露天煤礦截水帷幕防滲膜垂向隱蔽鋪設施工工藝

李文嵩，黨亞堃，朱明誠，高 雅

(1.國家能源集團大雁公司，內蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

HDPE 土工膜全稱“高密度聚乙烯土工膜”，是以一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂為原料生產的防水阻隔材料。該土工膜具有強度高、抗老化、抗低溫、耐腐蝕、壽命長等特點。因其造價低廉、易于運輸，且防滲性優秀，現今廣泛應用于水利水電工程、鐵路隧道工程、建筑工程及垃圾填埋場中的截滲環節[1-2]。實際使用中，土工膜取得了良好的經濟效益及社會效益。

HDPE 土工膜(以下簡稱“防滲膜”)已在其他防滲領域中得到廣泛應用。袁滿洪[3]、潘紹財等[4]提出垂直鋪塑技術在水利基礎工程中的抗滲應用，介紹了其優點及施工控制要點等，一般應用深度在1～15 m，地下水位保持在2～6 m 以下；張德友[5]介紹防滲膜帷幕在堤防加固中的應用，并完整介紹了其施工流程；姚有朝等[6]將垂直防滲帷幕應用于衛生填埋場中，適宜深度在16 m 以內。在煤礦截水領域，張雁[7]提出采用地下防滲墻對補給通道進行帷幕截滲是露天煤礦防治水工程的新方法與新思路；趙春虎等[8]提出帷幕墻阻水減滲是礦區強富水強補給含水層水資源保護性開采的一種有效手段。根據以往研究成果可知，在露天煤礦利用防滲膜垂向隱蔽鋪設進行截水減排具有可行性。

目前，防滲膜多采用平面或斜面鋪設，利用焊接技術實現膜與膜之間的連接；在水利工程中利用垂直鋪塑技術實現地下防滲。但在煤礦截滲減排中，尚無防滲膜垂向鋪設技術應用范例，原因有以下幾點：①煤層賦存深度往往較大，將防滲膜垂直鋪設至槽段底部，且保證膜在下放過程中無褶皺、無彎曲、無破損，難度較大；② 鋪設過程為隱蔽鋪設，較難檢驗每幅防滲膜是否保持完整性且順利下放至槽段底部；③防滲膜帷幕墻由較多組防滲膜組成，膜與膜之間的無縫連接是防滲的關鍵，需要檢驗其截水效果；④ 防滲膜鋪設完成后，需確定槽段內采取的回填方式及回填材料選擇。

在我國某露天煤礦采坑外圍建設的截水帷幕中，地下帷幕墻起到為煤礦截滲減排、封堵過水通道的作用[9]，對防滲性要求較高，對承壓能力要求略低。因此，防滲膜帷幕墻比起傳統鋼筋籠加混凝土澆筑工藝的地下連續墻，突出其防滲性強的優點，減少不必要的抗壓性能，極大減少成本，降低施工難度，提高施工效率。基于此，本文重點介紹防滲膜垂向隱蔽鋪設過程和工藝，提出防滲膜垂向鋪設難點的解決方案，并根據圍井試驗檢驗其防滲效果，分析該工藝推廣應用的可行性；以期為防滲膜在露天煤礦帷幕防治水工程中的應用提供參考。

1 工程概況

某露天煤礦位于我國東北部草原區，煤層賦存穩定，開采過程中，礦坑疏排水量大，通過水文地質勘探得知礦坑涌水主要為北側河流通過礫石層沿煤層隱伏露頭補給，動態補給量約為疏排水總量的82%。

經一系列勘探、論證及分析，為控制含水層對煤礦開采及邊坡穩定性的影響，減少對地下水資源的破壞，在原有疏干孔不足以滿足礦坑排水的情況下，該露天煤礦擬建設地下帷幕墻，對地下水滲水通道進行帷幕截流，達到減少礦坑疏排水量、實現礦坑安全生產、生態環保等多重目標，保障露天礦安全高效開采。

地下帷幕墻是使用挖槽機械，在地下開挖一條狹長深槽，成槽后進行灌注充填形成的連續墻體，多用于截水、防滲、承重工程。目前國內外地下截水帷幕墻主要有混凝土地下連續墻、高壓及超高壓射流注漿地下連續墻、樁基地下連續墻、注漿帷幕等。本項目經多次試驗，最終采用防滲膜垂向隱蔽鋪設與水泥-粉煤灰混合漿液注漿回填的施工工藝，構筑截水帷幕墻。

