防滲墻在航空港區河劉溝生態治理中的應用

□李雪艷 □何 佳（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1.工程概況

航空港區河劉溝為丈八溝的主要支流，屬賈魯河水系二級支流。起源于鄭州市航空港區北部湛莊，向南經陡溝村后轉向東，而后流經大河劉村后，在中牟縣注入丈八溝，全長7.2km，河道平均比降1/140，流域面積15.0km2。其中，航空港區段河道長度5.6km，流域面積為12.5km2。河劉溝屬丘陵向平原過渡區排水河道，流域內多壟崗沙丘，地表多砂土和砂壤土。河道為砂質，受洪水沖刷，易塌岸淤積。

航空港區河劉溝生態治理工程是一項集防洪排澇、生態景觀、休閑娛樂等多功能于一體的綜合整治工程。河道治理長度4.45km，治理標準為5年一遇除澇，50年一遇防洪。工程主要建設任務是建立起安全配套的防洪除澇體系、高效和諧的水環境保護和生態建設體系、優美迷人的濱河景觀休閑網絡體系、優化配置的水資源供給體系、簡潔高效的河道管理體系等“五大體系”。

根據工程建設任務，規劃在河道上共布置5座攔蓄水建筑物，2處人工湖泊，再通過生態環境補水工程，全河道形成一定的景觀水面，實現水通、水美的效果。

2.防滲方案選擇

2.1 河道防滲的必要性

工程區沿線地下水位均在設計河底高程以下，各土層滲透系數在2.79×10-5cm/s～3.51×10-4cm/s，屬于中等～弱透水層。經過計算，在不采取防滲措施的條件下，全河道年滲漏量約為600萬m3，滲漏量較大，如不采取防滲措施，很難形成景觀水面，對蓄水造景產生很大影響。同時，由于河道的強滲漏現象帶來的工程區地下水形態和水質的改變，也將給河道兩岸生態環境帶來一些負面影響。因此，需對河道水體采取防滲措施。

2.2 防滲方案選擇

防滲方案采用邊坡鋪設土工膜防滲、防水毯以及沿河岸設置截滲墻3種方案進行比選。

方案一：邊坡鋪設土工膜，河底回填粘土進行防滲。

優點是：便于施工，工程造價低，工程投資約450萬元。

缺點是：阻斷了河道水體與兩岸土壤之間的物質能量交換，影響河道生態型、景觀型邊坡的營造。

方案二：采用邊坡鋪設GCL膨脹土防水毯，河底回填粘土進行防滲。

優點是：便于施工，防滲性能好，綠色環保，容易修補等優點。

缺點是：工程造價高，工程投資約650萬，雖然屬于環境友好型材料，但對于景觀型邊坡營造仍具有一定的局限性。

方案三：采用沿河道兩岸及湖周邊設置截滲墻，局部河底及邊坡鋪設土工膜進行防滲。

優點是：既能滿足防滲要求，又符合生態型和景觀型河道治理理念。

缺點是：工程造價相對較高，工程投資約600萬元。

從上述3種防滲方案可看出，采用在河道兩岸及湖周邊設置截滲墻的辦法，工程造價雖然較土工膜稍高，但比膨脹土防水毯造價低，并且此方案具備便于生態型和景觀型邊坡的設置和營造優點。綜合考慮各方面因素，采用在河道兩岸及湖周邊設置防滲墻進行防滲。

3.防滲墻工程設計

3.1 成墻方案選擇

目前，截滲墻成墻方法較多，主要有攪拌成墻防滲、擠壓注漿成墻防滲、高壓噴漿成墻防滲、置換成墻防滲。

3.1.1 攪拌成墻防滲

攪拌成墻防滲是運用深層攪拌樁機在地基一定深度范圍內把水泥漿噴入土體，使水泥和土體產生一系列的物理－化學反應凝結形成具有整體性、水穩性、一定強度和防滲能力的水泥土樁體防滲墻。該方法適用于淤泥、淤泥質土、黏土、粉質黏土、粉土、砂土等軟地基，其加固深度可達30m。

