張志堅

（昆明市水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650000）

1 基本原理

基礎防滲設計采用在迎水坡堤腳進行垂直鋪塑的防滲處理方案，選用0.5 mm厚LDPE土工膜作為防滲材料，防滲深度8.0 m，防滲帷幕體設在堤壩迎水坡堤腳前2～3 m處。坡面防滲采用在迎水坡坡面上鋪設復合土工膜，土工膜鋪設至設計水位以上0.5 m，土工膜上面壓蓋粘土（垂直于堤坡方向墻厚1 m）為主；上游堤腳處水平粘土鋪蓋（厚1 m），坡面防滲土工膜與基礎防滲土工膜在堤腳進行連接，形成整體的懸掛式防滲帷幕。

垂直鋪塑技術是20世紀80年代初開始研制發(fā)展起來的一項新的防滲技術，經(jīng)過二十余年的發(fā)展和創(chuàng)新，該技術已日趨成熟并廣泛應用于水庫大壩和江河、湖泊大堤的防滲加固工程。垂直鋪塑法施工工藝簡單、施工速度快、成本低、防滲效果好，工程造價低，在國內水利防滲工程中得到了廣泛的應用。

2 工程實例

2.1 概況

元江金平縣境內段地質為第四系（Q4）全新統(tǒng)海陸交互相相沉積地層。地形表面平坦，實為無限透水地基。河道兩岸堤基土質不好，一般自上而下是粉土層和細砂層，有的表層即為細砂，也有少數(shù)地區(qū)表層有1～2 m左右的粉質粘土，往下粉土、細砂。由于河道筑堤土料來自河灘地，因此堤身填土成分復雜。在河道整治施工中，采用泥漿泵筑堤，取土深往往達到7～8 m甚至更深，筑堤土料中細砂成分較高，所以河道堤防大多是砂堤、砂基。

元江金平縣境內段以上徑流面積32.02萬km2，規(guī)劃防洪標準為100年一遇，設計流量8400 m3/s，堤防工程級別為Ⅰ級。設計堤頂寬7 m，迎水側設計邊坡 1∶3.0，背水側設計邊坡 1∶3.5。

2.2 滲流計算

由于該段堤防基礎類型比較單一，沿堤線方向堤基各土層分布層次及厚度變化不大，因此選典型斷面進行滲流穩(wěn)定分析。

滲流在背水坡堤腳出現(xiàn)所需時間T：

式中：K——堤身滲透系數(shù)（m/s）；n0——土的有效孔隙率；n——孔隙率；SW——飽和度；H——迎水坡堤腳水深；m1，m2——迎背水坡邊坡系數(shù)；b′——與水位齊平處堤身的水平寬度，m。

從計算結果可知，粉細砂滲流達到堤腳的時間需要3 d，河道洪峰歷時7 d。因此，對于堤身為粉質粘土的堤段，不能形成穩(wěn)定滲流，對于堤身為粉土的堤段，就存在滲漏破壞的可能，需要進行防滲處理。

表1 堤防滲流計算成果表

表2 穩(wěn)定滲流計算結果

根據(jù)地質勘察報告，該堤段粉細砂的臨界水力坡降和允許水力坡降分別為0.89和0.44。上述計算表明的水力坡降在臨界水力坡降附近，不滿足堤防滲透安全的要求。計算結果表示該段堤防地基大部分區(qū)段會發(fā)生流土的可能，即使堤腳下游設反濾排水可防止流土的發(fā)生，但不能防止堤基內部大部分區(qū)段細顆粒向下游移動，久而久之，細顆粒流失，地基淘空，導致塌陷，產(chǎn)生滲透破壞。所以本段堤防應采用垂直防滲或水平防滲措施才能達到安全的要求。

垂直鋪塑防滲處理措施可有效地增加滲徑，消除較高剩余水頭，降低逸出點水力坡降，防止行洪期間堤后產(chǎn)生滲透破壞、確保堤防安全。

2.3 防滲材料的選擇

表3 土工膜性能指標

2.4 基礎防滲帷幕設計

通過滲流計算可知，堤基原有滲徑不夠，為了消除堤基的滲透變形破壞，保證堤防穩(wěn)定安全，簡易可行的辦法即增加滲徑。采用垂直鋪塑防滲技術，沿大堤構筑一道懸掛式防滲帷幕墻。防滲帷幕墻設計在迎水坡堤腳外。

按照一般垂直防滲經(jīng)驗，防滲帷幕深度可取為 S=（1～1.5）H，（H 為最大水深 H=5.1 m） 則 S=4.8～7.65 m，設計確定帷幕防滲深度為8 m。

1）根據(jù)（SL/T225-98）《水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范》的規(guī)定，當采用土工膜作為防滲層，截斷地下水流或地上水流時，應符合以下要求：

