淺談堤防防滲技術及設計

張文杰

（安徽水安建設集團股份有限公司 合肥 230601）

1 常用堤防防滲加固技術原理與特點

1.1 機械垂直鋪膜原理與特點

機械開槽垂直鋪膜防滲是20 世紀80年代中期開始研究試驗，90年代初發(fā)展起來的防滲技術。其工藝原理是利用開溝造槽鋪塑機，在壩體（基）內開出一定寬度和深度的連續(xù)溝槽，同步在溝槽內鋪設聚乙烯塑膜并回填符合設計要求的土料，經(jīng)過土料的濕陷固結形成以塑膜為主要幕體材料的防滲帷幕。此技術目前在水庫大壩、河道堤防防滲工程中得到比較廣泛的應用。

1.2 水泥土防滲墻工作原理與特點

水泥土固化機理：水泥攪拌土的固化主要是通過水泥和土的物理化學變化來實現(xiàn)的。土體中噴入水泥漿再經(jīng)攪拌拌和后，水泥和土的固化過程有以下物化反應：（1）水泥的水解和水化反應；（2）離子交換和團粒化作用；（3）硬凝作用；（4）碳酸化作用。水化反應減少了土體中的含水量，增加顆粒之間的粘結力；離子交換與團粒化作用可以使顆粒形成堅固的聯(lián)合體；硬凝作用能增加水泥土的強度和足夠的水穩(wěn)定性；碳酸化作用還能進一步提高水泥土的強度。水泥土的物化反應增加了固結體強度和結構致密，從而使其具有足夠的水穩(wěn)性和抗?jié)B性。

多頭小直徑攪噴式水泥土防滲墻施工技術，是近幾年來發(fā)展起來的一項新的防滲墻施工工藝技術。其主要原理是：在移動樁架上設置有五根（或以上）攪拌軸，通過動力轉動攪拌軸對土體進行攪拌、切削，同時對三根軸（或以上）提供水泥漿液，對兩軸（或以上）提供壓縮空氣，五軸間同時相對轉動掘攪、切削、供漿、供氣，三維作業(yè)，將地層土體與水泥漿液混合，攪拌成均勻的水泥土體，形成地下連續(xù)防滲墻。

1.3 灌漿工作原理與特點

灌漿技術是利用壓力將固結的漿液通過鉆孔注入土體或巖石空隙中，使其物理力學性能獲得改善的一種有效的防滲方法。比較常用的漿液有水泥粘土漿、水泥漿、水泥-水玻璃漿。目前運用較多的是水泥粘土漿形成的防滲帷幕灌漿。

灌漿技術分為：錐探灌漿防滲技術、劈裂灌漿防滲技術、帷幕灌漿防滲技術、袖閥灌漿技術。

1.4 高壓噴射工作原理與特點

先利用鉆機引孔至設計深度后，將噴具下至設計深度，通過高壓漿液切割造槽，控制旋轉速度、噴嘴擺角及提升速度，經(jīng)過高壓漿液切割、攪拌、升揚置換等作用，利用水泥漿液充填槽孔，形成水泥土固結體防滲墻。高壓噴射形式上分為：定噴、擺噴、旋噴；注漿方法分為：單管法、雙管法、三管法和雙高壓等。

1.5 地下連續(xù)墻工作原理與特點

地下連續(xù)墻是在地面上利用特制的成槽機械，沿著開挖工程的周邊（例如地下結構的邊墻），在泥漿（又稱穩(wěn)定液，如膨潤土泥漿）護壁的情況下進行開挖，形成一定長度的溝槽，再將制作好的鋼筋籠放入槽段內，采用導管法進行水下混凝土澆注，形成一個單元的墻段，各墻段之間采用特定的接頭方式（如用接頭管或接頭箱做成的接頭）相互連接，形成一道連續(xù)的地下鋼筋混凝土墻。

1.6 防滲技術的適用范圍及優(yōu)缺點

機械垂直鋪膜：優(yōu)點是防滲效果顯著，施工技術可靠，施工質量易控制，刮板式機械能適應不同土質的施工要求，工效高、進度快，每臺機械一晝夜鋪膜400～600m2，且造價較低。缺點是工藝要求高，遇塊石和疏松堤段槽壁坍塌時易造成難工，遇松散堤防沉陷、變形大，最大成槽深度13.0m左右，對防滲深度大于13m 的還不能完全滿足工程的需要，目前應用逐漸減少。

