元江砂基砂堤防滲措施探討

張志堅(jiān)

（昆明市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650000）

1 基本原理

基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)采用在迎水坡堤腳進(jìn)行垂直鋪塑的防滲處理方案，選用0.5 mm厚LDPE土工膜作為防滲材料，防滲深度8.0 m，防滲帷幕體設(shè)在堤壩迎水坡堤腳前2～3 m處。坡面防滲采用在迎水坡坡面上鋪設(shè)復(fù)合土工膜，土工膜鋪設(shè)至設(shè)計(jì)水位以上0.5 m，土工膜上面壓蓋粘土（垂直于堤坡方向墻厚1 m）為主；上游堤腳處水平粘土鋪蓋（厚1 m），坡面防滲土工膜與基礎(chǔ)防滲土工膜在堤腳進(jìn)行連接，形成整體的懸掛式防滲帷幕。

垂直鋪塑技術(shù)是20世紀(jì)80年代初開(kāi)始研制發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的防滲技術(shù)，經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展和創(chuàng)新，該技術(shù)已日趨成熟并廣泛應(yīng)用于水庫(kù)大壩和江河、湖泊大堤的防滲加固工程。垂直鋪塑法施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、成本低、防滲效果好，工程造價(jià)低，在國(guó)內(nèi)水利防滲工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 工程實(shí)例

2.1 概況

元江金平縣境內(nèi)段地質(zhì)為第四系（Q4）全新統(tǒng)海陸交互相相沉積地層。地形表面平坦，實(shí)為無(wú)限透水地基。河道兩岸堤基土質(zhì)不好，一般自上而下是粉土層和細(xì)砂層，有的表層即為細(xì)砂，也有少數(shù)地區(qū)表層有1～2 m左右的粉質(zhì)粘土，往下粉土、細(xì)砂。由于河道筑堤土料來(lái)自河灘地，因此堤身填土成分復(fù)雜。在河道整治施工中，采用泥漿泵筑堤，取土深往往達(dá)到7～8 m甚至更深，筑堤土料中細(xì)砂成分較高，所以河道堤防大多是砂堤、砂基。

元江金平縣境內(nèi)段以上徑流面積32.02萬(wàn)km2，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)流量8400 m3/s，堤防工程級(jí)別為Ⅰ級(jí)。設(shè)計(jì)堤頂寬7 m，迎水側(cè)設(shè)計(jì)邊坡 1∶3.0，背水側(cè)設(shè)計(jì)邊坡 1∶3.5。

2.2 滲流計(jì)算

由于該段堤防基礎(chǔ)類型比較單一，沿堤線方向堤基各土層分布層次及厚度變化不大，因此選典型斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。

滲流在背水坡堤腳出現(xiàn)所需時(shí)間T：

式中：K——堤身滲透系數(shù)（m/s）；n0——土的有效孔隙率；n——孔隙率；SW——飽和度；H——迎水坡堤腳水深；m1，m2——迎背水坡邊坡系數(shù)；b′——與水位齊平處堤身的水平寬度，m。

從計(jì)算結(jié)果可知，粉細(xì)砂滲流達(dá)到堤腳的時(shí)間需要3 d，河道洪峰歷時(shí)7 d。因此，對(duì)于堤身為粉質(zhì)粘土的堤段，不能形成穩(wěn)定滲流，對(duì)于堤身為粉土的堤段，就存在滲漏破壞的可能，需要進(jìn)行防滲處理。

表1 堤防滲流計(jì)算成果表

表2 穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該堤段粉細(xì)砂的臨界水力坡降和允許水力坡降分別為0.89和0.44。上述計(jì)算表明的水力坡降在臨界水力坡降附近，不滿足堤防滲透安全的要求。計(jì)算結(jié)果表示該段堤防地基大部分區(qū)段會(huì)發(fā)生流土的可能，即使堤腳下游設(shè)反濾排水可防止流土的發(fā)生，但不能防止堤基內(nèi)部大部分區(qū)段細(xì)顆粒向下游移動(dòng)，久而久之，細(xì)顆粒流失，地基淘空，導(dǎo)致塌陷，產(chǎn)生滲透破壞。所以本段堤防應(yīng)采用垂直防滲或水平防滲措施才能達(dá)到安全的要求。

垂直鋪塑防滲處理措施可有效地增加滲徑，消除較高剩余水頭，降低逸出點(diǎn)水力坡降，防止行洪期間堤后產(chǎn)生滲透破壞、確保堤防安全。

2.3 防滲材料的選擇

表3 土工膜性能指標(biāo)

2.4 基礎(chǔ)防滲帷幕設(shè)計(jì)

通過(guò)滲流計(jì)算可知，堤基原有滲徑不夠，為了消除堤基的滲透變形破壞，保證堤防穩(wěn)定安全，簡(jiǎn)易可行的辦法即增加滲徑。采用垂直鋪塑防滲技術(shù)，沿大堤構(gòu)筑一道懸掛式防滲帷幕墻。防滲帷幕墻設(shè)計(jì)在迎水坡堤腳外。

按照一般垂直防滲經(jīng)驗(yàn)，防滲帷幕深度可取為 S=（1～1.5）H，（H 為最大水深 H=5.1 m） 則 S=4.8～7.65 m，設(shè)計(jì)確定帷幕防滲深度為8 m。

1）根據(jù)（SL/T225-98）《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，當(dāng)采用土工膜作為防滲層，截?cái)嗟叵滤骰虻厣纤鲿r(shí)，應(yīng)符合以下要求：