地下垂直防滲和地下截潛流采用的土工膜厚度不宜小于0.25 mm，重要工程可采用復合土工膜或復合防水材料，膜厚度不宜小于0.5 mm。

設計采用LDPE低密聚乙烯土工膜，土工膜厚度取T=0.50 mm。

2）采用《水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范》附錄C鋪蓋土工膜厚度計算公式進行復核：

式中：T——單寬土工膜的拉力，kN/m；p——膜上作用水壓力，kPa，取p=118.70 kPa；b——預計膜下地基可能產(chǎn)生的裂縫寬度，m，分別取b1=5 mm b1=10 mm；ε——膜的拉應變，%。

表4 土工膜拉力計算表

根據(jù)預計裂縫寬度，按上面的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。

交點對應的應變 ε1，ε2分別為裂縫寬 b1，b2，拉力 T1，T2時的拉伸應變。其中 P1（1.55%，1.01），P2（2.45%，1.59）。土工膜設計極限抗拉強度為Tr=6.0 kN/m，相應應變?yōu)?.23%。則拉力與應變的安全系數(shù)分別為：

圖1 土工膜應力應變關系曲線

計算結果與（SL/T225-98）《水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范》的安全系數(shù)為Fs=4～5的要求相接近，可見選用厚度為0.5 mm的土工膜是合適的。

帷幕體的防滲效果：

根據(jù)表4土工膜性能指標，0.50mm厚聚乙烯膜在1.05MPa下，48 h不滲水，說明土工膜防滲效果非常理想。國內外不少研究機構認為土工膜的滲透系數(shù)可以達到10-12～10-10cm/s，能夠滿足防滲工程的要求。

2.5 坡面防滲設計

設計坡面采用0.5 mm厚的復合土工膜（兩布一膜）進行防滲，復合土工膜上壓蓋0.8 m厚的粘土鋪蓋，粘土鋪蓋上層填0.2 m厚腐殖土，播撒草籽，形成生態(tài)護坡。

1）坡面防滲頂高程確定。由于需要防滲的堤段筑堤土質基本上為粉砂或細砂，滲透性很大。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》的要求，防滲體的頂部應高出設計水位0.5 m。

2）土工膜防滲體穩(wěn)定計算。土工膜防滲體的整體穩(wěn)定性驗算，針對防護層與土工膜之間的抗滑穩(wěn)定。驗算的最危險工況為水位驟降，根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應用技術規(guī)范》附錄A，等厚防護層透水性良好，安全系數(shù)按下式計算：

式中：δ——上墊層土料與土工膜之間的摩擦角；α——土工膜鋪放坡腳，21.8°。

經(jīng)計算，安全系數(shù)Fs=1.18大于允許安全系數(shù)1.15，所以土工膜防滲體整體穩(wěn)定

2.6 帷幕連接設計

為使基礎形成一個整體的防滲帷幕，首先對迎水堤堤腳外3.0 m進行清基，清基厚度30 cm，基礎防滲軸線布置在迎水堤堤腳外3.0 m處，土工膜鋪設一端應靠向堤腳一側，上部需留有不小于3.5 m長的土工膜，在距垂直鋪塑1 m處設防滑槽，土工膜埋入0.3×0.4 m的防滑槽內用土壓住，以防滑落槽內。土工膜鋪設完成后，應及時對堤腳進行壓蓋處理，壓蓋總厚度0.8 m。

2.6 防滲效果分析

堤防的垂直防滲效果校核采用達西公式法，大堤的平均水力坡降可用下式計算：

式中：H為設計水頭，m，H=5.5m；L為地下輪廓線的虛擬長度，m；L水平為水平滲徑，L水平=55.0 m，L垂直=2×基礎防滲深度。

各參數(shù)數(shù)值代入式中得：J=0.19小于允許坡降0.44，采用垂直防滲措施治理后的效果是非常理想的。

3 結論

垂直鋪塑防滲技術具有如下特點：

1）開槽機造槽經(jīng)濟適用。開槽機是垂直鋪塑防滲技術施工開槽的主要設備，它是根據(jù)防滲技術要求和有利于施工兩個方面研制的，槽孔的深淺、寬窄可以調節(jié)，能夠滿足不同工程設計要求。機械結構簡單，操作方便，施工速度快，造孔經(jīng)濟適用。

2）防滲材料性能好。垂直鋪塑防滲技術所采用的防滲材料一般為土工膜。這類材料防滲效果好，其本身滲透系數(shù)一般小于10-11～10-12cm/s，柔性好，易于施工，壽命長，在地下良好的保護狀態(tài)下，其工作壽命至少在50年以上。

3）施工速度快，工程造價低。垂直鋪塑防滲技術之所以被廣泛應用，一是新型開槽機結構簡單，操作方便，施工速度快，造價低；二是防滲材料的單位面積造價經(jīng)濟，且易于施工。