水利防滲膜及減壓系統(tǒng)在人工濕地中的應用

劉 聰，方 昊

(南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000)

0 前言

復合土工膜作為一種常用防滲材料，在河渠池湖中應用廣泛，常用的型式包括PE(聚乙烯)復合土工膜、HDPE(高密度聚乙烯)復合土工膜等[1]。水池等采用土工膜形成封閉水平防滲，而區(qū)域地下水位變化頻繁時，由于土工膜滲透性極低(k<10-11cm/s)，地下水位漲落產(chǎn)生的氣泡和浮力會對水平防滲膜產(chǎn)生頂托作用[2]，從而造成膜底不均勻變形，造成鼓包或局部破裂[3]，甚至使防滲系統(tǒng)失效。

人工濕地屬于市政環(huán)境工程，防滲設計多參照規(guī)范CJJ 113—2007《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術規(guī)范》[4]。而復合土工膜在水利領域已長期廣泛應用于水庫、渠道、河湖治理[5]，其相應土工膜防滲應用經(jīng)驗可對人工濕地設計提供參考與借鑒。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某人工濕地位于江蘇省淮安市，為工業(yè)園區(qū)污水廠尾水凈化濕地，設計凈化處理能力20000t/d，總占地面積106畝(面積70618m2)。濕地工藝布置曝氣調節(jié)塘1座(面積7642m2)、應急塘1座(面積3819m2)、高效微生物濾池2座(處理能力共20000m3/d)、高效除磷表面流濕地1座(面積23168m2)。前置的曝氣調節(jié)塘、應急塘直接存放未經(jīng)加強處理的污水廠尾水，采用復合土工膜進行水平防滲。為應對可能出現(xiàn)的進水水質超標，應急塘常貯水位較淺，以預留容積，其防滲膜上浮變形危險性在所有水池中最嚴重，本文以應急塘為例做設計與分析。

1.2 地質情況

場地在地貌上屬徐淮黃泛平原區(qū)，沖積扇三角洲地貌單元，第四紀覆蓋層主要由砂質粉土及粘性土組成，擬建場地以農(nóng)田為主。地勘鉆孔揭示土層分布情況如下：

(1)1-1素填土：雜色，松散，濕，以粉性土為主，局部段為雜填，夾雜有碎石，表層含生活垃圾，土質不均勻。中等透水，場地普遍分布。

(2)2-1粉質黏土：淺灰色，軟塑，干強度中等，韌性中等，該層夾薄層粉土。弱透水，場局部分布。

(3)2-2砂質粉土：淺灰色，稍密～中密，濕度大，搖震反應迅速，干強度低，韌性低，局部夾有軟塑狀粉質粘土，土質不均勻，中等透水，該層沿線局部缺失。

(4)2-3粉質黏土：灰色，軟塑，切面稍光滑，干強度中等，韌性中等，局部含有砂質粉土，土質不均勻，弱透水，該層沿線均有分布。

(5)2-4淤泥質粉質黏土：灰黑色，流塑～軟塑，稍有腐臭味，干強度韌性中等。極微透水，場區(qū)局部缺失。

(6)3-1含砂姜粘土：灰黃色，硬塑，局部夾薄層粉砂，含砂姜約占5%～10%，粒徑約5～30mm，稍有光澤，無搖震反應，干強度中等，韌性中等。微透水，場區(qū)普遍分布。該層未揭穿。

應急塘為下挖式水池，自然放坡，挖深范圍內(nèi)土層為1-1素填土、2-2砂質粉土，下臥土層為2-3粉質黏土、2-4淤泥質粉質黏土。

1.3 地下水情況

場地勘察深度內(nèi)地下水為松散土類潛水中的孔隙水，潛水中的孔隙水賦存于1-1層填土和2-1層粉質黏土及2-2層砂質粉土中。

根據(jù)搜集到的資料，季橋鎮(zhèn)歷史最高潛水位為地面下0.50m，潛水位年變化幅度一般為2m左右。據(jù)調查，近年最高水位埋深為地面下0.50m。地下水位季節(jié)性變化顯著，一般在雨季到來之前的5月下旬—6月上旬達到最低點，6月中旬以后隨著雨季的到來，水位開始回升，至7—9月份降雨高峰季節(jié)孔隙水位到達高點，此時水位埋深最高可達1m以內(nèi)。

