土工膜在遼河砂質堤基堤身防滲工程中的應用

富建軍

(遼中縣水利建筑工程公司，遼寧遼中110200)

1 工程概況

1.1 工程現狀

遼河在遼中縣境內流域面積為410.33 km2，堤防長92.17 km，其中左岸63.53 km，右岸28.64 km，堤高5～8 m，堤頂寬6 m，堤距1 800～3 700 m，河道長度67.6 km，主河槽寬度200～400 m，河道比降1/5000，當 P =5%，112橫斷相應流量為5 250 m3/s，設計水位為20.55 m。左岸 L111:1+300～L112:2+920樁號堤防由粉(細)砂筑成堤身，堤基由粉(細)砂組成，在洪水期運行發生大面積流土現象，浸潤長度多達2 800 m，堤后坡及堤腳出現大面積滲水，嚴重維修大堤安全，因此為了遼河安全行洪有必要對該段進行防滲工程建設。

1.2 工程地質及水文地質

1)堤身巖性:粉質黏土、粉(細)砂

粉質黏土:黃色—灰色，可塑，中等壓縮性。厚度為3.0 m，僅見Lz 12孔。

粉(細)砂:呈黃色，松散，黏粒含量較高，夾有粉土，厚度3.0～6.0 m左右，為堤身主要巖性，場內均有分部。

2)堤基巖性:粉質黏土、粉(細)砂

粉質黏土:黃色—灰色，可塑，中等壓縮性。厚度為1.2～4.0 m，不均勻分布于堤基頂部，見于Lz 9、Lz 11、Lz 12、Lz 13、Lz 14

粉(細)砂:呈黃色—灰色，飽和，松散～稍密狀態。主要分布于各鉆空底部。本次勘察未穿透此層，所揭露最大厚度為11 m。

3)水文地質條件

本次勘察各堤段地下水均為第4系孔隙潛水，補給來源為大氣降水，灌溉水滲入補給及河流側向補給。

地下水埋深(2002年3月6日)2.0～3.0 m。

4)堤段滲透性及滲透穩定性

該段主要透水層為粉砂、細砂，其不均勻系數均＜5，滲透變形為流土型，建議采用允許水力坡降為0.4。

5)堤段飽和河砂土液化判別

堤段地震基本烈度根據《中國地震烈度區劃圖》查得Ⅵ度，根據GB50286—98《堤防工程設計規范》規定一般不進行液化判別。

2 工程設計

2.1 滲流分析

1)根據《遼河整治意見》堤頂寬B=6.0 m，m內=2.5，m外=3.5 堤頂高程(L111:1+300～L112:3+000)21.81～21.39 m。

2)地基透水確定:根據遼寧省水利水電勘測設計研究院《工程地質勘察報告》，成果見表1。

表1 地基透水性確定

K堤身/K堤基=(4.1×10-3)/(9.8×10-3)=0.42

所以，L111:1+300～L112:2+920堤防為透水地基

3)透水地基均質土壩滲流計算，選取2+600橫斷現狀校核浸潤線和背水坡滲流出口比降校核計算原有滲徑長度不夠，需要工程措施延長滲徑，防止發生滲透破壞。

3 工程方案選擇

對于砂土堤基與砂土筑成的堤身防滲，應用廣泛的有高壓噴射灌漿，化學灌漿技術及水平防滲和垂直鋪塑防滲等技術，由于遼河左岸L111∶1+300-L112∶2+920堤防緊鄰河灘地，如采用水平鋪蓋防滲缺少必要的土料，并且占用大量農田及林地。高壓噴射灌漿，及化學灌漿質量不易控制，廢漿對環境有較大影響，而且工程成本是垂直鋪塑成本2～3倍。垂直鋪塑防滲技術具有施工工藝簡單、造價低廉、防滲效果好等優點，因此，選用垂直鋪塑防滲技術適用于此項工程。

4 帷幕設計

4.1 堤身防滲設計

1)帷幕長度:地質勘察報告 L111:1+300～L112:2+920，全長3 620 m，減去小公路路基寬20.0 m，即共長度為3 600 m，為保證有足夠繞流滲徑，防滲總長度為3 700 m，即L111:1+300～L112:3+000樁號。

2)帷幕頂高程確定，根據《堤防工程設計規范》防滲體頂部應高出設計水位0.5 m。

3)防滲材料:由于堤身由細(粉)砂組成，根據工程建設實踐采用規格為400 g/m2的復合土工膜作堤身坡面防滲。

4.2 堤基防滲

4.2.1 帷幕埋深度計算

根據垂直防滲經驗S=8.10

根據萊茵公式［J］=H/2S和《堤防工程設計規范》，［J］ =0.33。

S=5.39/0.66=8.17

結合工程建設實際S=8.5 m。

4.2.2 帷幕厚度

帷幕厚度的計算公式為:

式中:E為設計溫度下薄膜彈性模量，kg/cm2;P為薄膜承受的水壓力，t/m2;p=H+S=13.69;d與薄膜接觸的沙土最大粒徑，mm;d=2.0 mm;［δ］為薄膜容許拉應力，kg/cm2;［δ］ = ［1/5-1/6］δ;δ=122.0 kg/cm2

根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》，選用0.5 mmLDPE低密度聚乙烯土工膜。

4.2.3 土工膜厚度計算

根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》，土工膜厚度為:

式中:T為單寬土工膜的拉應力，kn/m;P為膜上作用水壓力，kPa;p=13.69×9.81=134.30;b為預計膜下地基可能產生裂縫寬度，m;ε為膜的拉應變，%。

