超深土工膜復(fù)合防滲墻施工技術(shù)概述及應(yīng)用

丁 玲

（上海遠(yuǎn)方基礎(chǔ)工程有限公司，上海市 200436）

0 引言

防滲墻廣泛應(yīng)用于水利水電工程的大壩的防滲帷幕，隨著社會的不斷發(fā)展，及國家“雙碳”戰(zhàn)略的實施，及美麗中國建設(shè)的不斷推進(jìn)，為了保證人類的和諧生活，國家對生態(tài)環(huán)境的要求越來越高。地下水的保護是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護的重要組成部分，因此對防滲工程的技術(shù)要求更高。土工膜膜復(fù)合防滲墻20 世紀(jì)90 年代年開始使用，經(jīng)過近三十年的發(fā)展超深土工膜膜復(fù)合防滲墻的施工技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)步，幾個關(guān)鍵的技術(shù)研究也有了突破性進(jìn)展，土工膜復(fù)合防滲墻以其超高的防滲性能在露天礦止水帷幕、填埋場與污染場地垂直阻隔墻和堤壩防滲等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。

1 土工膜復(fù)合防滲墻的基本原理及技術(shù)難點

1.1 基本原理

“土工膜復(fù)合防滲墻”是在土體內(nèi)開出一定寬度和深度的溝槽，在溝槽內(nèi)垂直鋪設(shè)土工膜并回填以設(shè)計要求的填充材料，經(jīng)過回填料的固結(jié)形成以膜為主要幕體的復(fù)合防滲帷幕。

1.2 技術(shù)難點

土工膜復(fù)合防滲墻施工的技術(shù)關(guān)鍵點主要包括四個方面：成槽、鋪膜、填充料回填和接頭形式。成槽方式有液壓抓斗成槽、鋸槽機或者TRD 工法機成槽，沉膜方法包括重力沉膜法和插入式沉膜法，接頭施工有鎖扣式、疊合式兩種形式。

2 重力沉入式HDPE 膜復(fù)合防滲墻施工

2.1 成槽施工

成槽施工主要考慮四個方面的問題，成槽的設(shè)備、護壁泥漿的相關(guān)參數(shù)、槽段的分幅。

（1）成槽的設(shè)備

結(jié)合當(dāng)前地下連續(xù)墻的成槽工藝，采用成槽機或銑槽機進(jìn)行成槽，成槽的厚度40～800 cm，其主要區(qū)別在于斗架體的厚度。

（2）護壁泥漿的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件的不同泥漿的指標(biāo)也略有不同，改變泥漿的指標(biāo)主要考慮膨潤土原材和外加劑的配合比。泥漿比重的控制最為關(guān)鍵，施工過程中泥漿比重太大導(dǎo)致后期進(jìn)行沉膜的過程中不能鋪設(shè)到設(shè)計深度，泥漿比重太小泥漿的護壁功能減弱，經(jīng)過在現(xiàn)場的試驗確定的泥漿指標(biāo)見表1。

表1 泥漿的相關(guān)指標(biāo)

（3）槽段分幅

土工膜復(fù)合防滲墻的成槽寬度，在保證槽壁穩(wěn)定性的條件下盡可能寬，目前已經(jīng)使用過21 m、14 m、8 m 三種幅寬。

2.2 鋪膜施工

在泥漿護壁的槽段中進(jìn)行垂直鋪膜，采用重力沉膜法進(jìn)行施工，針對性的設(shè)計了專用鋪膜架，鋪膜的工序主要有展膜、卷膜、鋪膜架就位、安裝配重、沉膜。

2.3 接頭施工

槽段內(nèi)的膜與膜之間采用了直接搭接的方式，槽段間的防滲膜搭接需要借助于接頭箱來實現(xiàn)搭接。其主要步驟是在槽段內(nèi)鋪膜施工結(jié)束后，在槽段的兩側(cè)下放接頭箱，將兩端的膜用接頭箱覆蓋住，然后在進(jìn)行填充料的澆筑，經(jīng)過填充料的固結(jié)或者凝固然后進(jìn)行臨近槽段的開挖，臨近槽段開挖結(jié)束后在進(jìn)行接頭箱的頂拔、刷壁與清底。

（1）接頭箱的設(shè)計

膜的搭接設(shè)計長度一般為1 m，接頭箱設(shè)計尺寸長度為1 m，根據(jù)槽段的厚度接頭箱的寬度比槽段厚度減5 cm。800 mm 厚防滲墻的接頭箱寬度為750 mm，600 mm 厚的防滲墻的接頭箱寬度為550 mm，400 mm厚防滲墻的為350 mm。在接頭箱的設(shè)計中需要根據(jù)最大頂拔力，進(jìn)行接頭箱之間的銷子和扁擔(dān)孔進(jìn)行設(shè)計。

