土工合成材料在海水淡化預(yù)處理取水工程中的應(yīng)用

諸葛愛(ài)軍，何俊峰，劉天韻，闞衛(wèi)明

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；3.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461）

1 工程概況

天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)萬(wàn)噸級(jí)海水淡化預(yù)處理工程位于天津港北疆港區(qū)以北，北內(nèi)堤與海擋相交處附近海域，與天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)相鄰。該工程分取水工程和海水預(yù)處理廠兩部分，其中取水工程部分主要由沉砂池和引潮溝兩部分組成[1]。沉砂池的主要作用是存貯一定儲(chǔ)量的蓄水，通過(guò)沉淀，形成可供預(yù)處理廠使用的水源。沉砂池原設(shè)計(jì)采用混凝土插板圍堤，施工難度大，工程造價(jià)較高。鑒于工程位于北內(nèi)堤與海擋相交處附近海域，為節(jié)約成本，降低造價(jià)，借助已建的北內(nèi)堤和海擋結(jié)構(gòu)，對(duì)二者進(jìn)行適當(dāng)?shù)母慕ê头罎B處理，作為沉砂池北側(cè)和西側(cè)的擋水圍埝，東側(cè)和南側(cè)擋水圍埝采用充填袋結(jié)構(gòu)堤心，模袋混凝土護(hù)面的方案。其中東側(cè)新建的擋水圍埝與北內(nèi)堤垂直，長(zhǎng)度200 m，南側(cè)新建的擋水圍埝與北內(nèi)堤平行，長(zhǎng)度600 m，沉砂池在平面上的形狀為直角梯形，如圖1所示。沉砂池四周擋水圍埝的結(jié)構(gòu)充分利用了土工合成材料的濾層、排水、隔離、防護(hù)、防滲等作用，降低了施工難度，實(shí)現(xiàn)了蓄水沉沙，滿足了預(yù)處理廠正常運(yùn)行所需的供水量。

2 結(jié)構(gòu)型式

2.1 北內(nèi)堤側(cè)

擋水圍埝長(zhǎng)度約為908 m，結(jié)構(gòu)型式是在原北內(nèi)堤的沉砂池兩側(cè)坡面拋填10～100 kg塊石加寬北內(nèi)堤，用袋裝碎石墊層找平，然后鋪土工布和防滲膜，最后用漿砌塊石護(hù)面?？紤]施工要求及使用期的行車，在堤頂面鋪二片石墊層和土工格柵，在其上碾壓泥結(jié)山皮土形成路面，圍埝結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖2。

2.2 海擋側(cè)

擋水圍埝長(zhǎng)度約為228 m，結(jié)構(gòu)型式是在原海擋結(jié)構(gòu)沉砂池一側(cè)坡面先鋪土工布和防滲膜，然后做漿砌塊石護(hù)面，圍埝結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖3。

2.3 南側(cè)圍埝

擋水圍埝長(zhǎng)度為800 m，圍埝結(jié)構(gòu)型式是砂墊層打塑料排水板為基礎(chǔ)的充填袋圍埝。充填袋外側(cè)用袋裝碎石找平，然后在沉砂池一側(cè)坡面鋪土工布和防滲膜，最后整個(gè)圍埝用模袋混凝土做護(hù)面，并在兩側(cè)坡腳用100～150 kg塊石做壓腳棱體，圍埝結(jié)構(gòu)型式見(jiàn)圖4。

2.4 東側(cè)圍埝

擋水圍埝長(zhǎng)度為200 m，圍埝結(jié)構(gòu)形式與南側(cè)基本相同，只是為了滿足施工及使用期的車輛行走要求，圍埝頂部不用模袋混凝土做護(hù)面，而是鋪二片石墊層和土工格柵，然后碾壓泥結(jié)山皮土形成路面。

2.5 沉砂池內(nèi)

本工程沉砂池的蓄水是供海水淡化處理廠使用，水質(zhì)有一定的要求，含泥沙量不能過(guò)高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，本區(qū)域常風(fēng)向?yàn)镋向、次風(fēng)向?yàn)镾向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋。由于沉砂池的面積相對(duì)較小，同時(shí)由于本地區(qū)強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向都從側(cè)面與池內(nèi)相交，風(fēng)程較小，因此池內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生較大幅度的波浪。但考慮到沉砂砂蓄水較淺，小波浪也可能攪起海底淤泥，影響沉砂池內(nèi)水質(zhì)。因此在沉砂池內(nèi)海底泥面上鋪設(shè)一層復(fù)合土工布軟體排，阻止淤泥泛起，有效保證池內(nèi)水質(zhì)達(dá)到海水淡水預(yù)處理廠的使用要求，同時(shí)也便于后期沉砂池的清淤工作。