表1 常用堤防防滲加固技術的比較表

高壓噴射防滲墻：優(yōu)點是施工技術及工藝成熟、可適應于各類復雜地層，直接形成較深的防滲帷幕，防滲效果好；機具體積小，布置靈活，場地適應性強。缺點是工效相對較低，材料消耗量大，造價高。

多頭小直徑深層攪拌樁：優(yōu)點是墻體均勻密實、延續(xù)性、整體性、抗?jié)B性好，加固最大深度可達28m，工效較高，價格較適中。缺點是設備體積及自重大，對場地有一定要求。

地下連續(xù)墻：優(yōu)點是墻體均勻，整體性好，能適應各種地層條件。缺點是造價高，作業(yè)面要求高，棄土和廢漿需處置。

2 防滲墻體設計

2.1 防滲墻深度設計

防滲墻的嵌固深度要求是當基坑底土層為砂石土或砂土、基坑內排水且作用有滲流水壓力時，防滲結構嵌固深度需滿足坑內土體不發(fā)生管涌的抗?jié)B穩(wěn)定條件，抗管涌計算示意圖如圖1。

圖1 抗管涌計算示意圖

目前，國內在設計防滲結構方面的代表性規(guī)程有《建筑基坑支護技術規(guī)程》《上海市基坑工程設計規(guī)程》《廣東省建筑基坑支護工程技術規(guī)程》。

《建筑基坑支護技術規(guī)程》中防滲墻深度計算采用公式：

式中：β—抗?jié)B穩(wěn)定系數(shù)，取1.2；γ0—工程重要性系數(shù)。

《上海市基坑工程設計規(guī)程》中防滲墻深度計算采用公式：

式中：Ks—抗?jié)B流或抗管涌穩(wěn)定性安全系數(shù)，取1.5～2.0；基坑底部為砂性土、砂質粉土或粉性土中有明顯薄層粉砂夾層時取大值；ic—極限平均水力坡度，ic=γ’/γw=（Gs-1）/（1+e）；i—均水力坡度，i=hw/L=hw/（∑Lh+m ∑LV），γ’—透路徑上土的加權有效重度；γw—地下水的重度；hw—支護結構兩側水頭差；L—最短滲徑流線總長度；∑Lh—滲徑水平段總長度；∑LV—滲徑水平段總長度；m—滲徑垂直段換算成水平段的換算系數(shù)，單排帷幕墻時，取m=1.5，多排帷幕墻時，取m=2.0。

《廣東省建筑基坑支護工程技術規(guī)程》中防滲墻深度計算采用公式：

式中：K—抗管涌穩(wěn)定性安全系數(shù)（≥1.5）；h′—基坑外側地下水至基坑底的距離；D—支護結構嵌入深度；γ0—工程重要性系數(shù)；γ′—滲透路徑上土的加權有效重度；γw—地下水的重度。

以上所列規(guī)程在國內基坑防滲設計方面具有一定的代表性，但只有《上海市基坑工程設計規(guī)程》明確了最短滲徑流線總長度的概念，其余規(guī)范均基于垂直開挖的基坑工程防滲深度設計，其對于超大型水工、航運建筑物基坑內側放坡，同時設置降水井的外側防滲深度設計趨于保守，存在一定的局限性。因此在江蘇沿江地區(qū)基坑防滲深度設計建議采用上海地區(qū)規(guī)程較為合適。基坑降水剖面圖如圖2。

圖2 基坑降水剖面圖

2.2 防滲墻厚度設計

防滲體系墻體的厚度由構成墻體材料的允許水力坡度和墻體內外側水頭高度決定。墻體厚度計算公式：

式中：△H—墻體兩側水頭差；［J］—水泥土允許比降；ηj—系數(shù)，可取1.1～1.4；允許水力坡降［J］的取值取決于構成墻體的物質特性。

3 結語

目前在防滲結構材料的研究中，對于混凝土防滲結構的允許水力坡降研究比較深入和透徹，對于水泥土防滲墻允許水力坡降的研究仍顯不足。堤防防滲的形式比較多，應根據(jù)不同的土層選擇適宜的工藝■