廖強
(江西省新干縣河道圩堤維護服務(wù)中心,江西 新干 331300)
某堤防興建于20 世紀(jì)70 年代,于20 世紀(jì)90 年代維修加固,主要發(fā)揮著內(nèi)河航運及排水入(贛)江的功能。該堤防樁號0+020~2+950 段堤基土質(zhì)呈明顯砂性,堤防窨潮,存在嚴(yán)重滲漏,必須展開大堤防滲加固。
現(xiàn)有的垂直防滲技術(shù)包括剛性垂直防滲帷幕和柔性垂直防滲帷幕兩種?;诖?,山東省水利科學(xué)院研制出鏈條式和往復(fù)式垂直防滲機具和垂直鋪塑防滲技術(shù),集造槽、鋪塑和回填功能于一體,連續(xù)作業(yè),成墻效率高,廣泛適用于河道堤防、平原水庫防滲處理。經(jīng)綜合比較分析,最終選擇垂直鋪塑防滲技術(shù),以增強防滲效果,并保證防滲帷幕的整體性。
①往復(fù)式水沖鋸刀鋪塑機:該機具主要憑借開槽機臂桿的循環(huán)往復(fù)運動,借助水力或刀具切割破壞土體造槽,同時通過聯(lián)動裝置完成卷簾鋪塑。其對于粉質(zhì)粘土較為適用,對于粘性土存在造槽及鋪塑難度。該機具造槽及鋪塑深度通常達(dá)10~12 m,造槽寬度一般為180~300 mm,施工動力通常為100~120 kW。②鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機:該機具主要借助鏈條循環(huán)運動帶動刮板切割土體造槽,為減薄泥皮厚度,增大泥漿韌性和防滲性,確保槽壁穩(wěn)定,必須將護壁泥漿容重控制在1.30~1.50 g/cm3范圍內(nèi)。該機具造槽寬度可達(dá)300 mm,并借助聯(lián)動裝置同步卷簾鋪塑;鋪塑深度最大為15 m,對于不含樹根、雜草、塊石的任何土層均較為適用。但是從槽口移除的土方量較大,所需機械動力為150~180 kW。因該堤防工程地質(zhì)條件復(fù)雜,故選用鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機。
防水塑膜材料性能是決定垂直鋪塑截滲施工效果的關(guān)鍵因素之一,在選擇防滲塑膜時必須充分考慮其耐久性、抗?jié)B性,鋪膜施工的便捷性及經(jīng)濟性。
第一是耐久性。一般情況下塑料薄膜隔水效果及抗變形能力較好,是較為理想的水工防滲材料,但是其使用年限不盡相同。當(dāng)前,國內(nèi)水利水電工程中使用較多的是聚乙烯和聚氯乙烯兩種材料,聚乙烯具有更高的抗拉強度、抗老化性能和使用壽命,故該堤防工程防滲加固中主要選用聚乙烯薄膜。
第二是塑膜厚度。塑膜厚度和周圍介質(zhì)顆粒級配決定著塑膜承受水壓的能力,一般情況下塑膜越厚,周圍介質(zhì)顆粒級配越好,其抗水壓能力也就越強。如果塑膜厚度過小,很可能因為水壓力、機械拉力等而撕裂,并容易產(chǎn)生局部麻眼,不利于防滲。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范GB50286-2013》,垂直鋪塑膜厚度應(yīng)根據(jù)其允許拉應(yīng)力計算公式進行反推,公式如下:
式中:T—垂直鋪塑膜厚度,mm;E—塑膜彈性模量,kg/cm2;P—塑膜所承受的水壓力,kPa;d—塑膜所接觸砂卵石最大粒徑,mm,結(jié)合該堤防工程地勘報告,取10 mm;σ—塑膜拉應(yīng)力允許值,kg/cm2。
將以上參數(shù)值代入式(1)得出的塑膜厚度為0.15 mm,滿足規(guī)范所規(guī)定的垂直鋪塑截滲技術(shù)中塑膜厚度應(yīng)在0.10~0.20 mm 范圍內(nèi)的要求。該堤防防滲加固垂直鋪聚乙烯塑膜幅寬10~12.50 m,質(zhì)量200 g/m2,抗拉強度不小于1 kN/cm2,抗撕裂強度和抗?jié)B強度不小于10.08 kN和100 kPa,伸長率16%,滲透系數(shù)為1×10-11m/s。
