超深土工膜復(fù)合防滲墻施工技術(shù)概述及應(yīng)用

丁 玲

（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海市 200436）

0 引言

防滲墻廣泛應(yīng)用于水利水電工程的大壩的防滲帷幕，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，及國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，及美麗中國(guó)建設(shè)的不斷推進(jìn)，為了保證人類(lèi)的和諧生活，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求越來(lái)越高。地下水的保護(hù)是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，因此對(duì)防滲工程的技術(shù)要求更高。土工膜膜復(fù)合防滲墻20 世紀(jì)90 年代年開(kāi)始使用，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展超深土工膜膜復(fù)合防滲墻的施工技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)步，幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)研究也有了突破性進(jìn)展，土工膜復(fù)合防滲墻以其超高的防滲性能在露天礦止水帷幕、填埋場(chǎng)與污染場(chǎng)地垂直阻隔墻和堤壩防滲等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。

1 土工膜復(fù)合防滲墻的基本原理及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 基本原理

“土工膜復(fù)合防滲墻”是在土體內(nèi)開(kāi)出一定寬度和深度的溝槽，在溝槽內(nèi)垂直鋪設(shè)土工膜并回填以設(shè)計(jì)要求的填充材料，經(jīng)過(guò)回填料的固結(jié)形成以膜為主要幕體的復(fù)合防滲帷幕。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

土工膜復(fù)合防滲墻施工的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)主要包括四個(gè)方面：成槽、鋪膜、填充料回填和接頭形式。成槽方式有液壓抓斗成槽、鋸槽機(jī)或者TRD 工法機(jī)成槽，沉膜方法包括重力沉膜法和插入式沉膜法，接頭施工有鎖扣式、疊合式兩種形式。

2 重力沉入式HDPE 膜復(fù)合防滲墻施工

2.1 成槽施工

成槽施工主要考慮四個(gè)方面的問(wèn)題，成槽的設(shè)備、護(hù)壁泥漿的相關(guān)參數(shù)、槽段的分幅。

（1）成槽的設(shè)備

結(jié)合當(dāng)前地下連續(xù)墻的成槽工藝，采用成槽機(jī)或銑槽機(jī)進(jìn)行成槽，成槽的厚度40～800 cm，其主要區(qū)別在于斗架體的厚度。

（2）護(hù)壁泥漿的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件的不同泥漿的指標(biāo)也略有不同，改變泥漿的指標(biāo)主要考慮膨潤(rùn)土原材和外加劑的配合比。泥漿比重的控制最為關(guān)鍵，施工過(guò)程中泥漿比重太大導(dǎo)致后期進(jìn)行沉膜的過(guò)程中不能鋪設(shè)到設(shè)計(jì)深度，泥漿比重太小泥漿的護(hù)壁功能減弱，經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)確定的泥漿指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 泥漿的相關(guān)指標(biāo)

（3）槽段分幅

土工膜復(fù)合防滲墻的成槽寬度，在保證槽壁穩(wěn)定性的條件下盡可能寬，目前已經(jīng)使用過(guò)21 m、14 m、8 m 三種幅寬。

2.2 鋪膜施工

在泥漿護(hù)壁的槽段中進(jìn)行垂直鋪膜，采用重力沉膜法進(jìn)行施工，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了專(zhuān)用鋪膜架，鋪膜的工序主要有展膜、卷膜、鋪膜架就位、安裝配重、沉膜。

2.3 接頭施工

槽段內(nèi)的膜與膜之間采用了直接搭接的方式，槽段間的防滲膜搭接需要借助于接頭箱來(lái)實(shí)現(xiàn)搭接。其主要步驟是在槽段內(nèi)鋪膜施工結(jié)束后，在槽段的兩側(cè)下放接頭箱，將兩端的膜用接頭箱覆蓋住，然后在進(jìn)行填充料的澆筑，經(jīng)過(guò)填充料的固結(jié)或者凝固然后進(jìn)行臨近槽段的開(kāi)挖，臨近槽段開(kāi)挖結(jié)束后在進(jìn)行接頭箱的頂拔、刷壁與清底。

（1）接頭箱的設(shè)計(jì)

膜的搭接設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般為1 m，接頭箱設(shè)計(jì)尺寸長(zhǎng)度為1 m，根據(jù)槽段的厚度接頭箱的寬度比槽段厚度減5 cm。800 mm 厚防滲墻的接頭箱寬度為750 mm，600 mm 厚的防滲墻的接頭箱寬度為550 mm，400 mm厚防滲墻的為350 mm。在接頭箱的設(shè)計(jì)中需要根據(jù)最大頂拔力，進(jìn)行接頭箱之間的銷(xiāo)子和扁擔(dān)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）磁吸式疊合接頭

