垂直铺塑截渗新技术及应用

“垂直铺塑”截渗技术在我国是一项刚刚兴起的新工艺、新技术。在土质地层的平原水库、湖泊、江河堤防截渗中得到了广泛应用。人们通过目测及观测设备提供数据分析，都证实其防渗效果很好。胜利油田最早在1990年从山东省水利科学研究院引进垂直铺塑技术。应用于孤河水库300m坝段，处理“土沸”、“泉涌”等渗透变形隐患，铺塑完成后，水库蓄水深达到3.5m（设计水深为4m）进行观测分析，漏渗量减少77.4%，水头削减64%；3个月后，下游坡脚附近的蘑菇状泉眼等现象全部干涸，地表积水消失。从此胜利油田先后在弧东水库、孤河水库、河口五号库、纯化水库、全部实施“垂直铺塑”技术。 一、垂直铺塑工艺技术 1、工艺特点 利用装备水力冲割和刀具破碎土体的专用机械，在坝基、坝体中顺坝轴线方向形成一条连续的宽18~30 mm厚的塑膜铺置，最后回填松散干净的粉质壤土而完成作业，这样作用塑膜极低的渗透性（渗透系数为K=1×10-11~1×10-15cm/s）形成防渗体系，阻止坝基、坝体的渗流以确保渗透稳定，防止库区周边次生碱渍化。 2、造槽机械 在工程实践中，根据土质地质条件及施工条件的不同，目前创造发明两种造槽机。两种机械的共同特点都是泥浆固槽壁、都是开槽与铺塑同步作业；不同的是切割地层的机具不同，一种叫往复式水冲锯割铺塑机，另一种是链条式循环刮刀铺塑机。 （1）往复锯刀铺塑机：靠开槽机杆臂的往复运动、利用水力冲割和刀具切割破坏土体成槽，通过联动装置卷帘铺塑，这种机械使用于粉土、粉质壤土，效率高、施工快。遇粘性土困难，铺塑深度一般在10m以下，造槽宽18~30cm，机械动力90~120KW左右。 （2）链条循环刮刀式铺塑机：靠链条循环运动带动几排刮刀切割土体成槽，专制泥浆液护壁，槽宽为30cm，通过联动装置卷帘铺塑。目前最大铺塑深度在15m以内，适用于不含较大石块及树根的任何土层，但槽口外移土方量大，人工劳动强度大、机械动力120~160KW左右。 3、“垂直铺塑”设计 （1）塑膜材质选择：总的原则：选择对水质无污染、抗老化、满足防水性、抗变形能力强及耐久性强的土工膜，一般用PVC（聚氯乙烯），其力学性能见表1 表1 塑膜力学性能 薄膜厚度(mm) 抗拉强度(kN/m) 极限延伸率（%）撕裂强度（N）渗透系数(m/s) 0．18 1．70 125 53 1×10-11 0．3 4．50 412 18~30 7×10-15 （2）塑膜厚度：目前国家无规范公式，设计人员可参照前苏联国家水工科学研究院推荐的计算公式。 式中σ——薄膜允许拉应力，kg/cm2； E——薄膜特性模量，kg/cm2； P——水压力，t/ m2； D——支撑土体最大粒径,mm； T——薄膜厚度mm。 据此公式计算的膜厚很薄，一般小于0.1mm，考虑到施工的人为不利因素，确保安全可靠，一般采用0.2~0.3mm，如江苏省骆马湖大堤，大小陆湖新沂河大堤使用的膜厚度为0.2mm，河北沧州市大浪淀水库（设计水深6m）使用的膜厚为0.3mm，胜利油田建设的纯化水库（设计水深8.5m）使用的膜厚为0.3mm。 （3）铺塑深度及防渗型式：目前尚未有可依据的计算公式。一般根据坝基地层构造、各土层的渗透系数，结合铺塑机械的开槽深度能力，以满足渗透稳定、防止土壤盐碱化为基准，可设计成悬挂式和封闭式两种防渗体系。南京水利科学研究院对平原水库的防涌措施研究表明，采用合理的防渗措施对提高水库的抗渗透性、减少水库渗漏量是十分必要的。 1）当坝基相对不透水层埋深较大，受铺塑机造槽深度的限制，可设计成悬挂式塑膜防渗帷幕，但必须慎重地做渗流试验稳定分析。如江苏省境内的新沂河大小陆湖大堤，经南京水科院专家做渗流试验及稳定分析后，采用的悬挂式塑膜防渗措施如图1。 2）当不透水层埋深浅时，采用封闭式防渗体系。如胜利油田正在建设的纯化水库（设计水深：地上8.5m，地下1.5m），见图2。河北省沧州大浪淀水库，设计水深为6m，因不透水层埋深浅，也采用封闭式防渗体系。 塑膜插入不透水层的深度以0.5~0.8m为宜。 （4）铺塑的位置 1）在同一垂直平面上，对坝体与坝基全部实施垂直铺塑时，如图3。 应该在坝顶中心线上游、距离坝顶中心线向上游1/3~2/5处为宜。 2）当坝基为垂直铺塑，坝体上游坡面复合土工膜两者连结成防渗体系时，垂直铺塑距坝内脚 必须有一定的安全距离L。图2所示纯化水库的L=6m。槽子的内侧按坝体坝基的临面考虑，以保证坝体连同坝基的抗滑稳定。如图4 二、“垂直铺塑”的施工质量控制 主要是成槽质量控制、铺塑质量控制、槽孔回填料质量控制三个环节。 