在正式施工前應(yīng)將施工場地內(nèi)電線桿、樹木等全部搬移和清除,按照設(shè)計要求就位開溝造槽機,并在就位機械前方開挖出1條20~30 cm深、25~30 cm寬的引溝。考慮到該堤防工程堤頂狹窄,施工場地較為狹小,故在施工開始后應(yīng)將道路兩頭封閉,并在堤頂側(cè)備制好回填土料。該堤防工程工況復(fù)雜,且待加固堤防現(xiàn)有穿堤涵洞、取水口、土山洞等既有建筑,對應(yīng)的堤段均不具備垂直鋪塑施工條件,對于此類特殊堤段應(yīng)改用水泥漿高壓定噴防滲技術(shù)。沿堤壩方向與堤頂肩相距2.50 m 處開槽軸線,機械鋪塑插入不透水層1 m左右。
其余正常堤段則使用鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機造槽,電機帶動曲軸運動后刀桿便開始上下往復(fù)運動,其上的刮刀會持續(xù)切割土層;此外,高壓水泵中的壓力水也從刀桿空腔水管噴嘴處噴出,連續(xù)沖切土體,持續(xù)將周圍土體攪拌成泥漿,主要發(fā)揮固壁效果,泥漿持續(xù)不斷流向溝槽后方。開槽深度主要在刀桿長度既定時,通過控制刀桿和地面的夾角而進行調(diào)整。
緊跟前部溝槽的形成過程,后部鋪塑裝置采用膜桿鋪設(shè)法鋪膜,以保證造槽和鋪膜同步進行。設(shè)置在開槽后部的鋪塑裝置無固定牽引環(huán),中部焊接豎向塑膜固定桿,塑膜捆能繞桿轉(zhuǎn)動;將該固定桿插入土工塑膜鋼管后置入溝槽槽底,根據(jù)造槽速度由人工拉動牽引繩并轉(zhuǎn)動塑膜捆,以使塑膜平鋪于溝槽內(nèi)。
鋪設(shè)完成塑膜后必須及時回填。回填時先通過人工方式將粘性土投放進溝槽至0.50~1 m高度。此后再借助泥漿淤沉和人工方式投放土料回填,泥漿淤沉量應(yīng)在整個溝槽回填工程量中占60%左右;回填土內(nèi)不得夾雜塊石和雜質(zhì),通過羊角碾和人工踩踏相結(jié)合方式回填密實。見圖1。
圖1 垂直鋪塑器及鋪膜過程圖
該堤防在未加固前0+020、1+345、2+280 及2+950 等樁號處部分堤段滲水嚴(yán)重,下游坡腳低洼區(qū)域常年積水。采用垂直鋪塑截滲技術(shù)加固處理后滲水現(xiàn)象得到改觀,通過對滲水部位布置測壓管的觀測結(jié)果展開分析,對應(yīng)的截滲效果具體見表1,表中削減水頭通過上下游測壓管水位差與上下游水位差的比求取。結(jié)合表中測壓管觀測資料和結(jié)果,防滲帷幕設(shè)置后上下游水位均驟然下降,表明防滲帷幕削減水頭、延長滲徑、減小滲水壓力的效果十分顯著,堤防穩(wěn)定性和安全性也明顯提升。
表2 堤防垂直鋪塑截滲效果觀測表
垂直鋪塑截滲技術(shù)實施后,除堤防防滲性能明顯提升外,大堤內(nèi)在質(zhì)量也有所改善。結(jié)合造槽情況,堤身內(nèi)部空洞及裂隙被溝槽內(nèi)泥漿充填,起到類似劈裂灌漿的效果,施工前后土體平均質(zhì)量密度從15.14 kg/m3提高至15.58 kg/m3,表明土體密實度較大提高。
應(yīng)用土石壩二向滲流有限元法展開該堤防滲流穩(wěn)定計算結(jié)果顯示,垂直鋪塑截滲技術(shù)實施前后,出逸點高度從0.80 m降至0 m,堤坡及堤基水力坡降分別從0.40%和0.35%降至0%和0.02%,截滲效果非常顯著。施工結(jié)束3個月后,在該堤防垂直鋪塑截滲段進行了注水試驗,所得出的滲透系數(shù)均值為2.60×10-7cm/s,與施工前相比滲透系數(shù)大大降低。
綜上所述,該堤防工程主要通過兼具造槽、鋪塑和回填功能于一體的鏈條式循環(huán)刮板鋪塑機開挖出設(shè)計溝槽后鋪設(shè)聚乙烯土工膜,再回填溝槽,構(gòu)建起土工膜防滲帷幕體系。堤防防滲竣工后運行至今已逾2 個自然年,堤坡再未出現(xiàn)流土、管涌、散滲等現(xiàn)象,防滲效果十分優(yōu)異。