垂直防渗（精选3篇）
垂直防渗 篇1
1 堤坝失事与渗透破坏
Justin J.D.(1931)[1]对102座溃坝原因进行了分析,其中,渗透破坏和渗漏造成的失事土坝48座,占47%。Creager W.P.,Justin J.D.&Hinds J.(1944)[2]又补充了35座失事土坝。Middlebrooks T.A.(1952)[3]对206座失事土坝进行了分类统计,由坝基渗流造成的破坏占25%,滑动破坏造成的失事占15%,并对失事原因和运行期进行了详细统计分析。Gruner E.(1963)[4],日本发电水力协会(1972,1983)[5],Londe P.(1980)[6],Serafin J.L.(1981)[7],Howard T.R.(1982)[8]等均对土石坝的失事原因进行过统计分析。Blind H.(1983)[9]统计了世界各国已发生的309座失事大坝,大多失事大坝发生在1940年以前,由坝基渗流造成的失事占42%～43%,其中,土坝失事率高于混凝土坝。C.卡鲁斯夫[10]研究表明,自1900年以来,失事的混凝土坝70%与坝基有关,只有30%与坝体有关。根据82座失事混凝土坝的分类统计,51座失事混凝土坝与地基渗透、排水系统失灵和扬压力有关,占62.2%,31座失事混凝土坝是由大坝裂缝引起塌方和滑坡造成的,占37.8%。Alain Lebreton(1983)[11],Perlea V.(1985)[12]等也对土石坝的失事原因进行过统计分析。
国际大坝委员会第一次由大坝破坏和损坏委员会主持统计了1900～1965年期间全球500多座失事坝工事故,其中,失事大坝290座[13],并于1973年出版了《坝的事故教训》(Lessons From Dam Accidents)。随后,国际大坝委员会(1983)第二次由坝和水库退化委员会继续对失事坝工事故进行调研,并将调研范围扩大到坝的老化、损伤等方面[14]。国际大坝委员会(1988)第三次由Serofim领导的溃坝统计分析专门委员会对失事坝工事故进行了调研,首次应用计算机进行全面鉴定和分析,调研成果见国际大坝委员会第99号专题报告[15]。国际大坝委员会对失事坝工事故的调研结果表明:(1)溃坝率不断下降,1900～1950年期间的溃坝率为2.2%,1951～1986年期间的溃坝率为0.49%,表明1950年以后大坝的安全状况有所改善。(2)土石坝溃坝数量大,土石坝溃坝数量占总溃坝数的70%,70%的溃坝坝高小于30m,且大多建于1950年前,绝大多数溃坝发生在运行10年内,主要原因是土石坝总量大,且大多为低坝。(3)引起土石坝溃坝的主要原因是洪水漫顶、坝体和坝基的渗透破坏,分别占39%、18%和12%。
美国大坝委员会两次(1976,1988)对大坝失事事故进行了统计分析[16,17]。第一卷收集了截止1972年底的失事大坝349座,其中,土石坝249座,占71.3%;第二卷收集了截止1973～1985年期间的失事大坝258座,其中,土石坝201座,占77.9%。
我国对溃坝事故进行过多次统计分析,1962年,水利电力部水利管理司根据溃坝资料刊印了《水库失事资料汇编》,统计了1954～1961年期间失事大坝532座。其中,大型水库8座,占失事总数的1.5%,占当时大型水库总数的3.5%:中型水库76座,占失事总数的14.3%,占当时中型水库总数的5.5%;小型水库448座,占失事总数的84.2%。
1979年以来,水利部工程管理局在1962年汇编资料的基础上,编制了《全国水库垮坝登记册》。截止1980年底,全国溃坝2976座,平均溃坝率为3.5%,其中,土石坝2925座,占98.3%。大型水库溃坝2座,占大型水库总数的0.6%;中型水库溃坝117座,占中型水库总数的5.1%;小型水库溃坝2857座,占小型水库的3.37%。