1、在成槽质量控制方面，主要做好 1）孔槽纵向平面轴线偏差不超过10cm，槽孔宽度控制在20~40cm。 2）槽也实际挖深超出设计深度10cm左右，一是靠绳量探测，另一方法是测量造槽机杆臂的 倾角。 3）槽孔的固壁。为防止坍壁，应控制槽内泥浆比重，根据已建工程的经验，一般为1.1~1.5g/cm3。 比重太大，无法铺塑。 2、塑膜铺置控制方面 1）塑膜质量的控制。一是检查厚度是否够，二是检查幅宽是否够，三是检查其抗折、抗冲破强度是否达到设计要求。 2）塑膜插入深度控制。每隔50m探测一次。 3）塑膜搭接控制。最好热粘合，搭接宽10cm。若缝合，搭接宽50cm，缝合两道线。 4）塑膜上端超出槽口平面，至少40~60cm，以便固定或与复合膜搭接。 3、在孔槽回填方面 1）回填的土料选用干净的粉质土。 2）回填土要及时，当塑膜铺入后及时先回填1m左右，以固定塑膜下端，防止塑膜上浮。 3）应逐步用干净的粉质土自然落槽，不得振捣。 三、工程应用实例 实例一：孤东水库 孤东水库设计水深为4m，设计库容为1200万m3。1987年2月投产蓄水运行，1988年4月充库至设计水位。因坝基表层为重粉质沙壤土，水平透水性大，渗透系数为K=2.52×10-4cm/s。1989年围坝的东坝、南坝、西坝段出现下游坡浸润线出逸点以下坡面稀软、渗水流淌，坝脚外地下水位抬高至地面，一片沼泽、人车无法接近坝脚等情况。为此，投入400万元，进行坝坡贴坡排水/、坝脚和坝外建立排水系统，但1989年以后，土地浸润现象仍然存在，坝脚排水沟渗水成股，局部坝段有土沸、泉涌等渗透变形现象，因而1992、1993年内先后对东、南、西坝作了“垂直衬塑截渗处理”、水库才能转入正常运行。南京水利科学研究院《孤东水库围坝渗透变形和稳定性分析》报告的结论是：由于采用悬挂式“衬塑”，南坝削减水头，为33.9%~38.5%，西坝为35.1%。 实例二：江苏省新沂河大小陆湖防洪大堤 有12km堤防段，上、下游粘性铺盖层被揭开，遇到高水位情况下，下游常发生泉涌、沸土现象，危及大坝安全。江苏省水利设计院的水利设计专家在该工程整治中，90%坝段采用“垂直铺塑”截渗技术（见图1），综合价为68元/m2，10%坝段采用“高压喷射注浆连续墙”截渗技术，造价为260~280元/m2。当洪水深达到4m时，测压管测试“垂直铺塑”截渗技术水头削减3~3.4m，削减幅度达度60%~80%；而“高压喷射注浆连续墙”截渗技术只削减水头40%~50%。相比两者，不仅前者比后者的截渗效果好，而且节省了3倍左右的资金。铺塑后堤后的渗水逐渐下降，直到干涸，管涌、沸土现象消失。 实例三：纯化水库 纯化水库是一座目前我国在土基建造的“深水高坝”水库，地面以上水深8.5m。针对库址地表土质为粉质壤土，透水性强（渗透系数为K=2.71 ×10-4cm/s），水库蓄水后，为保证渗透稳定，保证水库周围良田不产生次生盐碱化，油田专门委托南京水科院做了坝体、坝基涌流状态分析，稳定分析。 对4种方案进行综合比较，得出结论是，采用合理的防渗措施，对提高坝体的抗渗安全性是十分必要的。为此，纯化水库设计方案是上游坝坡铺设复合土工膜，与上游坡脚下地基中“重直铺塑”联结成整体，构成封闭防渗体系（见图2），与不设任何防渗措施相比，出逸坡降由0.21减o 0.0298，单宽渗流量由2.87 ×10-6m3/s(s.m)降为K=2.52×10-7m3/s（s.m）。 四、“垂直铺塑”截渗技术探讨的几个问题 （１）在工程实践过程中，一般粉质土壤地层的三班制平均成槽速率为600~800 m2/日，当开槽范围内遇到不连续的红粘土层或砂礓土层时，三班制平均成槽速率仅为80~120 m2/日，机械部件磨损大，效益低。和科研院校联合攻关，解决破碎红粘土和砂礓夹层，提高施工速率，是“铺塑”施工机具的研究课题之一。河北沧州水利工程处就这一难题正在与四所大学的科研专家尝试使用一种新型破碎刀具和特殊的化学药品来攻破。 　　　　（２）“垂直铺塑”机的成槽深度还不够理想，一般在10~15m 之间，还不能满足某些工程截渗要求，应朝着开槽深度到达30~50m方向迈进。这是研究课题之二。 　　　　（３）开槽机工艺配套机器的先进性方面有待发展。目前铺塑机的牵引方面还比较落后，开槽机循环往复运动旋转减震器易损，还有待进一步攻关。 （4）施工质量鉴定的探测仪器目前是空白，随着这个新工艺技术的发展，应配套完善，通过“CT鉴定仪器”将铺塑的质量好坏通过图像和数据显示出来，代替现在开挖目测方式。