2 防滲膜垂向隱蔽鋪設技術

2.1 防滲膜參數與規格

防滲膜進場前，先對其進行檢測[10-11]。待合格證等出廠材料齊全且抽檢合格后，方可投入使用。防滲膜檢測指標見表1。

表1 防滲膜主要參數Table 1 Main parameters of anti-seepage membrane

2.2 鋪設機具研制

張立新等[12]提出，防滲膜垂向鋪設方式主要有2 種，①薄膜桿法，將防滲膜卷在一根薄膜桿上，通過牽引使之跟隨開槽機械向前運動，防滲膜即可展鋪在槽孔中；② 直鋪法，將防滲膜以較小寬度直接沉入槽孔中。2 種方式的槽孔深度一般控制在16 m 以內。

由于本次帷幕墻深度最大約56 m，用上述2 種方式難以保證防滲膜的鋪設質量，因此，針對深度較大的防滲膜鋪設，研制了鋪膜機具，如圖1 所示。該裝置由分離滾筒、支架、電機、操控臺等組成，其中電機位于操控臺右下側，圖中被分離滾筒擋住未標出。分離滾筒用于控制防滲膜的下放幅度，保證防滲膜的平整；支架用于支撐防滲膜下放；電機用于控制防滲膜上升及下放的速率；操控臺用于進行人為控制。

圖1 防滲膜垂向鋪設裝置Fig.1 Vertical laying device for anti-seepage membrane

2.3 配重設計

防滲膜下放時，因槽段底部泥漿比重較大，防滲膜質量較小，難以下放至底部，因此，需配重輔助膜的下放；同時，配重還可將防滲膜拉展、減少膜的褶皺等。

配重需兼顧成本低、易制作、質量大等特性，經分析對比，選用混凝土制作配重。將混凝土倒入特制模具中，上面插入木龍骨用以連接膜與配重，待混凝土凝固后，便可投入使用，配重制作及剖面如圖2 所示。

圖2 防滲膜配重剖面Fig.2 Profile of counterweight of anti-seepage membrane

2.4 鋪設過程

待成槽后，利用吊車將卷有防滲膜的鋪設裝置擺在槽段邊緣，用螺栓將配重與防滲膜連接在一起，一幅寬8 m 的膜需要5～6 個配重。配重安裝完成后，便可啟動鋪膜裝置進行防滲膜垂向鋪設。待配重抵達槽段底部時，將防滲膜上端用鋼筋固定至槽段邊緣，便完成該槽段的防滲膜鋪設。防滲膜帷幕墻施工過程如圖3 所示。

圖3 防滲膜地下帷幕墻施工流程(據文獻[14]修改)Fig.3 Construction flowchart of anti-seepage membrane underground water cutoff curtain wall

鋪設過程中需要注意，該工藝為大深度垂向隱蔽鋪設，部分槽段深度超過50 m，施工人員需拉展防滲膜，時刻保證膜的平整及垂直；在鋪膜過程中嚴禁吸煙，使用火柴、打火機或化學溶劑類似的物品[13]，防止將膜破壞，降低帷幕墻截水效果。

3 疊覆連接與注漿回填技術

由于工藝限制，地下帷幕墻必須分幅施工，否則會有槽孔坍塌等風險。因此，防滲膜的疊覆連接也分為2 種類型，一是在同一槽段內鋪設的防滲膜進行疊覆，二是對不同槽段間連接的防滲膜進行疊覆。

3.1 同一槽段內連接

同一槽段內防滲膜的疊覆連接如圖4 所示，第1幅膜鋪設完成后，第2 幅膜與第1 幅重疊1.5 m 后鋪設，第3 幅膜再與第2 幅重疊1.5 m 鋪設即可。

3.2 不同槽段間連接

圖4 同一槽段內疊覆連接示意Fig.4 Schematic diagram of overlapping connections in the same groove section

不同槽段間易產生接縫，接縫處往往為滲水頻發區[15]，因此，本次采用接頭箱工藝進行不同槽段處的連接。接頭箱斷面長0.53 m，寬0.5 m，整體高9 m。深槽中將某一接頭箱底部與另一接頭箱頭部進行連接，插入銷子固定，以此類推，直到將接頭箱整體下放至槽段底部，且頂部露出槽段。如此可將相鄰2 幅槽段隔開，不僅解決了不同槽段間防滲膜的搭接難題，且實現了注漿回填后不同槽段間的無接縫連接。接頭箱結構如圖5 所示。

圖5 接頭箱結構及其剖面Fig.5 Structure and cross-section of connection boxes

接頭箱連接原理如圖6 所示。在已完成防滲膜鋪設槽段A 的一側端頭垂直下入接頭箱，完成槽段A 注漿回填后開挖相鄰槽段B，開挖完成后，利用液壓頂升架將接頭箱頂出槽段(需保證槽段A 內的漿液固結)，之后在B 槽段靠內側鋪設防滲膜，并與A 槽段疊覆1 m。然后在B 槽段另一端頭下放接頭箱，并注入漿液，待其固結后將接頭箱頂拔出槽段，以此類推，最終完成防滲膜帷幕墻施工。