1991年,水利部工程管理局继续登记了1981～1990年期间的266座溃坝,编成了《全国水库垮坝登记册》。在此基础上,张秀玲、文明宣[18]和李君纯[19]等先后对统计资料进行过统计分析。研究成果表明:(1)溃坝中以小型水库为主,小型水库的溃坝数占总溃坝数的96.21%。(2)溃坝中大多为低坝,坝高15～30m的溃坝为1173座,占92.3%;坝高30～55m的溃坝为98座,占7.7%。(3)76%的溃坝发生在运行期,24%的溃坝发生在施工阶段。(4)引起溃坝的主要原因是洪水漫顶(标准偏低和泄洪能力不足等),占50.6%;设计施工质量差(坝体和坝基稳定性不足,管涌、滑坡和开裂破坏等),占38%;运行管理不善(防汛准备不足,缺少安全监测,水库操作不当和泄洪闸门故障等),占5.3%;其它(临危扒口、泄洪设施失效、人为干预和原因不详等)等,占6.1%。
1994年,水利部的抽查统计结果表明,大型水库中病险库约占30%,中型水库中病险库约占26.8%,小型水库中病险库约占40%。
据1998年长江防洪抢险统计资料,渗透破坏造成的险情约占险情总数的70%,所有渗透险情中,以堤基管涌对堤防的威胁最大,不仅出现的频率高(管涌占所有险情的50%),而且极易导致大堤的溃决,带来灾难性后果[20]。
2000年统计资料表明,我国已建各类水库85120座。其中,大型水库420座,中型水库2704座,小型水库8.2万座。已建的水库大坝、江河大堤大多为土坝和土堤,由于受历史条件、经济基础和科技发展水平的限制,很多堤坝出现了变形和渗流稳定问题。据堤坝失事资料分析,防洪标准低、设计不合理、施工质量差、坝体裂缝、坝体滑坡和坝基渗透变形破坏等是造成堤坝工程事故的主要因素。尽管病险堤坝的除险加固工作已经取得了很大进展,各种除险加固技术也日趋成熟,但我国病险水库数量多,除险加固工作任重而道远[21]。
洪水漫顶引起溃坝事故的主要原因是堤坝的防洪标准低、工程质量差、泄洪能力不足和坝内埋管形成的隐患等。如1963年8月上旬发生在河北省的特大暴雨,洪水造成了一批土石坝的漫顶失事[22],1975年8月上旬发生在河南省的特大暴雨造成了板桥和石漫滩两座大型水库,田岗、竹沟两座中型水库和58座小型水库漫溢垮坝[24]。另外,甘肃党河土坝(1979)、印度Panshet坝(1961)[25]、Khadakwasla坝(1961)[25]、巴西Oros坝(1960)[26]、Machhu坝(1979)[27]、Da Cunha坝(1997)[28]、Oliveira坝(1997)[28]、美国Hell Hole坝(1964)[29]、South Fork坝(1889)[30]等都是由于洪水漫顶而引起的溃坝。
设计施工质量引起溃坝事故的主要原因是坝体和坝基的稳定性不足、管涌、滑坡和开裂破坏等。其中,渗透破坏造成的溃坝事故如北京西斋堂坝(1978)、官厅水库左坝(1956)和祟各庄水库大坝(1981)[31,32],甘肃黄羊河水库大坝(1970)[32],河北龙门水库大坝(1973)[32]和邱庄土坝(1960)[33],河南玉马水库大坝(1978)[32],山东黑虎山水库副坝(1979)和太河大坝(1992)[32],广西的澄碧河土坝(1961)[34],美国的Teton坝(1976)[35]和Fontenelle坝(1965)[36]等;滑坡造成事故的原因有地震、坝基失稳、库水位泄降等,如辽宁汤河土石坝(1975)[37]、北京密云水库白河主坝(1976)[38]、河北陡河左坝(1976)[39]、江西七一土石坝(1972)和福建岭里土石坝(1977)等[40],美国Sheffield坝(1925)[41]、Fort Peck坝(1938)[42]和San Fernando坝(1971)[43]等。
运行管理不善和其它因素引起溃坝事故的主要原因是防汛准备不足、缺少安全监测、水库操作不当、泄洪闸门故障、临危扒口、泄洪设施失效、人为干预和战争等,如青海沟后水库大坝(1993)[44]和新疆夹河子土坝(1960)[45]等,德国Sorpe土石坝(1943)、南斯拉夫Peruca坝(1993)等[40]。
2 堤坝的渗透破坏型式