（2）磁吸式疊合接頭

為了保證搭接部分的兩張膜能夠緊密的粘結(jié)在一起，鋪膜前，在每張膜的搭接部分的土工膜上粘結(jié)了磁膜，在鋪膜結(jié)束后經(jīng)過壓實后兩張膜因為有磁性而緊密的吸附在一起，保證了接頭處的連接效率。磁膜粘貼示意與實際施工分別見圖1、圖2。

圖1 膠磁粘貼示意圖

圖2 膠磁粘貼現(xiàn)場施工圖

2.4 填充料澆筑

填充料可選用的材料有，塑性混凝土、低標(biāo)號混凝土、粉煤灰等作為填充料。填筑料的澆筑需要考慮以下幾個方面，一是槽段的寬度，8 m 幅寬采用兩個打灰架進(jìn)行澆筑，14 m 槽段采用四個打灰架，21 m槽段采用6 個打灰架；二是14 m 和21 m 槽段的澆筑要考慮幾個打灰架之間的澆筑速度，因為超長副段的采用的是兩張或者三張膜在槽段內(nèi)有方向性的疊加，膜疊加的時候沒有膜與膜之間沒有直接固定的，如果搭接在下方土工膜上的幾個打灰架的放料的速度過快很容易導(dǎo)致混凝土把膜沖起，導(dǎo)致疊加失效。三是在澆筑和鋪膜前進(jìn)行反循環(huán)清底，這樣既可以保證下膜的準(zhǔn)確性，又可以降低在澆筑到最后10 m 時的翻漿壓力。

2.5 接頭箱頂拔

接頭箱采用后頂拔的方式，在填充料澆筑的過程中采用微動的方式進(jìn)行接頭箱的頂拔，保證接頭箱不會因填充料的凝固或者自密實而“埋”在填充料中，導(dǎo)致油頂不能進(jìn)行接頭箱的頂拔。

3 插入式土工膜防復(fù)合滲墻施工

插入式垂直鋪膜施工方法是采用TRD 工法機或者鋸槽機，用膨潤土泥漿作為軟化材料，形成土與膨潤土泥漿的軟弱唧泥溝槽，再采用帶有高頻振動錘的插板將土工膜插入到溝槽的唧泥中形成膨潤土和HDPE 組成的復(fù)合防滲墻。

3.1 TRD 或鋸槽機施工

TRD 工法機和鋸槽機施工的原理是相同的，通過其前端的鋸齒將土體攪松，并進(jìn)行土和泥漿的攪拌，使其充分混合形成一個防滲體。

3.2 振動插入式鋪膜施工

鋪膜施工中采用的設(shè)備有履帶吊車、帶有高頻振動錘的特制插板，經(jīng)過加工后的HDPE 膜。用履帶吊將特制插板吊起后，進(jìn)行就位同時將插板的底部卡入土工膜的底部卡槽中，進(jìn)行下放，同時打開高頻振動錘，借用插板的自重和高頻振動的振動將其插入到鋸槽機或者TRD 施工完成的溝槽中。

3.3 接頭施工

其接頭形式采用鎖扣式接頭。

4 自凝灰漿土工膜膜復(fù)合防滲墻施工

自凝灰漿土工膜復(fù)合防滲墻結(jié)合了自凝灰漿的墻的基礎(chǔ)之上增加的土工膜的下放工序而形成的復(fù)合防滲墻。其施工的關(guān)鍵工序包括成槽、自凝灰漿的配置和土工膜的下放方法。

4.1 成槽施工

成槽施工與重力沉入式土工膜防滲墻的成槽工藝相同，其區(qū)別在于自凝灰漿兼做墻體材料和成槽施工時的護壁泥漿。

4.2 自凝灰漿

自凝灰漿由膨潤土、水泥和水混合組成，可添加充填料和外加劑來改善其性能。自凝灰漿的性能要能保證槽孔開挖的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

自凝灰漿的制備：自凝灰漿的制備高速攪拌機拌制成膨潤土泥漿，其配合比見表2。

表2 膨潤土泥漿和自凝灰漿配合比

4.3 鋪膜及接頭方法

（1）鋪膜方法

自凝灰漿的比重大于普通膨潤土的比重，在灰漿中下放的的阻力較大，因此單純的采用重力沉入式的鋪膜方式下放到位有很大的難度，采用插入與重力沉入的組合下放方式能夠切實保障鋪膜深度的準(zhǔn)確性，且能夠防止土工膜上浮。

