水现象得到改观，通过对渗水部位布置测压管的观测结果展开分析，对应的截渗效果具体见表1，表中削减水头通过上下游测压管水位差与上下游水位差的比求取。结合表中测压管观测资料和结果，防渗帷幕设置后上下游水位均骤然下降，表明防渗帷幕削减水头、延长渗径、减小渗水压力的效果十分显著，堤防稳定性和安全性也明显提升。

表2 堤防垂直铺塑截渗效果观测表

垂直铺塑截渗技术实施后，除堤防防渗性能明显提升外，大堤内在质量也有所改善。结合造槽情况，堤身内部空洞及裂隙被沟槽内泥浆充填，起到类似劈裂灌浆的效果，施工前后土体平均质量密度从15.14 kg/m3提高至15.58 kg/m3，表明土体密实度较大提高。

应用土石坝二向渗流有限元法展开该堤防渗流稳定计算结果显示，垂直铺塑截渗技术实施前后，出逸点高度从0.80 m降至0 m，堤坡及堤基水力坡降分别从0.40%和0.35%降至0%和0.02%，截渗效果非常显著。施工结束3个月后，在该堤防垂直铺塑截渗段进行了注水试验，所得出的渗透系数均值为2.60×10-7cm/s，与施工前相比渗透系数大大降低。