水利防渗膜及减压系统在人工湿地中的应用

刘 聪，方 昊

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000)

0 前言

复合土工膜作为一种常用防渗材料，在河渠池湖中应用广泛，常用的型式包括PE(聚乙烯)复合土工膜、HDPE(高密度聚乙烯)复合土工膜等[1]。水池等采用土工膜形成封闭水平防渗，而区域地下水位变化频繁时，由于土工膜渗透性极低(k<10-11cm/s)，地下水位涨落产生的气泡和浮力会对水平防渗膜产生顶托作用[2]，从而造成膜底不均匀变形，造成鼓包或局部破裂[3]，甚至使防渗系统失效。

人工湿地属于市政环境工程，防渗设计多参照规范CJJ 113—2007《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》[4]。而复合土工膜在水利领域已长期广泛应用于水库、渠道、河湖治理[5]，其相应土工膜防渗应用经验可对人工湿地设计提供参考与借鉴。

1 工程概况

1.1 项目简介

某人工湿地位于江苏省淮安市，为工业园区污水厂尾水净化湿地，设计净化处理能力20000t/d，总占地面积106亩(面积70618m2)。湿地工艺布置曝气调节塘1座(面积7642m2)、应急塘1座(面积3819m2)、高效微生物滤池2座(处理能力共20000m3/d)、高效除磷表面流湿地1座(面积23168m2)。前置的曝气调节塘、应急塘直接存放未经加强处理的污水厂尾水，采用复合土工膜进行水平防渗。为应对可能出现的进水水质超标，应急塘常贮水位较浅，以预留容积，其防渗膜上浮变形危险性在所有水池中最严重，本文以应急塘为例做设计与分析。

1.2 地质情况

场地在地貌上属徐淮黄泛平原区，冲积扇三角洲地貌单元，第四纪覆盖层主要由砂质粉土及粘性土组成，拟建场地以农田为主。地勘钻孔揭示土层分布情况如下：

(1)1-1素填土：杂色，松散，湿，以粉性土为主，局部段为杂填，夹杂有碎石，表层含生活垃圾，土质不均匀。中等透水，场地普遍分布。

(2)2-1粉质黏土：浅灰色，软塑，干强度中等，韧性中等，该层夹薄层粉土。弱透水，场局部分布。

(3)2-2砂质粉土：浅灰色，稍密～中密，湿度大，摇震反应迅速，干强度低，韧性低，局部夹有软塑状粉质粘土，土质不均匀，中等透水，该层沿线局部缺失。

(4)2-3粉质黏土：灰色，软塑，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等，局部含有砂质粉土，土质不均匀，弱透水，该层沿线均有分布。

(5)2-4淤泥质粉质黏土：灰黑色，流塑～软塑，稍有腐臭味，干强度韧性中等。极微透水，场区局部缺失。

(6)3-1含砂姜粘土：灰黄色，硬塑，局部夹薄层粉砂，含砂姜约占5%～10%，粒径约5～30mm，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。微透水，场区普遍分布。该层未揭穿。

应急塘为下挖式水池，自然放坡，挖深范围内土层为1-1素填土、2-2砂质粉土，下卧土层为2-3粉质黏土、2-4淤泥质粉质黏土。

1.3 地下水情况

场地勘察深度内地下水为松散土类潜水中的孔隙水，潜水中的孔隙水赋存于1-1层填土和2-1层粉质黏土及2-2层砂质粉土中。

根据搜集到的资料，季桥镇历史最高潜水位为地面下0.50m，潜水位年变化幅度一般为2m左右。据调查，近年最高水位埋深为地面下0.50m。地下水位季节性变化显著，一般在雨季到来之前的5月下旬—6月上旬达到最低点，6月中旬以后随着雨季的到来，水位开始回升，至7—9月份降雨高峰季节孔隙水位到达高点，此时水位埋深最高可达1m以内。

根据地勘建议，建筑物抗浮设计水位按室外设计地坪以下0.5m考虑。

1.4 风险分析

(1)地下水位变动活跃带来的抗浮风险。防渗膜抗浮稳定最不利水池为应急塘，面积约3819m2。根据湿地工艺布置，场区设计地面高程7.20m，应急塘塘底高程3.50m，塘内常贮水位4.50m，以预留事故备用容积。抗浮设计地下水位最高可至6.70m，最低4.70m，即当地雨季时期，随地下水位上涨，最大将会对塘底防渗膜产生2.20m净水头差浮力。

(2)场地土质情况的不均匀性。湿地水塘在现场开挖期间，发现表层地基中有大量垃圾埋藏。据与当地管理部门核实，本区域数年前曾被实际作为非法垃圾填埋场地，后期未经转运。

地下水位涨落及地基土质的不均匀容易在防渗膜底产生气泡并伴有较强的浮力，使复合土工膜产生变形破坏风险。

2 防渗膜及排水减压系统

2.1 防渗及防冲设计

应急塘采用水平防渗，防渗材料选用复合土工膜，防渗材料设置相应支持层及保护层。具体做法参照水利防渗膜及渠道防渗规范，如图1所示。

图1 复合土工膜防渗结构及集水井

(1)支持层设计：塘底原状素土夯实，再铺设200mm厚粗砂垫层，上铺土工布1道；

(2)复合土工膜防渗层：防渗材料复合土工膜采用两布一膜结构ABA型，其中基布A为2层无纺布，膜B为光面高密度聚乙烯(HDPE)膜，厚度不小于1.0mm。复合土工膜上下设置过渡层，均采用50mm厚砂浆垫层；