堤坝渗漏带来的不仅是经济损失,更重要的是危及堤坝的安全。众多失事堤坝的现实表明,造成堤坝失事的原因不是堤坝本身的强度和变形,而是水的渗流。水在渗流过程中,对通道介质产生了渗透压力,从而减小了有效应力,使充泥的岩石裂隙、断层、溶洞、泥化夹层和土层产生液化,若不加以保护,会危及堤坝的安全。当堤坝基岩(土)含有可溶性矿物时,渗流的化学侵蚀作用会使堤坝基岩(土)形成空洞或降低堤坝岩(土)的抗剪强度。渗流引起的孔隙压力上升,使得有效应力和围压降低,堤坝基岩(土)产生软化,强度降低[46]。
当渗流产生的实际渗透比降大于临界渗透比降时,土体将产生渗透变形破坏。渗透土质的差异,渗透变形的破坏机理、发展过程及破坏程度也不一样。根据渗透破坏的形成机理,渗透破坏常有下列4种型式:流土、管涌、接触冲刷和接触流土[20,47]。
渗透力作用下,土粒发生群体浮动而流失的现象称为流土。流土在黏性土和无黏性土中均可发生。黏性土发生流土破坏的外观表现为:土体隆起、鼓胀、浮动和断裂等。无黏性土发生流土破坏的外观表现为:泉眼、砂沸、土体翻滚直至被渗透托起。
渗透力作用下,土体中的细颗粒沿粒间骨架孔隙移动或被带出的现象称为管涌。管涌通常发生在砂砾层中,可能发生在渗流出逸处,也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中的堵塞作用,管涌发生的过程中可能会产生中断现象。有时发生暂时性中断,然后继续发展;有时产生永久性中断,即发生自愈。当土中细颗粒填料较少时,细颗粒的带出不会影响土体的稳定,细颗粒被带完,管涌即告终止。
细颗粒沿着两种不同介质的接触面被渗透水流带走的现象称为接触冲刷。如穿堤建筑物与堤身结合面和裂缝的渗透破坏。接触冲刷通常发生在堤身和堤基内部,细颗粒自渗流出逸处带出。接触冲刷的不断发展形成了渗漏通道,引起堤坝溃决。
渗流垂直于两种土层接触面运动,并把一层中的土颗粒带入另一土层中的现象称为接触流土。接触流土一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接触带,如反滤层的机械淤堵等。
黏性土通常只发生流土、接触冲刷和接触流土等3种破坏型式,不产生管涌破坏。而无黏性土可能发生上述4种破坏型式[20]。
3 垂直防渗技术的发展及其研究现状
防渗加固是处理病险堤坝的主要工程措施,包括堤坝上游的垂直防渗和水平防渗(盖重压渗和反滤导渗)以及堤坝下游的排水减压等[20,48]。其中,堤坝的垂直防渗是通过置换、填充、挤密、冻结和化学作用等手段在岩(土)层中形成垂直的防渗帷幕或防渗墙,从而达到截水阻水的目的。工程中,常用的垂直防渗加固技术主要包括灌浆防渗加固技术和防渗墙加固技术。
3.1 灌浆防渗加固技术及其研究现状
灌浆防渗加固技术是利用压力将能固结的浆液通过钻孔注(压)入岩(土)体的孔隙中,从而形成具有一定强度和阻水性能的固化体。浆液固化体可起到充填、压密、黏合和固化作用,达到封堵渗漏通道、增强、补强、锚固和保护的目的。
灌浆法由Charles.Berlghy(1802)发明,并用于Dieppe冲刷闸工程[49]。1880～1905年期间,相继制成了压缩空气灌浆机和压力灌浆泵,并用于灌浆施工[46]。Joosen(1920)首先使用化学灌浆。Graf(1969)首次提出了压密注浆法,Mitehel(1970)对压密灌浆和渗透灌浆进行了对比分析。Brown和Warner (1973)论述了压密注浆法的应用和灌浆的力学机理[50]。灌浆防渗技术已广泛用于各种工程的防渗、土体稳定和锚固等[51]。
1949年以来,灌浆法在我国也得到了广泛应用。灌浆成孔方法从手风钻、铁砂或钢粒、硬质合金钻进,发展成人造金刚石和深孔潜孔冲击钻钻进,大大提高了施工效率。水利工程中,灌浆法已广泛用于基坑防渗灌浆、坝基固结灌浆、坝基帷幕灌浆、坝基接触灌浆、坝体接缝灌浆和坝体补强灌浆等。
3.2 防渗墙技术的发展及其应用现状
防渗墙源于地下连续墙,欧美称为Continuous Diaphragm Wall或Slurry Wall[52];日本称为地下连续壁、连续地中壁或地中连续壁等[53,54,55];我国则称为地下连续墙或地下防渗墙[56]。