根據(jù)地勘建議，建筑物抗浮設計水位按室外設計地坪以下0.5m考慮。

1.4 風險分析

(1)地下水位變動活躍帶來的抗浮風險。防滲膜抗浮穩(wěn)定最不利水池為應急塘，面積約3819m2。根據(jù)濕地工藝布置，場區(qū)設計地面高程7.20m，應急塘塘底高程3.50m，塘內(nèi)常貯水位4.50m，以預留事故備用容積。抗浮設計地下水位最高可至6.70m，最低4.70m，即當?shù)赜昙緯r期，隨地下水位上漲，最大將會對塘底防滲膜產(chǎn)生2.20m凈水頭差浮力。

(2)場地土質情況的不均勻性。濕地水塘在現(xiàn)場開挖期間，發(fā)現(xiàn)表層地基中有大量垃圾埋藏。據(jù)與當?shù)毓芾聿块T核實，本區(qū)域數(shù)年前曾被實際作為非法垃圾填埋場地，后期未經(jīng)轉運。

地下水位漲落及地基土質的不均勻容易在防滲膜底產(chǎn)生氣泡并伴有較強的浮力，使復合土工膜產(chǎn)生變形破壞風險。

2 防滲膜及排水減壓系統(tǒng)

2.1 防滲及防沖設計

應急塘采用水平防滲，防滲材料選用復合土工膜，防滲材料設置相應支持層及保護層。具體做法參照水利防滲膜及渠道防滲規(guī)范，如圖1所示。

圖1 復合土工膜防滲結構及集水井

(1)支持層設計：塘底原狀素土夯實，再鋪設200mm厚粗砂墊層，上鋪土工布1道；

(2)復合土工膜防滲層：防滲材料復合土工膜采用兩布一膜結構ABA型，其中基布A為2層無紡布，膜B為光面高密度聚乙烯(HDPE)膜，厚度不小于1.0mm。復合土工膜上下設置過渡層，均采用50mm厚砂漿墊層；

(3)保護層設計：保護層采用黏土壓實，厚度600mm，同時為增加膜上配重，再增設600mm厚卵石覆蓋層。

2.2 排水降壓系統(tǒng)

根據(jù)SL/T 231—98《聚乙烯土工膜防滲設計規(guī)范》，當水面寬度大于10m、水深大于2m時，應采取減壓系統(tǒng)，可采用的型式包括：砂卵石連續(xù)排水層、間距小于3m的排水集水管道、排氣管(有高壓時用)、排水排氣系統(tǒng)，如圖2所示。本工程膜下采用排水排氣系統(tǒng)，設計原則為“網(wǎng)狀覆蓋、集中釋放”。

圖2 膜下排水降壓系統(tǒng)布置

根據(jù)應急塘平面形狀，采用縱橫狀集水排氣系統(tǒng)，全覆蓋塘底及坡面防滲層。塘底防滲膜下200mm粗砂支持層中，設置縱橫矩形塑料盲溝作為集水排氣媒介。縱向盲溝間距10m布置1道，范圍覆蓋；橫向盲溝在塘底及塘口各環(huán)形布置1道。矩形塑料盲溝尺寸300mm×200mm，中空部分160mm×73mm，外包土工布1道。

塘底環(huán)形橫向盲溝均布設置2座點狀集水井，當出現(xiàn)塘內(nèi)水位過低或無水時，應采用備用泵從盲溝集水井中抽水，保證集水井中水位低于塘內(nèi)水位。

2.3 抗浮計算

防滲膜上壓重大于膜下浮力，并預留一定的安全裕度，抗浮系數(shù)k取1.05。抗浮計算公式：

k·ρwΔh=∑ρsihi+ρwhw

(1)

式中，ρs、ρw—土體、水容重，kN/m3；Δh—浮力水頭差，m；hw—塘內(nèi)水深，m。根據(jù)抗浮穩(wěn)定要求，如不采取其他措施，當雨季地下水位上漲至6.70m時，應急塘內(nèi)至少需貯水2.1m深。