根據預計裂縫寬度，按公式及實際選用土工膜試驗成果繪制土工膜應力～應變關系曲線，見圖1。

圖1 土工膜應力—應變關系曲線

交點對應的應變 ε1、ε2分別裂縫 b1、b2，拉力 T1、T2的拉伸應變。

其中，p1(1.7%，1.1)，p2(2.3%，1.6)。土工膜設計極限抗拉強度 Tε=6.0 kn/m，相應應變為9.23%，則拉力與應變安全系數。

計算結果滿足《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》的安全系靈敏Fs=4-5的要求。

5 工程施工

5.1 垂直鋪塑施工

5.1.1 成槽施工

1)啟運反循環系統及液壓動力系統驅動開槽鋸鋸槽;當開槽鋸由水平漸漸接近垂直即鋸至要求深度時，開槽車緩緩前行。

2)成槽施工時應始終保持槽內液面與槽口平齊(≯20 cm);槽口坍塌可采取防護措施。

3)開槽鋸切削頻率應根據土質、成槽深度等綜合考慮，一般為25次/min左右。

4)前行速度應根據排渣、落淤和開槽鋸的角度變化，并結合切削頻率、成槽深度來考慮，使成槽工效達到最優。

5)成槽施工時采用黏土泥漿護壁，為滿足固壁需要，槽內泥漿比重應控制在1.05～1.20 cm。

6)設備成槽為連續槽，可適應堤線彎曲變化開挖彎曲的連續槽，轉彎時帷幕軸線位置可以適當進行調整。

7)形成的連續槽槽深每10 m檢測3點，成槽深度必須滿足設計與鋪膜要求;當成槽長度達到10 m時，進行置膜鋪塑。

5.1.2 堤基土工膜鋪設

1)垂直下膜前，將土工膜纏在塑膜軸上。纏膜時緊湊、邊緣對齊。

2)啟運卷揚機，垂直將塑膜軸下入槽內，至槽底后，將固定軸打入土中0.50～1.0 m。土工膜搭接寬度2.0 m。

3)開動鋪塑車前行牽引塑膜軸轉動，土工膜徐徐展開并平整地鋪入槽內。

4)土工膜鋪設時應靠向槽口一側，上部需留有0.5 m長用土壓住，以防滑落槽內，采用順水流方向搭接。

5)土工膜鋪設完成后，應及時進行槽內回填，以防槽壁坍塌，并經2～3次回填后至槽口，夯實。

5.1.3 土工膜檢測

土工膜外觀質量:切口平直，無明顯鋸齒現象;穿孔修復點每卷不超過2個;水紋、云霧和機械劃痕不明顯;雜質每平方米20個以內;接頭和斷頭不允許。

性能試驗:按每批次或每5 000 m2隨機抽取試樣進行室內檢驗，材質應符合設計要求，焊縫強度應不低于母材強度的80%，且斷點不應從焊縫處斷裂。

5.1.4 土工膜的連結及周邊固定

槽內土工膜采用順水搭接方式，搭接長度≥2 m，堤基土工膜兩側不采取錨固措施，槽內填土壓住即可。槽外土工膜采用雙道焊縫進行焊接，焊縫為雙道，寬度10 cm，有效寬度為5 cm。土工膜靠近堤腳一側與坡面復合土工膜同樣采用雙道焊縫進行焊接，焊縫為雙道，寬度10 cm，有效寬度為5 cm。

5.2 坡面復合土工膜施工

5.2.1 復合土工膜鋪設

1)清除坡面雜草、樹根、塊石及其他尖角硬物等，修整坡面、回填雨淋溝、削坡(因修建開槽平臺而出現的陡坎)等。清除坡面基土100 cm厚，沿坡面開挖3道0.4cm×0.4m的防滑槽。最上面的防滑槽將作為固定復合土工膜的齒槽。

2)將復合土工膜按最大拉應力方向自坡頂徐徐展放至坡底，并埋入防滑槽內，回填清基土100 cm，填土夯實。要求鋪放不宜過緊，應留有足夠余幅(2%左右)，以便連接和適應坡面凸凹不平變化。

5.2.2 復合土工膜的連結及周邊固定

土工膜與復合土工膜、復合土工膜與復合土工膜之間的連接方式采用雙道焊縫焊接，寬度10 cm，有效寬度為5 cm。

坡面復合土工膜的上邊及起始兩側為防止堤體填筑卷起需固定，采用布邊埋入齒槽的固定方式。兩側的齒槽規格為0.3m×0.4m。

5.2.3 復合土工膜焊接質量檢測

抽樣測試法:經1 000 m2取一試樣，做拉伸強度試驗，強度≥母材的80%、試樣斷裂不在接縫處為合格。

6 工程運行效果

2005年8月—2010年7月，遼河先后發生20 a一遇的洪水，洪水歷時15 d和18 d，現場觀測堤基堤身無險情。

1)滲透量觀測:根據滲流計算采用工程措施的無管涌和漫滲、散浸的現象。

2)坡面植被觀測:坡面覆蓋黏土生長的蒿草根系淺于0.8 m，對土工布無影響。

［1］楊軍.以清水河為例談河道防滲施工［J］.中華建設，2009(10):70-71.

［2］水利部.SL275—2002水利水電工程土工合成材料應用技術規范［S］.北京:水利電力出版社，2002.

［3］果海威，于魁元.砂堤防滲工程垂直鋪塑施工技術［J］.水利技術監督，2001(4):44-46.