地下连续墙技术起源于欧洲,1914年开始使用泥浆,1920年德国首先提出了地下连续墙专利,1921年发表了泥浆开挖技术报告,1929年正式使用膨润土制作泥浆。1932年美国取得了使用泥浆护壁的螺旋钻及斗式挖槽机施工地下连续墙及其配套机具的专利。1940年法国批准了链式挖槽机的地下连续墙施工法专利。1950年意大利使用米兰法建成了两项防渗墙工程,ICOS公司申请了冲击式正循环柱列式地下连续墙专利。1951年奥地利取得了地下打入长方形套管并振捣混凝土形成地下连续墙的施工法专利。1954年槽板法开发成功。1955年前后,日本从西德引进了现场灌注板的反循环钻机和技术。1959年,日本开始引进抓斗,随后,研发了M型抓斗(1971)、大型液压抓斗(MHL,CON)(1977)和MEH抓斗(1978)。并开发了许多地下连续墙新工法,如OWS、GEO-SZBW等多种型式的抓斗[57]。
1958年,山东省青岛月子口水库首次修建了圆孔套接水泥黏土混凝土防渗墙。50～70年代,防渗墙技术得到了很大发展。尤其是70年代末至80年代初以来,研究发明了许多防渗墙新技术、新工艺、新设备和新材料。如薄抓斗成槽造墙技术、射水法成槽造墙技术、锯槽成墙技术、液压开槽成墙技术、高压喷射灌浆成墙技术、多头小直径搅拌桩截渗墙技术、机械垂直铺塑和振动沉模防渗墙技术等。对于大型水利枢纽,防渗墙已成为必不可少的一种防渗处理手段。如葛洲坝水利枢纽围堰防渗墙(1981)[58]、小浪底水利枢纽上游围堰防渗墙和坝基右侧防渗墙(1993)、三峡水利枢纽一期围堰防渗墙(1993)[59]和三峡水利枢纽二期上下游围堰防渗墙(1996)等[60]。
3.2.1 防渗墙类型
根据防渗墙体的刚度,防渗墙可分为刚性墙、塑性墙和柔性墙;根据施工工艺,防渗墙又可分为桩柱式和板墙式。
桩柱式防渗墙由相互搭接的桩群组成,常先施工相隔一定距离的桩,桩间用其它工法进行防水处理,形成复合防渗墙防渗结构体系。桩柱式防渗墙包括使用泥浆的置换工法和不用泥浆的原位搅拌法。使用泥浆的置换工法钻孔机械包括回转钻机、冲击钻机、螺旋钻机和全套管钻机;不用泥浆的原位搅拌法钻孔机械包括深层搅拌机、粉体喷射搅拌机、连续螺旋钻机和高压喷射灌浆机等。
板墙式防渗墙常采用成槽、固壁、浇注和联接等工序成墙,分为槽段式和预制拼装式两种。槽段式防渗墙采用抓斗、冲击、振动、轮铣、射水、锯槽、链斗和多头钻等成槽,然后连接成墙。按槽厚分为薄墙(20～60cm)和厚墙(60～120cm)两种。抓斗、冲击和轮铣等形成厚墙,射水、锯槽、链斗、多头钻等成槽机具和改进的薄型抓斗(30～40cm)、轮铣(20～60cm)机具形成薄墙[61,62]。预制拼装式防渗墙采用锤击、插板和射水等机具成墙,或采用槽孔置入成墙,墙体材料有钢板、钢筋混凝土等[63,64,65]。超薄型插板式防渗墙采用重型液压振动锤将宽度50～100cm的H型钢板,振动插入成槽,形成8～20cm厚的超薄型插板式防渗墙体,利用H型钢板中设置的管路,注入浆液浇筑防渗墙。
3.2.2 防渗墙技术及其应用现状
(1)深层搅拌法
深层搅拌法利用水泥作为固化剂,使软土硬结改性,从而提高软土的强度,降低软土的压缩性和渗透性[66]。深层搅拌法包括干、湿两种工法,搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种型式。堤坝工程中,地基加固主要采用柱状搅拌桩,防渗加固采用壁状搅拌桩。壁状搅拌桩由相邻搅拌桩部分搭接而成,组成水泥搅拌桩防渗墙体,形成良好的隔水帷幕[20,52]。
多头搅拌桩薄墙技术利用多头小直径深层搅拌机,将水泥浆液喷入土体并搅拌成水泥土墙,形成隔水帷幕。多头搅拌桩薄墙技术适用于黏土、砂土、淤泥质土及少量粒径小于5cm的砾石层[67]。
(2)高压喷射法
高压喷射法利用高压泥浆泵向周围土体高压喷射固化浆液,形成加固体。高压喷射法分为旋喷、定喷和摆喷3种[68]。旋喷桩主要用于加固地基,提高地基土的强度,改善地基的变形性能。定喷加固体呈壁状,摆喷形成厚度较大的扇状加固体。定喷和摆喷常用于防渗、改善地基土的水力条件以及增强边坡的稳定性等。