圖6 接頭箱連接槽段施工示意Fig.6 Schematic diagram of connection between connection boxes and deep groove

接頭箱工藝有效解決了不同槽段間防滲膜搭接的難題，不僅使單幅防滲膜帷幕墻連接成整體，更有鋪設效率高、易控制、使槽段間無接縫等優點。

3.3 注漿回填技術

防滲膜鋪設完成并固定于地面后，槽段內其余部分需進行充填。若使用原狀土回填，具有以下幾個缺點：①原狀土為泥漿、水、砂、礫石等混合物，需晾曬后方可回填，工序復雜，耗時長；② 無法保證回填密實，有塌陷風險；③原狀土回填會污染泥漿，導致泥漿質量變差，不易回收重復利用。

為解決上述問題，采用槽底注漿工藝進行回填。根據槽段長度不同，下放注漿管數量不一樣，槽段長為3、7、14、21 m 時，分別采用注漿管數量為1、1、2、3 根。注漿回填材料采用高摻量粉煤灰-水泥混合漿液，粉煤灰與水泥的質量比為4︰1，混合漿液密度約為1.5 g/cm3，利用混合漿液密度大于槽內泥漿的原理置換泥漿，達到充填槽段的目的[16]。施工時通過注漿泵向槽底輸送混合漿液，待泥漿緩慢上升，用地面泵將泥漿抽入循環漿池，重復利用，直到水泥-粉煤灰混合漿液升至槽段頂部，即可停止注漿，待漿液凝結便完成防滲膜帷幕墻建設。在注漿回填過程中，對每幅槽段回填漿液進行自檢取樣，按規范進行水養，待試塊到達齡期后進行抗壓抗滲測試。經測試結果統計，注漿回填漿液平均抗壓強度約為3.0 MPa，抗滲等級為P3，遠大于原狀土的抗壓和抗滲等級。

注漿回填技術不僅能保證將防滲膜壓實至槽段一側，起到固定防滲膜作用，且粉煤灰-水泥混合漿液固結后具有良好抗滲性，與防滲膜起到截水的“雙保險”作用。

4 防滲膜截滲效果驗證

為檢驗防滲膜疊覆鋪設接頭的截水質量，采用圍井抽水試驗方式進行檢驗。帷幕軸線上單幅長8 m，外側單幅長7 m，圍井兩側單幅長4 m，鋪設U 型防滲膜疊覆1 m，深度均為46 m。圍井施工完成后，在圍井中心施工抽水井。現場圍井試驗施工如圖7 所示，其中抽水泵采用額定流量8 m3/h、揚程50 m 規格，下泵深度為44 m。

圖7 圍井設計Fig.7 Design of surrounding well

抽水試驗采用定流量定降深抽水方式，共獲取3 組穩定降深與抽水量數據，見表2。

表2 抽水試驗數據Table 2 Pumping test data

根據水均衡原理與達西定律Q=KAJ，得到：

式中：K為滲透系數，m/s；Q為抽水穩定流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；L為圍井四邊周長，m，取16.0 m；h為過水段高度，m，取20.4 m；J為墻內外水力坡度，無量綱；M為墻體平均厚度，m，本次取M=0.6 m；ΔH為墻內外水頭差，m，即抽水孔穩定降深。

將3 組數據代入式(1)中，得到K1=8.5×10-7cm/s，K2=7.3×10-7cm/s，K3=1.0×10-6cm/s。取平均值，得到墻體滲透系數K=8.6×10-7cm/s。根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中滲透系數K值分類，可知防滲膜圍井墻體的滲透性級別為極微透水。

5 結論

a.以我國某露天煤礦采坑外圍建設的截水帷幕為例，研究了防滲膜垂向隱蔽鋪設施工工藝及流程。采用HDPE 土工膜作為防滲材料，使用自制的鋪膜機具，在膜底部搭配混凝土配重向槽段內進行垂向隱蔽鋪設；同一槽段內防滲膜直接疊覆進行鋪設，不同槽段采用接頭箱工藝進行疊覆鋪設；最終采用注漿回填工藝完成截水帷幕建設。

b.采用高摻量粉煤灰-水泥混合漿液的注漿回填技術，使防滲膜被壓實，且比原狀土回填提高了帷幕墻的抗滲性；圍井抽水試驗結果也驗證防滲膜帷幕墻的截水效果，滲透性級別為極微透水。

c.在露天煤礦截滲減排方法中，帷幕墻具有截水效果優秀、使用年限長、無后續投入等優點；而防滲膜帷幕墻則具有施工效率高、成本低等特點，具有較高的經濟效益，在露天煤礦可起到防滲截流、維護邊坡穩定、保證煤礦高效開采和有利于周邊生態環保等作用，具有推廣價值。

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