3 土工合成材料的應(yīng)用

取水工程沉砂池的擋水圍埝應(yīng)用了多種多樣的土工合成材料，如起防滲隔水作用的防滲膜、起防護(hù)作用的土工布、起隔離作用的土工布軟體排以及充填袋結(jié)構(gòu)袋布等，都非常有效地起到了相應(yīng)的工程作用，現(xiàn)把主要的土工合成材料應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

3.1 防滲膜

沉砂池的主要作用是蓄水、沉淀供預(yù)處理廠取用，因此防滲膜的選取對(duì)工程成敗具有決定作用，鑒于工程對(duì)防滲要求較高的特點(diǎn)，選用工程中應(yīng)用比較普遍的、防滲性能較高的復(fù)合土工膜。復(fù)合土工膜作為一種新型的防滲材料，主要由土工膜和土工織物復(fù)合而成，具有防滲性能好、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低等特點(diǎn)，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于各類防滲工程中，主要有一布一膜，二布一膜、三布二膜。其作用機(jī)理是土工膜用來(lái)防滲，土工織物起加筋、排水和增加土工膜與土體之間摩擦力的作用。在迎水面鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲，在坡度較緩的情況下，復(fù)合土工膜依靠摩擦力即可維持穩(wěn)定。復(fù)合土工膜規(guī)格選擇與下墊層平整度、材料允許拉應(yīng)力、材料彈性模量、鋪設(shè)范圍內(nèi)的最大水頭等因素有關(guān)，還需考慮暴露、埋壓、氣候、使用壽命等應(yīng)用條件。由于本工程的復(fù)合土工膜除要求有可靠的防滲性能外，還要承受施工荷載和圍埝沉降等引起的應(yīng)力，沉砂池的長(zhǎng)期使用也需要復(fù)合土工膜有較高耐久性，此外一旦復(fù)合土工膜破壞，沉砂池蓄水能力降低，將影響預(yù)處理廠以致整個(gè)海水淡化工程的運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)濟(jì)損失巨大，因此本工程要求復(fù)合土工膜具有較高的防滲性、強(qiáng)度和耐久性。經(jīng)比選，采用基材為純新滌綸針刺無(wú)紡布/聚乙烯（PE） 膜的二布一膜復(fù)合土工膜，其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合土工膜主要技術(shù)指標(biāo)

復(fù)合土工膜的鋪設(shè)自下而上進(jìn)行，先按設(shè)計(jì)在坡腳挖錨固溝，在溝內(nèi)回填素土固定一定長(zhǎng)度的防滲膜，然后逐步自坡腳向坡頂鋪設(shè)復(fù)合土工膜。鋪膜時(shí)，應(yīng)清除坡面上石塊等尖突物，壓實(shí)整平。防滲膜鋪設(shè)應(yīng)平順，松緊適度，避免應(yīng)力集中和人為損傷。復(fù)合土工膜應(yīng)與下層坡面密貼，不留空隙，防止土工膜折皺形成滲水通道。相鄰復(fù)合土工膜拼接采用搭接，搭接縫采用專用焊縫機(jī)焊接，焊縫搭接寬度不小于10 cm，焊縫應(yīng)清晰透明，無(wú)起泡、漏焊、熔點(diǎn)或焊縫跑邊等，不合格的要進(jìn)行補(bǔ)焊。焊縫前必須清除膜面的臟物，保證膜面清潔。為進(jìn)一步確保復(fù)合土工膜不受破壞，在復(fù)合土工膜上下各鋪設(shè)一層起防護(hù)作用的土工布，復(fù)合土工膜和防護(hù)土工布鋪設(shè)后，立即進(jìn)行外側(cè)的護(hù)面施工，防止紫外線照射和人為造成的復(fù)合土工膜破壞。

3.2 充填袋袋布

沉砂池位于屬于淺海灘涂區(qū)域，工程地質(zhì)的主要特點(diǎn)以高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度的淤泥、淤泥質(zhì)土為主。對(duì)于此類工程位置和地質(zhì)條件，在施工工藝和工程造價(jià)上，采用充填袋結(jié)構(gòu)均優(yōu)于原設(shè)計(jì)的混凝土插板圍埝或傳統(tǒng)的拋石圍埝。充填袋結(jié)構(gòu)具有在軟基上構(gòu)筑施工適用力強(qiáng)、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，整體連續(xù)性好，目前在中國(guó)河、海堤壩及護(hù)岸工程中得到廣泛采用，具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。因此，本工程沉砂池南側(cè)和東側(cè)采用砂墊層打塑料排水板為基礎(chǔ)，充填袋結(jié)構(gòu)為堤心的擋水圍埝。充填袋結(jié)構(gòu)是利用泥漿泵將混合水的充填料沖灌入封閉的土工織物袋體內(nèi)，多余水分可從土工織物上的微細(xì)孔濾除，充填料在自重和滲水壓力的作用下固結(jié)密實(shí)，與袋布一起形成復(fù)合的構(gòu)筑材料。充填袋袋布的主要作用是包裹封閉充填材料并能排出余水，且具有一定的強(qiáng)度與充填料一起承受荷載和沉降引起的應(yīng)力，因此選做充填袋袋布的土工織物應(yīng)具有較好的透水性、保土性，強(qiáng)度要高、耐久性要好。本工程充填材料采用砂性土，參照《土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)》中的有關(guān)方法，根據(jù)充填料顆粒、使用環(huán)境和施工條件，結(jié)合施工水平和施工工藝等因素，充填袋袋布選取150 g/m2的裂膜絲機(jī)織土工布，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。根據(jù)沉砂池區(qū)域水文地質(zhì)條件，按《水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定和公式對(duì)充填袋圍埝進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算、充填袋層間穩(wěn)定驗(yàn)算，確定充填袋結(jié)構(gòu)的寬度。