(3)保护层设计：保护层采用黏土压实，厚度600mm，同时为增加膜上配重，再增设600mm厚卵石覆盖层。

2.2 排水降压系统

根据SL/T 231—98《聚乙烯土工膜防渗设计规范》，当水面宽度大于10m、水深大于2m时，应采取减压系统，可采用的型式包括：砂卵石连续排水层、间距小于3m的排水集水管道、排气管(有高压时用)、排水排气系统，如图2所示。本工程膜下采用排水排气系统，设计原则为“网状覆盖、集中释放”。

图2 膜下排水降压系统布置

根据应急塘平面形状，采用纵横状集水排气系统，全覆盖塘底及坡面防渗层。塘底防渗膜下200mm粗砂支持层中，设置纵横矩形塑料盲沟作为集水排气媒介。纵向盲沟间距10m布置1道，范围覆盖；横向盲沟在塘底及塘口各环形布置1道。矩形塑料盲沟尺寸300mm×200mm，中空部分160mm×73mm，外包土工布1道。

塘底环形横向盲沟均布设置2座点状集水井，当出现塘内水位过低或无水时，应采用备用泵从盲沟集水井中抽水，保证集水井中水位低于塘内水位。

2.3 抗浮计算

防渗膜上压重大于膜下浮力，并预留一定的安全裕度，抗浮系数k取1.05。抗浮计算公式：

k·ρwΔh=∑ρsihi+ρwhw

(1)

式中，ρs、ρw—土体、水容重，kN/m3；Δh—浮力水头差，m；hw—塘内水深，m。根据抗浮稳定要求，如不采取其他措施，当雨季地下水位上涨至6.70m时，应急塘内至少需贮水2.1m深。

2.4 集水井排水量计算

排水排气系统抽排水量可参照基坑降水公式计算，水塘面积3819m2，集水井及导水盲沟组成潜水非完整降水井，井点数量为2。基坑总涌水量Q及降水井单井设计流量计算公式为：

(2)

(3)

式中，H—潜水含水层厚度，m；h—降水后水位线高度，m；l—过滤器进水部分长度，m；R—降水影响半径，m；r0—基坑等效半径，m。

为满足抗隆起要求，至少需将应急塘位置地下水位降至与塘内常水位齐平，根据计算基坑总涌水量为14.62m3/d。为保证水池防渗膜下降水效果均匀，设置2座降水井对称均匀布置，相应单井设计流量为8.0m3/d。

3 基于PLAXIS的膜下减压效果模拟

3.1 有限元模型的建立

PLAXIS程序是目前广泛采用的岩土有限元模拟软件，本次设计基于PLAXIS平台对人工湿地防渗膜下系统进行地下渗流模拟[6]，从而分析减压效果。

本次有限元计算采用平面应变十五节点模型，水平、竖向分别对应模型X、Y向，渗流条件打开xmax、xmin、ymax边界，关闭ymin边界。防渗膜及膜上保护层防渗黏土设置极小渗透系数(k<10-9cm/s)，膜下粗砂为强透水，其余土层根据地勘资料取值，土体采用可排水的摩尔-库伦本构模型[7]。降压集水井采用井单元模拟，设置行为类型为地下水抽取，单井抽水流量8.0m3/d，模型计算参数设置见表1。

表1 数值模型计算参数

3.2 模型计算结果

分3种工况计算对比分析膜下排水减压系统的作用：3种工况均为高地下水位抗浮不利工况，工况一为原始条件工况，工况二为膜下不设盲沟+砂垫层的启泵降压工况，工况三为膜下设集水盲沟+砂垫层的启泵降压工况，见表2。如图3—5所示为3种工况的孔隙水压力云图。

表2 计算工况表

图3 工况一：高地下静水位工况孔隙水压力云图

对比图3—5，可以直观发现启动抽水泵可以有效减小防渗膜下的孔隙水压力；对比图4—5，可以发现防渗膜下集水盲沟+砂垫层的设置，对于缓解孔隙水压力的分布均匀性具有明显效果，究其原因，抽水行为在强透水的集水垫层中形成的负压作用均匀分布，周边土体可通过更大的接触面实现地下水的通畅流动。为了避免应力不均导致膜体差异变形从而产生破坏，集水井及盲沟+粗砂垫层共同组成膜下降压系统是有效且有必要的。

图4 工况二：膜下无盲沟+砂垫层，启泵抽水工况孔隙水压力云图

图5 工况三：膜下有盲沟+砂垫层，启泵抽水工况孔隙水压力云图

以3m间距均匀取坡面、坡脚、塘底的防渗膜下节点，绘制孔隙水压力曲线如图6所示，可以得出，设置集水井+粗砂垫层组成的膜下排水降压系统以后，可以减小防渗膜受到的孔隙水压力平均36.9kPa，减小总顶托力约2434.73kN，有效提高了防渗膜的抗浮安全。

图6 防渗膜下孔隙水压力沿线分布图

4 结语

参照水利渠道复合土工防渗膜相关做法，应用于人工湿地塘底设计，对于复合土工膜与膜下盲沟粗砂垫层+集水井组成的排水降压系统，经过PLAXIS有限元软件验算，可知其可有效且均匀的缓解高地下水位对防渗膜底产生的孔隙水浮托力。证明该种设计做法对于人工湿地的复合土工膜防渗处理方式是合理可行的，为以后的人工湿地防渗设计提供了参考借鉴。