（2）接頭施工方法

膜的下放不可能完全連續(xù)施工，在臨近槽孔施工時應(yīng)保護好連接的接頭，保證在臨近槽段施工時接頭不被破壞，有利于下次的連接。同時施工時的雜質(zhì)不能進(jìn)入已施工完的區(qū)域。為此制作了特制的接頭板，接頭板上附有HDPE 的連接鎖扣，可與已下設(shè)膜的連接鎖扣互鎖，保護鋼板的寬度略小于墻寬[10]。下好土工膜膜后，把接頭板下放到槽孔中，接頭板鎖扣與已下入膜鎖扣插好，即可起到保護土工膜和已完工槽孔的作用。其接頭也可以采用疊加式的接頭施工工藝。

5 土工膜復(fù)合防滲墻施工工藝的對比

目前眾多底線連續(xù)墻項目采用的土工防滲膜主要有三種形式，分別是重力沉入式、插入式以及自凝灰漿，表3 給出了這三種工藝的對比。

表3 幾種土工膜復(fù)合防滲墻的對比

6 土工膜復(fù)合防滲墻工法的應(yīng)用

6.1 露天礦截水帷幕的應(yīng)用

當(dāng)前疏排水是我國露天煤礦疏降地下水保證正常生產(chǎn)的常規(guī)方式，露天礦的開采時間較長，長期疏排水可造成地下水資源的嚴(yán)重浪費、生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，進(jìn)而造成土地的沙漠化等后果，同時也增加了生產(chǎn)成本。隨著我國對煤礦綠色開采的日益重視，露天煤礦采用長期大量疏排地下水的做法已不可取，將截水帷幕技術(shù)應(yīng)用于露天煤礦進(jìn)行截滲減排，是解決露天煤礦疏排水問題的根本措施，可實現(xiàn)露天煤礦的綠色、安全、可持續(xù)發(fā)展。土工膜復(fù)合防滲墻因其極低的“滲透性”在內(nèi)蒙古扎尼河露天煤礦得到了應(yīng)用，取得了顯著的截水效果，截水率達(dá)到90%，目前周邊地下水已恢復(fù)至生態(tài)水位，植被綠化植樹提高到原來的4 倍，生態(tài)環(huán)境得到了極大的改善，促進(jìn)了植被的生長，植被多樣性增加15%，完成施工的兩年共節(jié)約排水能耗近8 000 萬[9]。

6.2 危險物垂直阻隔技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

危險物垂直阻隔技術(shù)是利用地下阻隔封存污染物或改變地下水流向，以達(dá)到控制污染水平遷移的目的。為了達(dá)到阻止地下污染物遷移的目的，要求垂直阻隔墻有非常低的滲透性，實際應(yīng)用中要求滲透系數(shù)不大于1.0×10-7cm/s，同時阻隔墻要有較好的連續(xù)性和耐久性，墻體材料具有較高的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，污染物與其作用不會導(dǎo)致阻隔功能的減弱或失效。

HDPE 膜的主要成分為高密度聚乙烯原生樹脂（約97.5%），采用HDPE 膜的垂直防滲墻滲透性極低，HDPE 膜的滲透系數(shù)達(dá)到10～12 cm/s，甚至更低。HDPE 膜段之間采用特殊的接頭施工后，形成連續(xù)的整體防滲結(jié)構(gòu)面。因此土工膜的低滲透性是其他防滲墻難以達(dá)到的。

HDPE 土工膜防滲墻由土工膜和礦物材料共同作用，對酸、堿、鹽、無機類具有良好的抗侵蝕能力，滲透系數(shù)較低，適用于防滲要求等級高、有效阻隔期較長的工程。被認(rèn)為是目前最為安全有效的地下污染源阻隔技術(shù)。

7 結(jié)論與展望

（1）土工膜復(fù)合防滲墻施工的成槽和鋪膜工藝已經(jīng)有相對較為成熟的施工工藝；

（2）填充料可選擇的種類較多，需要開發(fā)研究成本更為低廉的材料；

（3）接頭施工工藝仍然有很大的研究空間，開發(fā)更為簡易、有效的施工工藝是當(dāng)前急需解決的問題；

（4）在危險物垂直阻隔技術(shù)施工領(lǐng)域，土工膜復(fù)合防滲墻是未來的一個發(fā)展方向；

（5）自凝灰漿土工膜復(fù)合防滲墻施工難度最大。自凝灰漿兼做墻體材料和護壁泥漿，在槽內(nèi)喪失流動性之前必須完成清孔、鋪膜工作，各工序的施工時間非常緊張。