地下垂直防滲和地下截潛流采用的土工膜厚度不宜小于0.25 mm，重要工程可采用復(fù)合土工膜或復(fù)合防水材料，膜厚度不宜小于0.5 mm。

設(shè)計(jì)采用LDPE低密聚乙烯土工膜，土工膜厚度取T=0.50 mm。

2）采用《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄C鋪蓋土工膜厚度計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核：

式中：T——單寬土工膜的拉力，kN/m；p——膜上作用水壓力，kPa，取p=118.70 kPa；b——預(yù)計(jì)膜下地基可能產(chǎn)生的裂縫寬度，m，分別取b1=5 mm b1=10 mm；ε——膜的拉應(yīng)變，%。

表4 土工膜拉力計(jì)算表

根據(jù)預(yù)計(jì)裂縫寬度，按上面的公式及實(shí)際選用土工膜試驗(yàn)成果繪制土工膜應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。

交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變 ε1，ε2分別為裂縫寬 b1，b2，拉力 T1，T2時(shí)的拉伸應(yīng)變。其中 P1（1.55%，1.01），P2（2.45%，1.59）。土工膜設(shè)計(jì)極限抗拉強(qiáng)度為Tr=6.0 kN/m，相應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.23%。則拉力與應(yīng)變的安全系數(shù)分別為：

圖1 土工膜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

計(jì)算結(jié)果與（SL/T225-98）《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的安全系數(shù)為Fs=4～5的要求相接近，可見(jiàn)選用厚度為0.5 mm的土工膜是合適的。

帷幕體的防滲效果：

根據(jù)表4土工膜性能指標(biāo)，0.50mm厚聚乙烯膜在1.05MPa下，48 h不滲水，說(shuō)明土工膜防滲效果非常理想。國(guó)內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為土工膜的滲透系數(shù)可以達(dá)到10-12～10-10cm/s，能夠滿足防滲工程的要求。

2.5 坡面防滲設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)坡面采用0.5 mm厚的復(fù)合土工膜（兩布一膜）進(jìn)行防滲，復(fù)合土工膜上壓蓋0.8 m厚的粘土鋪蓋，粘土鋪蓋上層填0.2 m厚腐殖土，播撒草籽，形成生態(tài)護(hù)坡。

1）坡面防滲頂高程確定。由于需要防滲的堤段筑堤土質(zhì)基本上為粉砂或細(xì)砂，滲透性很大。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，防滲體的頂部應(yīng)高出設(shè)計(jì)水位0.5 m。

2）土工膜防滲體穩(wěn)定計(jì)算。土工膜防滲體的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，針對(duì)防護(hù)層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定。驗(yàn)算的最危險(xiǎn)工況為水位驟降，根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A，等厚防護(hù)層透水性良好，安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：δ——上墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α——土工膜鋪放坡腳，21.8°。

經(jīng)計(jì)算，安全系數(shù)Fs=1.18大于允許安全系數(shù)1.15，所以土工膜防滲體整體穩(wěn)定

2.6 帷幕連接設(shè)計(jì)

為使基礎(chǔ)形成一個(gè)整體的防滲帷幕，首先對(duì)迎水堤堤腳外3.0 m進(jìn)行清基，清基厚度30 cm，基礎(chǔ)防滲軸線布置在迎水堤堤腳外3.0 m處，土工膜鋪設(shè)一端應(yīng)靠向堤腳一側(cè)，上部需留有不小于3.5 m長(zhǎng)的土工膜，在距垂直鋪塑1 m處設(shè)防滑槽，土工膜埋入0.3×0.4 m的防滑槽內(nèi)用土壓住，以防滑落槽內(nèi)。土工膜鋪設(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)堤腳進(jìn)行壓蓋處理，壓蓋總厚度0.8 m。

2.6 防滲效果分析

堤防的垂直防滲效果校核采用達(dá)西公式法，大堤的平均水力坡降可用下式計(jì)算：

式中：H為設(shè)計(jì)水頭，m，H=5.5m；L為地下輪廓線的虛擬長(zhǎng)度，m；L水平為水平滲徑，L水平=55.0 m，L垂直=2×基礎(chǔ)防滲深度。

各參數(shù)數(shù)值代入式中得：J=0.19小于允許坡降0.44，采用垂直防滲措施治理后的效果是非常理想的。

3 結(jié)論

垂直鋪塑防滲技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）開(kāi)槽機(jī)造槽經(jīng)濟(jì)適用。開(kāi)槽機(jī)是垂直鋪塑防滲技術(shù)施工開(kāi)槽的主要設(shè)備，它是根據(jù)防滲技術(shù)要求和有利于施工兩個(gè)方面研制的，槽孔的深淺、寬窄可以調(diào)節(jié)，能夠滿足不同工程設(shè)計(jì)要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，施工速度快，造孔經(jīng)濟(jì)適用。

2）防滲材料性能好。垂直鋪塑防滲技術(shù)所采用的防滲材料一般為土工膜。這類材料防滲效果好，其本身滲透系數(shù)一般小于10-11～10-12cm/s，柔性好，易于施工，壽命長(zhǎng)，在地下良好的保護(hù)狀態(tài)下，其工作壽命至少在50年以上。

3）施工速度快，工程造價(jià)低。垂直鋪塑防滲技術(shù)之所以被廣泛應(yīng)用，一是新型開(kāi)槽機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，施工速度快，造價(jià)低；二是防滲材料的單位面積造價(jià)經(jīng)濟(jì)，且易于施工。