為了保證搭接部分的兩張膜能夠緊密的粘結(jié)在一起，鋪膜前，在每張膜的搭接部分的土工膜上粘結(jié)了磁膜，在鋪膜結(jié)束后經(jīng)過(guò)壓實(shí)后兩張膜因?yàn)橛写判远o密的吸附在一起，保證了接頭處的連接效率。磁膜粘貼示意與實(shí)際施工分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 膠磁粘貼示意圖

圖2 膠磁粘貼現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2.4 填充料澆筑

填充料可選用的材料有，塑性混凝土、低標(biāo)號(hào)混凝土、粉煤灰等作為填充料。填筑料的澆筑需要考慮以下幾個(gè)方面，一是槽段的寬度，8 m 幅寬采用兩個(gè)打灰架進(jìn)行澆筑，14 m 槽段采用四個(gè)打灰架，21 m槽段采用6 個(gè)打灰架；二是14 m 和21 m 槽段的澆筑要考慮幾個(gè)打灰架之間的澆筑速度，因?yàn)槌L(zhǎng)副段的采用的是兩張或者三張膜在槽段內(nèi)有方向性的疊加，膜疊加的時(shí)候沒(méi)有膜與膜之間沒(méi)有直接固定的，如果搭接在下方土工膜上的幾個(gè)打灰架的放料的速度過(guò)快很容易導(dǎo)致混凝土把膜沖起，導(dǎo)致疊加失效。三是在澆筑和鋪膜前進(jìn)行反循環(huán)清底，這樣既可以保證下膜的準(zhǔn)確性，又可以降低在澆筑到最后10 m 時(shí)的翻漿壓力。

2.5 接頭箱頂拔

接頭箱采用后頂拔的方式，在填充料澆筑的過(guò)程中采用微動(dòng)的方式進(jìn)行接頭箱的頂拔，保證接頭箱不會(huì)因填充料的凝固或者自密實(shí)而“埋”在填充料中，導(dǎo)致油頂不能進(jìn)行接頭箱的頂拔。

3 插入式土工膜防復(fù)合滲墻施工

插入式垂直鋪膜施工方法是采用TRD 工法機(jī)或者鋸槽機(jī)，用膨潤(rùn)土泥漿作為軟化材料，形成土與膨潤(rùn)土泥漿的軟弱唧泥溝槽，再采用帶有高頻振動(dòng)錘的插板將土工膜插入到溝槽的唧泥中形成膨潤(rùn)土和HDPE 組成的復(fù)合防滲墻。

3.1 TRD 或鋸槽機(jī)施工

TRD 工法機(jī)和鋸槽機(jī)施工的原理是相同的，通過(guò)其前端的鋸齒將土體攪松，并進(jìn)行土和泥漿的攪拌，使其充分混合形成一個(gè)防滲體。

3.2 振動(dòng)插入式鋪膜施工

鋪膜施工中采用的設(shè)備有履帶吊車(chē)、帶有高頻振動(dòng)錘的特制插板，經(jīng)過(guò)加工后的HDPE 膜。用履帶吊將特制插板吊起后，進(jìn)行就位同時(shí)將插板的底部卡入土工膜的底部卡槽中，進(jìn)行下放，同時(shí)打開(kāi)高頻振動(dòng)錘，借用插板的自重和高頻振動(dòng)的振動(dòng)將其插入到鋸槽機(jī)或者TRD 施工完成的溝槽中。

3.3 接頭施工

其接頭形式采用鎖扣式接頭。

4 自凝灰漿土工膜膜復(fù)合防滲墻施工

自凝灰漿土工膜復(fù)合防滲墻結(jié)合了自凝灰漿的墻的基礎(chǔ)之上增加的土工膜的下放工序而形成的復(fù)合防滲墻。其施工的關(guān)鍵工序包括成槽、自凝灰漿的配置和土工膜的下放方法。

4.1 成槽施工

成槽施工與重力沉入式土工膜防滲墻的成槽工藝相同，其區(qū)別在于自凝灰漿兼做墻體材料和成槽施工時(shí)的護(hù)壁泥漿。

4.2 自凝灰漿

自凝灰漿由膨潤(rùn)土、水泥和水混合組成，可添加充填料和外加劑來(lái)改善其性能。自凝灰漿的性能要能保證槽孔開(kāi)挖的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

自凝灰漿的制備：自凝灰漿的制備高速攪拌機(jī)拌制成膨潤(rùn)土泥漿，其配合比見(jiàn)表2。

表2 膨潤(rùn)土泥漿和自凝灰漿配合比

4.3 鋪膜及接頭方法

（1）鋪膜方法

自凝灰漿的比重大于普通膨潤(rùn)土的比重，在灰漿中下放的的阻力較大，因此單純的采用重力沉入式的鋪膜方式下放到位有很大的難度，采用插入與重力沉入的組合下放方式能夠切實(shí)保障鋪膜深度的準(zhǔn)確性，且能夠防止土工膜上浮。