表2 充填袋袋布主要技術(shù)指標(biāo)

表3 丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織、滌綸無(wú)紡針刺復(fù)合土工布技術(shù)指標(biāo)

充填袋袋布選擇較寬布幅，拼接縫制采用錦綸線，拼接處折疊3層，寬度約5～10 cm，縫三道線（先縫一道，折疊后再縫兩道）。袋中充填砂性土，其粒徑小于0.005 mm的黏粒含量小于10%，采用水力充填法施工。袋子充填厚度控制在0.4～0.5 m之間。充填袋的充滿度應(yīng)控制在80%以上，下層充填袋在固結(jié)度達(dá)到70%以后，進(jìn)行上一層充填袋的施工。上下層充填袋連接采用系帶。

3.3 土工布軟體排

土工布軟體排是以土工合成材料加壓重材料制成的系結(jié)式排體結(jié)構(gòu)，其功能主要是保護(hù)軟體排底泥砂免受攪動(dòng)和淘刷。目前土工布軟體排的型式主要有混凝土連鎖壓載和砂肋壓載兩種。復(fù)合土工布軟體排結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連續(xù)性和整體性好，施工方便，便于一次性大面積鋪設(shè)。鑒于混凝土連鎖壓載造價(jià)高，對(duì)施工機(jī)械有特定要求，而本工程規(guī)模較小，防護(hù)要求不高，故采用砂肋壓載的土工布軟體排。對(duì)土工加筋砂肋體進(jìn)行保砂透水設(shè)計(jì)、土工織物及加筋帶強(qiáng)度設(shè)計(jì)、排體抗浮穩(wěn)定設(shè)計(jì)等，確定軟體排護(hù)底材料采用230 g/m2的丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布與180 g/m2的滌綸無(wú)紡針刺復(fù)合而成的380 g/m2的復(fù)合土工布，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，軟體排加筋帶采用丙綸加筋帶，加筋帶寬度5 cm，砂肋直徑0.3 m，間距1.5 m。

土工布軟體排應(yīng)鋪設(shè)前要清除水下突起物，土工布經(jīng)向（縱向）應(yīng)平行圍埝的寬度方向鋪設(shè)。在橫向兩側(cè)大于設(shè)計(jì)邊線各外鋪1.0 m。軟體排定位后，要及時(shí)壓鋪充填袋，防止軟體排位移。砂肋袋采用丁縫法縫制成直徑0.3 m的圓筒型，砂肋袋兩側(cè)還需縫制10 cm充砂口，縫合強(qiáng)度必須達(dá)到織物強(qiáng)度的70%以上。砂肋充盈率必須大于80%，充填砂含泥量小于10%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)土工合成材料各種工程的綜合運(yùn)用，成功實(shí)現(xiàn)沉砂池?fù)跛畤Y(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，建成的沉砂池所圍成蓄水總面積約為162 820 m2，池內(nèi)設(shè)計(jì)蓄水水位+4.5 m，池底高程+2.0 m，總蓄水量達(dá)82 603 m3，滿足海水淡化預(yù)處理工程設(shè)計(jì)的日處理水能力。

根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合運(yùn)用土工合成材料的各種功能對(duì)工程進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)節(jié)約工程投資，降低施工難度具有重要意義。本工程的成功為土工合成材料的拓展應(yīng)用提供了有益的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1]天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)萬(wàn)噸級(jí)海水淡化預(yù)處理廠工程取水部分設(shè)計(jì)[R].天津：中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，2005.

[2]土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]JTJT239—98，水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[4]劉林軍.土工合成材料在珠江河口整治工程中的應(yīng)用[J].廣東水利水電，2004（4）：26-27.

[5]趙長(zhǎng)偉.大型充填袋在天津港圍埝工程施工中的應(yīng)用[J].水道港口，2006，27（5）：338-339.

[6]孫愛(ài)軍，黃金芳，李贊慶.土工布軟體排技術(shù)在余姚市治江圍涂工程中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2009，161（1）：45-49.