3.1.2 擠壓注漿成墻防滲

此種方法主要包括振動沉模防滲墻和振動切槽防滲墻。

振動沉模防滲墻：利用振沖力將空腹模板沉入土中，向空腹內注漿，邊振動邊拔模，漿沉留于空中形成單塊、板墻，再將單板連成整體形成防滲連續墻。該技術適用于砂性土、黏性土、淤泥、砂礫石等地基。造墻深度為20m，墻體厚8～25cm。該方法具有先進、質量可靠、工效高、單位造價低、工藝簡單等優點。

振動切槽防滲墻：利用電機帶動底部鑲嵌有刀片、導向桿與導向翼的鉆頭向下振動，刀片向下切削與擠壓土層，鉆桿中空的高壓水與氣的混合體沿導桿向桿兩端噴射以分散削離土體形成槽孔，當連續作業并使振動切削的槽孔達到設計防滲深度時，通過鉆桿中空開始向槽孔輸送漿液，停止提升鉆桿直至孔口返漿，再提升鉆桿達到設計槽孔頂面高程且孔內漿液不沉降為止，為了形成防滲墻，不待漿凝，就移動振動切槽機具連續進行上述過程施工，形成連續防滲墻。該技術主要用于粘土、淤泥、沙土等，成墻深度約20m。

3.1.3 高壓噴漿成墻防滲

高壓噴射灌漿技術是利用鉆機造孔后，再把帶有噴頭的灌漿管下到預處理部位，以高壓水射流沖擊破壞土層，部分細顆粒隨泥漿冒出地面，其余部分與灌入的漿液混合攪拌，在地層中形成凝結體。其原理是利用射流作用切割摻攪土層，改變原土層的結構和組成部分，使灌入水泥漿達到防滲的目的。該項技術適用于粉土、砂土、礫石及卵石地層，目前處理深度可達80m。

3.1.4 置換成墻防滲

置換成墻防滲主要包括黏土截水墻、混凝土防滲墻、垂直鋪塑防滲墻等。其成墻原理是將一定深度內被置換的土體挖除成槽，再填筑或鋪設混凝土、黏土、土工膜等防滲體材料，并連成整體的防滲墻。該技術根據成槽施工機械的不同，可用于各種土層，成墻深度在20～100m。

以上幾種方案均是應用較廣、防滲效果較好、技術比較成熟的垂直防滲措施，各有特點。河劉溝成墻深度在10m左右，結合國內外一些垂直防滲工程的成功經驗，以上幾種方案均可用于本次防滲工程。根據本工程的特點，擠壓注漿成墻技術振動沉模防滲墻具有工程造價低、工效高、防滲效果好等優點，更適合用于本次工程。因此，河道防滲采用振動沉模防滲墻。

3.2 防滲墻型式

防滲墻型式主要分為封閉式防滲墻和懸掛式防滲墻。封閉式防滲墻是墻底部深入不透水層或弱透水層，由防滲墻和不透水層或弱透水層組成一個封閉的防滲體。懸掛式防滲墻是墻底部深入土層一定深度，形成一個懸掛式的防滲帷幕，通過利用延長滲徑的方法來起到防滲的效果。

從工程投資和防滲效果兩方面考慮，兩種防滲型式投資差別不大，但封閉式防滲墻防滲效果較好。因此，河劉溝河道采取封閉式防滲墻進行防滲。

3.3 防滲墻平面布置

防滲墻平面設計以工程量較省為原則，同時既要滿足方便施工，又要滿足防滲要求。根據河劉溝河道開口線，結合防滲墻的施工工藝，防滲墻的平面布置如下：防滲墻基本沿河岸周邊布置，河岸線彎曲處取直，將河道和湖體包絡其中。橋梁下面等局部不能包絡的部位采用正常蓄水位以下邊坡和河底鋪設土工膜進行防滲。