（2）接頭施工方法

膜的下放不可能完全連續(xù)施工，在臨近槽孔施工時(shí)應(yīng)保護(hù)好連接的接頭，保證在臨近槽段施工時(shí)接頭不被破壞，有利于下次的連接。同時(shí)施工時(shí)的雜質(zhì)不能進(jìn)入已施工完的區(qū)域。為此制作了特制的接頭板，接頭板上附有HDPE 的連接鎖扣，可與已下設(shè)膜的連接鎖扣互鎖，保護(hù)鋼板的寬度略小于墻寬[10]。下好土工膜膜后，把接頭板下放到槽孔中，接頭板鎖扣與已下入膜鎖扣插好，即可起到保護(hù)土工膜和已完工槽孔的作用。其接頭也可以采用疊加式的接頭施工工藝。

5 土工膜復(fù)合防滲墻施工工藝的對(duì)比

目前眾多底線連續(xù)墻項(xiàng)目采用的土工防滲膜主要有三種形式，分別是重力沉入式、插入式以及自凝灰漿，表3 給出了這三種工藝的對(duì)比。

表3 幾種土工膜復(fù)合防滲墻的對(duì)比

6 土工膜復(fù)合防滲墻工法的應(yīng)用

6.1 露天礦截水帷幕的應(yīng)用

當(dāng)前疏排水是我國(guó)露天煤礦疏降地下水保證正常生產(chǎn)的常規(guī)方式，露天礦的開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)期疏排水可造成地下水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)、生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，進(jìn)而造成土地的沙漠化等后果，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。隨著我國(guó)對(duì)煤礦綠色開(kāi)采的日益重視，露天煤礦采用長(zhǎng)期大量疏排地下水的做法已不可取，將截水帷幕技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦進(jìn)行截滲減排，是解決露天煤礦疏排水問(wèn)題的根本措施，可實(shí)現(xiàn)露天煤礦的綠色、安全、可持續(xù)發(fā)展。土工膜復(fù)合防滲墻因其極低的“滲透性”在內(nèi)蒙古扎尼河露天煤礦得到了應(yīng)用，取得了顯著的截水效果，截水率達(dá)到90%，目前周邊地下水已恢復(fù)至生態(tài)水位，植被綠化植樹(shù)提高到原來(lái)的4 倍，生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善，促進(jìn)了植被的生長(zhǎng)，植被多樣性增加15%，完成施工的兩年共節(jié)約排水能耗近8 000 萬(wàn)[9]。

6.2 危險(xiǎn)物垂直阻隔技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

危險(xiǎn)物垂直阻隔技術(shù)是利用地下阻隔封存污染物或改變地下水流向，以達(dá)到控制污染水平遷移的目的。為了達(dá)到阻止地下污染物遷移的目的，要求垂直阻隔墻有非常低的滲透性，實(shí)際應(yīng)用中要求滲透系數(shù)不大于1.0×10-7cm/s，同時(shí)阻隔墻要有較好的連續(xù)性和耐久性，墻體材料具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，污染物與其作用不會(huì)導(dǎo)致阻隔功能的減弱或失效。

HDPE 膜的主要成分為高密度聚乙烯原生樹(shù)脂（約97.5%），采用HDPE 膜的垂直防滲墻滲透性極低，HDPE 膜的滲透系數(shù)達(dá)到10～12 cm/s，甚至更低。HDPE 膜段之間采用特殊的接頭施工后，形成連續(xù)的整體防滲結(jié)構(gòu)面。因此土工膜的低滲透性是其他防滲墻難以達(dá)到的。

HDPE 土工膜防滲墻由土工膜和礦物材料共同作用，對(duì)酸、堿、鹽、無(wú)機(jī)類(lèi)具有良好的抗侵蝕能力，滲透系數(shù)較低，適用于防滲要求等級(jí)高、有效阻隔期較長(zhǎng)的工程。被認(rèn)為是目前最為安全有效的地下污染源阻隔技術(shù)。

7 結(jié)論與展望

（1）土工膜復(fù)合防滲墻施工的成槽和鋪膜工藝已經(jīng)有相對(duì)較為成熟的施工工藝；

（2）填充料可選擇的種類(lèi)較多，需要開(kāi)發(fā)研究成本更為低廉的材料；

（3）接頭施工工藝仍然有很大的研究空間，開(kāi)發(fā)更為簡(jiǎn)易、有效的施工工藝是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題；

（4）在危險(xiǎn)物垂直阻隔技術(shù)施工領(lǐng)域，土工膜復(fù)合防滲墻是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向；

（5）自凝灰漿土工膜復(fù)合防滲墻施工難度最大。自凝灰漿兼做墻體材料和護(hù)壁泥漿，在槽內(nèi)喪失流動(dòng)性之前必須完成清孔、鋪膜工作，各工序的施工時(shí)間非常緊張。