按喷射介质及管路,高压喷射法分为单管法、二重管法和三重管法。单管法通过单根管路利用高压浆液(20～30MPa)喷射冲切土体,成桩直径为40～50cm,具有加固质量好、施工速度快和成本低等优点。二重管法使用二重灌浆管,底部侧面有一个同轴双重喷嘴,高压浆液以20MPa的压力从内喷嘴高速喷出,外围加以0.7MPa的压缩空气喷出,在土体中形成直径80～150cm的柱状固结体。三重管法分别输送水、气、浆3种介质,高压水射流和外围气流同轴喷射冲切土体,高压水射流的喷嘴周围加上圆筒状的空气射流,形成水、气同轴喷射,减少水射流与周围介质的摩擦,避免水射流过早雾化,增强水射流的切割能力。喷嘴边旋转边喷射边提升,在地基中形成较大的负压区,使压入的浆液充填到土体的孔隙中,在地基中形成直径较大、强度较高的固结体,起到加固地基的作用。
高压喷射灌浆法适用于第四系冲积层、残积层及人工填土等地基土层,如砂土、黏性土、黄土和淤泥等地基的处理。对含有直径过大过多的砾石地基及腐植土,喷射质量稍差,处理效果有时不如静压灌浆。对于地下水流速过大的地基岩(土)层、永冻土和对水泥有严重腐蚀的地基,不宜采用高压喷射灌浆法,另外,喷射浆液无法在灌浆管周围凝结无填充物的岩溶地段使用。
(3)射水法
射水法由造孔机、混凝土搅拌机和浇筑机等施工机械成墙。造孔机成型器内射水喷嘴形成的高速水流(泥浆)切割土层,成型器上下运动切割修整孔壁,泥浆护壁,正循环或反循环出渣。采用双板间隔施工,槽孔成型后采用导管水(泥浆)下浇筑防渗料形成防渗墙。槽形长150～200cm,厚22～60cm,深度可达30m。
射水法适用于流塑-可塑状态的黏性土、松散-中密状态的砂土、人工填土和粒径小于100mm的砂砾石层,特别适用于淤泥质土及松砂地层[69]。
(4)锯槽法
锯槽法采用锯槽机切割地层,根据地层状况,以0.1～40cm/min的速度移动开槽,槽厚18～40cm,深度可达40m,采用泥浆护壁,正循环或反循环出渣。槽孔成型后,采用导管水(泥浆)下浇筑防渗料形成防渗墙,采用隔浆装置隔离开槽区和浇筑区。由于连续成槽,可采用土工膜(垂直铺塑)和自凝灰浆成墙。锯槽法适用于砂土和粒径小于100mm的砂砾石层。
(5)振动沉模防渗墙技术
振动沉模防渗墙技术是一种薄型插板式防渗墙,由山东华水工程有限公司研发[21],该技术被科技部列为“九五”国家科技重点推广计划指南项目,并向全国水利系统推广。采用大功率、高频振动器将H型矩形空腹钢模板振动沉至设计深度,起拔模板时,灌注防渗浆料,从而形成单元防渗墙壁。形成成槽、护壁、浇注一次成墙的新工艺,保证了浆料在槽孔内有良好的充盈性和稳定性。为保证单元防渗墙壁之间连续不开叉,该技术采用双模板交叉套接连续施工法[21,70]。
(6)机械垂直铺塑
机械垂直铺塑通过刮板式、旋转式和往复式等开沟造槽铺塑机具,在堤坝体(基)内开出一定宽度和深度的连续沟槽,并随即铺设薄膜和回填料,形成防渗帷幕[71]。当防渗深度小于10m时,机械垂直铺塑适用于素填土、黏土、粉土和粉细砂等;当防渗深度超过10m时,机械垂直铺塑适用于素填土、黏土和粉土等。
4 结语
病险堤坝的处治是当前和今后长期面临的问题,国内外溃坝资料的研究成果表明,溃坝以小型水库的低土石坝为主,绝大多数溃坝发生在运行期10年内。防洪标准低、泄洪能力不足、设计不合理、施工质量差、坝体裂缝、坝体滑坡、坝基渗透破坏、运行管理不善和泄洪设施失效等是造成堤坝工程事故的主要原因。溃坝事故中,渗透破坏造成的失事占有相当大的比重,堤基管涌对堤防的威胁最大。因此,防渗处理是病险堤坝处治的关键问题。垂直防渗技术是病险堤坝治理的重要手段,已提出不少工法,并广泛用于堤坝的除险加固,形成了一些比较成熟的治理技术,常用的防渗加固技术有灌浆和防渗墙等。
垂直防渗 篇2