2.4 集水井排水量計算

排水排氣系統(tǒng)抽排水量可參照基坑降水公式計算，水塘面積3819m2，集水井及導水盲溝組成潛水非完整降水井，井點數(shù)量為2。基坑總涌水量Q及降水井單井設計流量計算公式為：

(2)

(3)

式中，H—潛水含水層厚度，m；h—降水后水位線高度，m；l—過濾器進水部分長度，m；R—降水影響半徑，m；r0—基坑等效半徑，m。

為滿足抗隆起要求，至少需將應急塘位置地下水位降至與塘內(nèi)常水位齊平，根據(jù)計算基坑總涌水量為14.62m3/d。為保證水池防滲膜下降水效果均勻，設置2座降水井對稱均勻布置，相應單井設計流量為8.0m3/d。

3 基于PLAXIS的膜下減壓效果模擬

3.1 有限元模型的建立

PLAXIS程序是目前廣泛采用的巖土有限元模擬軟件，本次設計基于PLAXIS平臺對人工濕地防滲膜下系統(tǒng)進行地下滲流模擬[6]，從而分析減壓效果。

本次有限元計算采用平面應變十五節(jié)點模型，水平、豎向分別對應模型X、Y向，滲流條件打開xmax、xmin、ymax邊界，關閉ymin邊界。防滲膜及膜上保護層防滲黏土設置極小滲透系數(shù)(k<10-9cm/s)，膜下粗砂為強透水，其余土層根據(jù)地勘資料取值，土體采用可排水的摩爾-庫倫本構模型[7]。降壓集水井采用井單元模擬，設置行為類型為地下水抽取，單井抽水流量8.0m3/d，模型計算參數(shù)設置見表1。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

3.2 模型計算結果

分3種工況計算對比分析膜下排水減壓系統(tǒng)的作用：3種工況均為高地下水位抗浮不利工況，工況一為原始條件工況，工況二為膜下不設盲溝+砂墊層的啟泵降壓工況，工況三為膜下設集水盲溝+砂墊層的啟泵降壓工況，見表2。如圖3—5所示為3種工況的孔隙水壓力云圖。

表2 計算工況表

圖3 工況一：高地下靜水位工況孔隙水壓力云圖

對比圖3—5，可以直觀發(fā)現(xiàn)啟動抽水泵可以有效減小防滲膜下的孔隙水壓力；對比圖4—5，可以發(fā)現(xiàn)防滲膜下集水盲溝+砂墊層的設置，對于緩解孔隙水壓力的分布均勻性具有明顯效果，究其原因，抽水行為在強透水的集水墊層中形成的負壓作用均勻分布，周邊土體可通過更大的接觸面實現(xiàn)地下水的通暢流動。為了避免應力不均導致膜體差異變形從而產(chǎn)生破壞，集水井及盲溝+粗砂墊層共同組成膜下降壓系統(tǒng)是有效且有必要的。

圖4 工況二：膜下無盲溝+砂墊層，啟泵抽水工況孔隙水壓力云圖

圖5 工況三：膜下有盲溝+砂墊層，啟泵抽水工況孔隙水壓力云圖

以3m間距均勻取坡面、坡腳、塘底的防滲膜下節(jié)點，繪制孔隙水壓力曲線如圖6所示，可以得出，設置集水井+粗砂墊層組成的膜下排水降壓系統(tǒng)以后，可以減小防滲膜受到的孔隙水壓力平均36.9kPa，減小總頂托力約2434.73kN，有效提高了防滲膜的抗浮安全。

圖6 防滲膜下孔隙水壓力沿線分布圖

4 結語

參照水利渠道復合土工防滲膜相關做法，應用于人工濕地塘底設計，對于復合土工膜與膜下盲溝粗砂墊層+集水井組成的排水降壓系統(tǒng)，經(jīng)過PLAXIS有限元軟件驗算，可知其可有效且均勻的緩解高地下水位對防滲膜底產(chǎn)生的孔隙水浮托力。證明該種設計做法對于人工濕地的復合土工膜防滲處理方式是合理可行的，為以后的人工濕地防滲設計提供了參考借鑒。