3.4 防滲墻頂底高程

3.4.1 墻頂高程

防滲墻頂設計高程根據河道正常蓄水位和防滲墻沉降量來確定，按正常蓄水位以上0.3m進行控制。

3.4.2 墻底高程

墻底嵌入弱透水層深度采用公式計算進行估算，計算公式如下：

式中：Δl—嵌入不透水層深度；ΔH—防滲墻上的水頭差；[J]—為允許水力坡降，一般取8～10。

經過計算，嵌入不透水層深度為0.9m，取1.0m。

3.5 墻體厚度

墻體厚度選定既要滿足防滲要求，又要便于施工。采用公式計算進行估算，計算公式如下：

式中：d—防滲墻厚度，m；ΔHmax—作用防滲墻上的最大水頭差，m；[Jmax]—為滲透破壞坡降，與墻體厚度、滲透系數、抗壓強度等有關，一般取100～300。

按滲透破壞坡降Jmax=100，最大水頭差13m進行計算，d≥0.13m。考慮到防滲墻太薄，施工時質量不容易控制，容易發生墻體扭曲及斷裂等現象，防滲墻墻厚取0.20m。

4.防滲效果評價

為了檢驗防滲墻防滲效果，利用河海大學編寫的autoBank6.0應用程序，采用二維有限元法建立數學模型對封閉式防滲墻進行滲漏量計算，數學模型見圖1。

圖1 防滲墻成墻后河道滲漏量計算數學模型圖

經模擬計算，墻體厚取20cm時，防滲墻滲透系數控制在1×10-6～1×10-7cm/s之間，河道年滲透量約為30萬m3，較工程前年滲漏量減少570萬m3，滲漏量減小率為95%，工程防滲效果顯著，為河道營造生態景觀水面打下了堅實的基礎。

5.施工工序及技術要求

防滲墻施工程序如下：

步驟1：模板就位。先將樁機調平，并使機架立柱垂直，再將A模板對準孔位，振動體系的自重將板刃壓入土中，檢測調整模板的垂直度達到規程要求。

步驟2：振動沉模。啟動振錘，將A模板沿施工軸線沉入地層，達到設計深度，A模板為先導模板，有起始、定位、導向作用，垂度應嚴格控制；將B模板沿施工軸線與A模板緊接，沉入地層設計深度，B模板為前接模板，起到延伸板墻長度的作用。

步驟3：漿體灌注和模板提升。向A模板空腹內灌滿漿體，然后邊振動、邊上拔、邊注漿，直至拔出地面，漿體留在槽孔內，形成密實的單板體。

步驟4：漿體充盈灌注。漿體要有一定充盈量（由初始試驗或經驗確定）。在模板振拔過程中，要同時向模板內連續注漿，拔模與注漿保持同步，使模板空腹內始終保持一定的漿體高度，保持模板空腹內有足夠的漿體充盈量，確保墻體的連續完整。

步驟5：再沉A模板。A模板拔出地面后，移動步履式樁機，將A模板移到B模板前沿就位。此時，A，B兩模板作用互換，即B模板為先導模板，起定位導向作用，A模板為前接模板，起到加長板墻作用。

如此連續重復以上工序，即可完成一道豎直連續的整體板墻。施工工序見圖2。

圖2 防滲墻施工工序流程圖

6.結語

本文結合工程實例，對防滲墻在河道生態治理中的應用進行了探索，詳細介紹了防滲墻工程設計方案、施工工藝等內容，并對防滲效果進行了評價。對今后城市河道生態治理過程中出現的滲漏處理問題具有一定的借鑒意義。

[1]任紅云，劉海軍等.雙板振動沉模防滲墻的質量分析與控制[J].水利水電科技進展，2009(4).

[2]錢玉林，殷宗澤.振動沉模防滲墻的成墻機理及其工程應用[J].工程勘察,2008(11).