在南方许多地方, 特别是县 (县级市) , 目前正在使用或即将终场的简易生活垃圾填埋场, 都是山谷型填埋场, 选址建设时利用原状山体, 对山体进行开挖、填筑坝体围闭而成, 这类简易填埋场的建成并投入使用, 对提高城市垃圾的处理能力, 改善城市环境有着积极的意义。但这类填埋场在建设时执行的是《城市生活垃圾卫生填埋技术标准》 (CJJ17-1988) 标准, 填埋库区采用粘土防渗甚至没有防渗措施。许多简易的生活垃圾填埋场使用到末期都出现渗漏现象, 特别是垃圾挡坝, 由于建设时没有按照规范的要求采用粘土压实填筑, 都会出现渗沥液在坝体渗漏的情况。垃圾填埋场终场后, 按照现行的规范要求, 都必须进行封场处理, 防止雨水渗入垃圾堆体, 避免产生大量的渗沥液, 污染地下水等环境。简易垃圾填埋场的封场重点, 其中一个就是对垃圾挡坝的防渗漏处理。现作者就南方某城市旧型垃圾场封场设计中对垃圾挡坝的处理方案进行介绍, 以供参考。
2. 工程概况
填埋区垃圾挡坝在建设期间进行填筑, 从现场踏勘看出, 坝体材料多为沙质土及块石, 连续结构疏松, 含大量的粗砂颗粒, 粘性弱。在建设时采用的防渗要求不同, 填埋区库底及边坡采用刚性防渗, 浇注0.6米厚钢筋混凝土作为防渗层, 边坡的防渗层最高标高为65.50米。坝面标高为62.00米, 由于建设时没有对坝体内侧做防渗处理, 经过5年的填埋作业, 雨水或渗沥液已从坝体渗漏, 导致坝体的含水率饱和, 有三处地方曾出现滑坡现象, 因此为便于封场工程垃圾堆体的整形, 要对坝体进行增高。为了坝体的安全稳定, 采用止水帷幕的工程处理方案对坝体进行防渗加固处理。在坝体增高部分的内侧铺设膨润土防水垫层 (GCL) +1.5mmHDPE人工防渗膜, 膨润土防水垫层及HDPE人工防渗膜在止水帷幕处连接, 这样可以将堆体内的渗沥液完全与整个坝体隔绝, 防止坝体渗水, 出现滑坡现象, 以免对坝体的安全稳定性构成威胁。
3. 垃圾坝体加固处理方案
现有填埋区的垃圾挡坝在建设时垃圾内侧采用浆砌块石的防渗措施, 随着垃圾堆体的增高, 垃圾渗沥液长期浸泡坝体, 使坝体处于浸润状态, 在2003年曾出现三处局部滑坡。封场工程需对垃圾堆体进行修整, 且目前垃圾填埋区已超负荷填埋, 为了在封场后垃圾堆体的稳定性, 需要对坝体进行加固处理。
根据本工程的实际情况, 使用压力灌浆形成帷幕防渗, 就是用专门灌浆设备通过钻孔施用一定压力把桨液材料输入地下砂砾质土内的空隙中, 与土粒胶合, 粘结形成密实的不透水的整体帷幕, 从而达到阻水防渗的作用。这种工程措施技术在水利建设工程和建筑工程中广泛使用, 广州市李坑生活垃圾卫生填埋场和广州市大田山生活垃圾卫生填埋场, 其垃圾库主挡坝址地下基岩层渗水的防渗措施均采用帷幕灌浆防渗, 取得良好效果。
本项目的坝体防渗治理工程的处理方案是:在坝体内侧 (垃圾填埋侧) 设止水帷幕, 单排孔间距1.2米, 灌浆孔径Φ80mm, 深度约16米, 钻孔灌浆深度要求到原坝址地下2米, 止水帷幕长度深入坝体两侧山体各两米。坝体经过止水帷幕处理后, 可以防止坝体透水, 降低坝体含水率, 加强坝体的稳定性, 利于坝体加高, 便于垃圾堆体的修整。
4. 垃圾坝体稳定计算
本项目垃圾挡坝需要加高, 首先分析其安全稳定性。由于填埋场设有通畅的地下水导排系统, 堤坝设有防渗系统, 不需考虑渗流计算, 仅进行堤坝边坡稳定计算。
已知土坝坝高10.8米, 下游坡度为1:2, 即β=26.57 0, 土重度γ=18KN/m 3, 内摩擦角φ=210, 粘聚力C=21KPa。
计算方法采用瑞典条分法:
计算公式为:
满足稳定要求。
5. 工程施工情况
施工采用压力灌浆形成帷幕防渗, 在坝体内侧 (垃圾填埋侧) 设止水帷幕, 单排孔间距1.2米, 灌浆孔径Φ80mm, 深度约16米, 钻孔灌浆深度要求到原坝址地下2米, 止水帷幕长度175米, 共147个孔。帷幕灌浆材料采用粘土和水泥, 混合比 (水泥:粘土) 为1:2.2—3.5, 选用的水泥及粘土要求见表1。灌浆压力根据灌浆试验选用, 并在灌浆施工中依据实际予以适当、合理的调整, 帷幕灌浆施工程序依照逐渐加密法进行, 灌浆优先采用循环式。现场施工有建设单位、监理单位和施工单位等工程技术人员旁站监督, 并做好压力 (注) 浆旋喷桩施工记录表, 见表2。
6. 防渗效果检测
