李文嵩，黨亞堃，朱明誠，高 雅

(1.國家能源集團(tuán)大雁公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團(tuán)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(shù)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(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂為原料生產(chǎn)的防水阻隔材料。該土工膜具有強(qiáng)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(yùn)輸，且防滲性優(yōu)秀，現(xiàn)今廣泛應(yīng)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(huán)節(jié)[1-2]。實際使用中，土工膜取得了良好的經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。袁滿洪[3]、潘紹財?shù)萚4]提出垂直鋪塑技術(shù)在水利基礎(chǔ)工程中的抗?jié)B應(yīng)用，介紹了其優(yōu)點及施工控制要點等，一般應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于衛(wèi)生填埋場中，適宜深度在16 m 以內(nèi)。在煤礦截水領(lǐng)域，張雁[7]提出采用地下防滲墻對補(bǔ)給通道進(jìn)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(qū)強(qiáng)富水強(qiáng)補(bǔ)給含水層水資源保護(hù)性開采的一種有效手段。根據(jù)以往研究成果可知，在露天煤礦利用防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)進(jìn)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(shè)，利用焊接技術(shù)實現(xiàn)膜與膜之間的連接；在水利工程中利用垂直鋪塑技術(shù)實現(xiàn)地下防滲。但在煤礦截滲減排中，尚無防滲膜垂向鋪設(shè)技術(shù)應(yīng)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(shè)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(shè)過程為隱蔽鋪設(shè)，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(guān)鍵，需要檢驗其截水效果；④ 防滲膜鋪設(shè)完成后，需確定槽段內(nèi)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(shè)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(tǒng)鋼筋籠加混凝土澆筑工藝的地下連續(xù)墻，突出其防滲性強(qiáng)的優(yōu)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?；诖耍疚闹攸c介紹防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)過程和工藝，提出防滲膜垂向鋪設(shè)難點的解決方案，并根據(jù)圍井試驗檢驗其防滲效果，分析該工藝推廣應(yīng)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(yīng)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(qū)，煤層賦存穩(wěn)定，開采過程中，礦坑疏排水量大，通過水文地質(zhì)勘探得知礦坑涌水主要為北側(cè)河流通過礫石層沿煤層隱伏露頭補(bǔ)給，動態(tài)補(bǔ)給量約為疏排水總量的82%。

經(jīng)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(wěn)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(shè)地下帷幕墻，對地下水滲水通道進(jìn)行帷幕截流，達(dá)到減少礦坑疏排水量、實現(xiàn)礦坑安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)保等多重目標(biāo)，保障露天礦安全高效開采。

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

2 防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)技術(shù)

2.1 防滲膜參數(shù)與規(guī)格

防滲膜進(jìn)場前，先對其進(jìn)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(biāo)見表1。

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

2.2 鋪設(shè)機(jī)具研制

張立新等[12]提出，防滲膜垂向鋪設(shè)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(jī)械向前運(yùn)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(nèi)。

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(shè)質(zhì)量，因此，針對深度較大的防滲膜鋪設(shè)，研制了鋪膜機(jī)具，如圖1 所示。該裝置由分離滾筒、支架、電機(jī)、操控臺等組成，其中電機(jī)位于操控臺右下側(cè)，圖中被分離滾筒擋住未標(biāo)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(jī)用于控制防滲膜上升及下放的速率；操控臺用于進(jìn)行人為控制。

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

2.3 配重設(shè)計

防滲膜下放時，因槽段底部泥漿比重較大，防滲膜質(zhì)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(zhì)量大等特性，經(jīng)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(shè)過程

待成槽后，利用吊車將卷有防滲膜的鋪設(shè)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(jìn)行防滲膜垂向鋪設(shè)。待配重抵達(dá)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(shè)。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(jù)文獻(xiàn)[14]修改)Fig.3 Construction flowchart of anti-seepage membrane underground water cutoff curtain wall

鋪設(shè)過程中需要注意，該工藝為大深度垂向隱蔽鋪設(shè)，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(yán)禁吸煙，使用火柴、打火機(jī)或化學(xué)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(shù)

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(fēng)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(nèi)鋪設(shè)的防滲膜進(jìn)行疊覆，二是對不同槽段間連接的防滲膜進(jìn)行疊覆。