帷幕灌浆施工结束, 在保养期满后, 建设、设计、监理及施工单位共同在坝体不同的位置选取三个点作钻孔抽检, 以检测渗透性, 渗透性检测沿帷幕灌浆轴线进行。野外钻探工作采用锤击钻进或清水钻进全孔取芯方法工艺进行施工, 共钻孔3个, 进行注水试验6段次, 每孔分上下两段进行注水试验, 检测结果如表3。
从表3数据可以看出, 3个钻孔抽检的渗透系数基本达到《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》 (CJJ113-2007) 的要求, 其中ZK2的0—3.8米试验段, 可能是坝体填筑时采用的是砂砾质土, 密实度没有达到要求, 且在旋喷桩施工过程中压力的控制掌握的不是很好, 导致效果不是十分理想。但总体来说, 该施工质量还是达到预期的效果。
7. 结束语
垂直防渗 篇3
垂直铺塑是20世纪80年代初开始研制发展起来的一项新的防渗技术, 经十余年的发展和革新, 该技术已日趋成熟并广泛应用于水库大坝和江河、湖泊大堤的防渗加固工程。
1 开沟造槽机具的构造
垂直铺塑防渗技术的关键是能否开出规则且连续的沟槽, 为此对开沟造槽机械运转方式进行了分析, 每种开沟造槽机械主要由三部分组成:一是车体部分, 二是反循环系统, 三是破土开沟部分。这三种不同机型, 仅在破土开沟部分有所不同, 车体和反循环系统均相同。
1.1 车体部分。
为开出连续沟槽, 要求机械必须能够连续行进, 另考虑到水利工程施工现场情况不尽相同和运输方便, 将机械设计成为车型。车体的前后各设两组车轮子, 前轮与转向盘连接, 可自由转向;由于车体较长, 后轮做成活动的, 可前后移动, 当机械工作时, 后轮放在车体尾部, 以利运输稳定。车体框架由工字钢焊接而成, 破土开沟部分全部放在车体上, 其前后两端分别用铰和一根钢丝绳 (提升绳) 与车体联接, 当机械工作时, 缓缓.放松提升绳, 开沟装置即可绕铰向下转动并开沟, 当开沟深度达到设计要求时, 由慢速卷扬机牵引整车前进, 这样就可开出连续规则的沟槽, 达到造槽目的;当工作结束或转移时, 由提升绳将破土开沟装置提出地面, 即可用牵引车拖走。
1.2 反循环系统。
破土装置工作时, 土体被切割破坏, 土颗粒沿倾斜的工作面滑入槽底, 为保证成槽, 我们利用反循环系统将土粒吸出地面。反循环系统一般由吸口、吸管、砂砾泵 (射流泵) 、出碴管、注水 (浆) 泵等组成。
1.3 破土开沟部分。在组成开沟造槽机的三部分中, 破土开沟部分是核心。由于三种机型工作方式不同。
2 刮板式开沟机
刮板式开沟机是专门为解决在砂砾石地层开沟造槽而提出的。砂砾石地层的特点是砂粒分散、无粘性、沉淀快、不能搅拌成浆、不易成槽。根据这些特点, 设计制造了刮板式开沟机。
2.1 破土开沟装置的结构。
破土开沟装置主要由链架、链条、刮刀、主动轮、从动轮及吸砂装置等组成链架全长13.2米, 链条采用锅炉除碴链条或锚链, 由主动轮驱动沿链架上的轨道转动;链架末端设有从动轮, 刮刀安装在链条上, 随链条一起运动, 吸砂装置放在链架腔中, 用来吸取槽底砂粒,
2.2 开沟原理及工作程序。
在砂砾石地层中开沟造槽必须设法将砂粒及砾石从沟槽中排出, 本机排碴采用了两种方式:一是利用刮刀将较大颗粒 (如碎石) 带出地面;二是利用吸砂装置将砂粒从沟槽中吸出, 这两种方法同时进行。工作程序是首先开动调速电机, 由调速器控制链条由慢到快沿链架转动, 然后, 再由提升卷扬机控制降落链架, 通过刮刀的作用, 将砂土刮出地面。当沟槽开至约1米深且不低于地下水位后, 向槽中注入泥浆 (泥浆由搅拌机搅成, 由泥浆泵送入槽中, 起固壁作用) 。继续下放链架, 并保持浆面高度不变, 开动吸砂装置, 直到设计深度。这时固定链架使其保持角度不变, 由慢速卷扬机牵引, 即可使开沟机开出连续沟槽。
3 往复式机型
3.1 破土开沟装置的结构。
破土开沟装置主要由刀架、刀杆、传动杆、刮刀、喷嘴等组成。刀架由两根中136毫米厚壁钢管焊接而成, 用来吊负刀杆。刀杆是一根直径为136毫米厚壁钢管, 为加大其刚度, 加焊一根槽钢, 它的后端用一个或两个“摆”与刀架相连, 前端经托架与传动杆相连。刮刀和喷嘴安装在刀杆下侧, 工作时刮刀用来切割土体, 喷嘴用来喷射高压水。整个开沟装置的前端以铰的形式与车体连接, 后端用钢丝绳与提升卷扬机连接, 提升卷扬机控制刀架升降。
3.2 破土开沟原理。
机械在工作时, 刀杆作往复运动, 带动刮刀不断刮切土层;同时, 由高压水泵提供的高压水经高压水管和刀杆空腔从喷嘴射出, 也在不断的冲切土体。土体在刮刀和高压水共同冲刮搅拌下, 极细的粘粒经搅拌形成泥浆, 起固壁作用:较粗颗粒及其他杂物沿工作斜面滑至槽底, 经由反循环系统吸出。这样就可形成一个槽壁规整光滑的沟槽。
3.3 整机开沟程序。
首先将机械就位于开沟轴线上, 检查各部件, 环节是否正常。同时在机械后面人工开挖一深30~50厘米沟槽以排水。开动高压水泵向机内送水、缓缓下落刀架, 使刮刀接触工作面。起动主电机, 带动刀杆作往复运动。在高压水和刮刀的共同作用下, 随着刀架的不断下落, 开沟深度逐渐加深。当沟内水深淹没砂砾泵吸口后, 启动砂砾泵, 直至沟深达到设计要求。这时开动慢速卷扬机牵引整车前进, 一个连续规则的沟槽即被开出。
3.4 施工中的问题分析。
3.4.1前轮铁鞋的问题。将整机作简化并分析受力如下, 整机所受外力有三个:即自重G、支持力N和土体对刮刀的反力F。由于刀杆连续不断作往复运动, 所以土体对刮刀反力F的方向, 有时向上, 有时向下。不难看出, 由于车体安有轮子, 阻力很小, 当F方向向上时, 其水平分力将使车体向前运动;当F方向向下时, 车体将向后运动。结果导致刮刀插入土体中, 无法切割土体, 而只是车体做前后运动。为解决这一问题, 必须将车轮子固定, 即将车体固定, 使其不能前后运动, 这样才能使刮刀产生往复运动切割土体。固定轮子的措施是给前车轮穿上一双“铁鞋”。“铁鞋”结构如图所示, 它分上下两个盖, 下盖与一8毫米厚铁板连接, 其前部微翘, 以利于施工时前进, 下盖与铁板之间设有加强撑, 上下盖用螺丝连接, 箍住车轮。这样, F的水平分力即可用“铁鞋”与地面间磨擦力来平衡。3.4.2刮刀的制作与安装问题。刮刀是本机的易损件, 要求装卸方便。本机刮刀行程为28厘米, 每间隔28厘米在刀杆上固定一刮刀座, 用螺丝将刮刀安装在刮刀座上。为使刮刀锋利、耐磨, 我们将刮刀的一头做一刀刃并经热处理。刮刀座安装时要求精确对直, 以保证刮刀在同一直线上, 这样开出的沟槽槽壁才能光滑垂直。刮刀的宽度按照所开沟槽的宽度来确定, 当用于铺塑时, 刮刀宽16~18厘米, 即可满足要求。当沟槽用于其它用途 (如浇硷防渗墙) 时, 沟槽要求宽, 刮刀宽度可相应增加。我们在浇筑地下硅连续防渗 (防冲) 墙时, 刮刀宽度为35厘米。
4 旋转式机型
4.1 开沟原理。
本机型的开沟原理不同于前两种机型, 它是利用平行于刀架的旋转轴旋转带动刮刀刮土, 被刮下的土体一部分被搅拌成泥浆, 大部分由吸砂装置服出地面以成构槽。
4.2 破土开沟装置结构。
这种开沟装置由刀架、旋转轴、刮刀、支承座、吸砂装置等组成, 其总体旋转轴由四根厚壁地质管制成, 它的刚度大、挠度小。旋转轴通过支承座与刀架联接, 以减小旋转轴挠度, 增加旋转时的稳定性, 经计算我们将支承座间距设计为1.5米, 支承座与刀架用螺丝联接, 以利装卸方便。
4.3 工作程序。
当机械全部就位后, 由人工在刀架下落处开一深1米左右的沟槽, 慢慢下放刀架, 起动电机, 这时旋转轴即可在动力带动下旋转, 并由刮刀开始刮土。为使槽壁稳定, 向槽中注入一定比重泥浆以起到固壁作用 (泥浆由搅拌机搅拌, 由泥浆泵注入槽中) 。再起动吸砂装置, 将刮刀刮下的砂土吸出地面, 同时补充槽内浆液, 使液面保持略低于地面。当塑膜随机铺好后, 为节约浆液, 将出砂管置于机后10米处槽中。这样不但能使浆液重新回流至槽中, 而且能使被吸出的砂土回填沟槽, 一举两得。当刀架下降至设计深度后, 由慢速卷扬机牵引整车前进, 这样即可达到开沟铺塑的目的。
参考文献
[1]王金生.垂直防渗墙新技术在长江重要堤防隐蔽工程中的应用[J].中国水利, 2000.