3.1 同一槽段內(nèi)連接

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

3.2 不同槽段間連接

圖4 同一槽段內(nèi)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(chǎn)生接縫，接縫處往往為滲水頻發(fā)區(qū)[15]，因此，本次采用接頭箱工藝進(jìn)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(jìn)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(xiàn)了注漿回填后不同槽段間的無接縫連接。接頭箱結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 接頭箱結(jié)構(gòu)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(shè)槽段A 的一側(cè)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(nèi)的漿液固結(jié))，之后在B 槽段靠內(nèi)側(cè)鋪設(shè)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(jié)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(shè)效率高、易控制、使槽段間無接縫等優(yōu)點。

3.3 注漿回填技術(shù)

防滲膜鋪設(shè)完成并固定于地面后，槽段內(nèi)其余部分需進(jìn)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(fù)雜，耗時長；② 無法保證回填密實，有塌陷風(fēng)險；③原狀土回填會污染泥漿，導(dǎo)致泥漿質(zhì)量變差，不易回收重復(fù)利用。

為解決上述問題，采用槽底注漿工藝進(jìn)行回填。根據(jù)槽段長度不同，下放注漿管數(shù)量不一樣，槽段長為3、7、14、21 m 時，分別采用注漿管數(shù)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(zhì)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(nèi)泥漿的原理置換泥漿，達(dá)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(huán)漿池，重復(fù)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(jié)便完成防滲膜帷幕墻建設(shè)。在注漿回填過程中，對每幅槽段回填漿液進(jìn)行自檢取樣，按規(guī)范進(jìn)行水養(yǎng)，待試塊到達(dá)齡期后進(jìn)行抗壓抗?jié)B測試。經(jīng)測試結(jié)果統(tǒng)計，注漿回填漿液平均抗壓強(qiáng)度約為3.0 MPa，抗?jié)B等級為P3，遠(yuǎn)大于原狀土的抗壓和抗?jié)B等級。

注漿回填技術(shù)不僅能保證將防滲膜壓實至槽段一側(cè)，起到固定防滲膜作用，且粉煤灰-水泥混合漿液固結(jié)后具有良好抗?jié)B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(shè)接頭的截水質(zhì)量，采用圍井抽水試驗方式進(jìn)行檢驗。帷幕軸線上單幅長8 m，外側(cè)單幅長7 m，圍井兩側(cè)單幅長4 m，鋪設(shè)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(xiàn)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(yáng)程50 m 規(guī)格，下泵深度為44 m。

圖7 圍井設(shè)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(wěn)定降深與抽水量數(shù)據(jù)，見表2。

表2 抽水試驗數(shù)據(jù)Table 2 Pumping test data

根據(jù)水均衡原理與達(dá)西定律Q=KAJ，得到：

式中：K為滲透系數(shù)，m/s；Q為抽水穩(wěn)定流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，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(nèi)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(nèi)外水頭差，m，即抽水孔穩(wěn)定降深。

將3 組數(shù)據(jù)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(shù)K=8.6×10-7cm/s。根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中滲透系數(shù)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(jié)論

a.以我國某露天煤礦采坑外圍建設(shè)的截水帷幕為例，研究了防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)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(jī)具，在膜底部搭配混凝土配重向槽段內(nèi)進(jìn)行垂向隱蔽鋪設(shè)；同一槽段內(nèi)防滲膜直接疊覆進(jìn)行鋪設(shè)，不同槽段采用接頭箱工藝進(jìn)行疊覆鋪設(shè)；最終采用注漿回填工藝完成截水帷幕建設(shè)。

b.采用高摻量粉煤灰-水泥混合漿液的注漿回填技術(shù)，使防滲膜被壓實，且比原狀土回填提高了帷幕墻的抗?jié)B性；圍井抽水試驗結(jié)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(yōu)秀、使用年限長、無后續(xù)投入等優(yōu)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(jīng)濟(jì)效益，在露天煤礦可起到防滲截流、維護(hù)邊坡穩(wěn)定、保證煤礦高效開采和有利于周邊生態(tài)環(huán)保等作用，具有推廣價值。

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