防渗墙在航空港区河刘沟生态治理中的应用

□李雪艳 □何 佳（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1.工程概况

航空港区河刘沟为丈八沟的主要支流，属贾鲁河水系二级支流。起源于郑州市航空港区北部湛庄，向南经陡沟村后转向东，而后流经大河刘村后，在中牟县注入丈八沟，全长7.2km，河道平均比降1/140，流域面积15.0km2。其中，航空港区段河道长度5.6km，流域面积为12.5km2。河刘沟属丘陵向平原过渡区排水河道，流域内多垄岗沙丘，地表多砂土和砂壤土。河道为砂质，受洪水冲刷，易塌岸淤积。

航空港区河刘沟生态治理工程是一项集防洪排涝、生态景观、休闲娱乐等多功能于一体的综合整治工程。河道治理长度4.45km，治理标准为5年一遇除涝，50年一遇防洪。工程主要建设任务是建立起安全配套的防洪除涝体系、高效和谐的水环境保护和生态建设体系、优美迷人的滨河景观休闲网络体系、优化配置的水资源供给体系、简洁高效的河道管理体系等“五大体系”。

根据工程建设任务，规划在河道上共布置5座拦蓄水建筑物，2处人工湖泊，再通过生态环境补水工程，全河道形成一定的景观水面，实现水通、水美的效果。

2.防渗方案选择

2.1 河道防渗的必要性

工程区沿线地下水位均在设计河底高程以下，各土层渗透系数在2.79×10-5cm/s～3.51×10-4cm/s，属于中等～弱透水层。经过计算，在不采取防渗措施的条件下，全河道年渗漏量约为600万m3，渗漏量较大，如不采取防渗措施，很难形成景观水面，对蓄水造景产生很大影响。同时，由于河道的强渗漏现象带来的工程区地下水形态和水质的改变，也将给河道两岸生态环境带来一些负面影响。因此，需对河道水体采取防渗措施。

2.2 防渗方案选择

防渗方案采用边坡铺设土工膜防渗、防水毯以及沿河岸设置截渗墙3种方案进行比选。

方案一：边坡铺设土工膜，河底回填粘土进行防渗。

优点是：便于施工，工程造价低，工程投资约450万元。

缺点是：阻断了河道水体与两岸土壤之间的物质能量交换，影响河道生态型、景观型边坡的营造。

方案二：采用边坡铺设GCL膨胀土防水毯，河底回填粘土进行防渗。

优点是：便于施工，防渗性能好，绿色环保，容易修补等优点。

缺点是：工程造价高，工程投资约650万，虽然属于环境友好型材料，但对于景观型边坡营造仍具有一定的局限性。

方案三：采用沿河道两岸及湖周边设置截渗墙，局部河底及边坡铺设土工膜进行防渗。

优点是：既能满足防渗要求，又符合生态型和景观型河道治理理念。

缺点是：工程造价相对较高，工程投资约600万元。

从上述3种防渗方案可看出，采用在河道两岸及湖周边设置截渗墙的办法，工程造价虽然较土工膜稍高，但比膨胀土防水毯造价低，并且此方案具备便于生态型和景观型边坡的设置和营造优点。综合考虑各方面因素，采用在河道两岸及湖周边设置防渗墙进行防渗。

3.防渗墙工程设计

3.1 成墙方案选择

目前，截渗墙成墙方法较多，主要有搅拌成墙防渗、挤压注浆成墙防渗、高压喷浆成墙防渗、置换成墙防渗。

3.1.1 搅拌成墙防渗

搅拌成墙防渗是运用深层搅拌桩机在地基一定深度范围内把水泥浆喷入土体，使水泥和土体产生一系列的物理－化学反应凝结形成具有整体性、水稳性、一定强度和防渗能力的水泥土桩体防渗墙。该方法适用于淤泥、淤泥质土、黏土、粉质黏土、粉土、砂土等软地基，其加固深度可达30m。

3.1.2 挤压注浆成墙防渗

此种方法主要包括振动沉模防渗墙和振动切槽防渗墙。

振动沉模防渗墙：利用振冲力将空腹模板沉入土中，向空腹内注浆，边振动边拔模，浆沉留于空中形成单块、板墙，再将单板连成整体形成防渗连续墙。该技术适用于砂性土、黏性土、淤泥、砂砾石等地基。造墙深度为20m，墙体厚8～25cm。该方法具有先进、质量可靠、工效高、单位造价低、工艺简单等优点。

振动切槽防渗墙：利用电机带动底部镶嵌有刀片、导向杆与导向翼的钻头向下振动，刀片向下切削与挤压土层，钻杆中空的高压水与气的混合体沿导杆向杆两端喷射以分散削离土体形成槽孔，当连续作业并使振动切削的槽孔达到设计防渗深度时，通过钻杆中空开始向槽孔输送浆液，停止提升钻杆直至孔口返浆，再提升钻杆达到设计槽孔顶面高程且孔内浆液不沉降为止，为了形成防渗墙，不待浆凝，就移动振动切槽机具连续进行上述过程施工，形成连续防渗墙。该技术主要用于粘土、淤泥、沙土等，成墙深度约20m。

3.1.3 高压喷浆成墙防渗

高压喷射灌浆技术是利用钻机造孔后，再把带有喷头的灌浆管下到预处理部位，以高压水射流冲击破坏土层，部分细颗粒随泥浆冒出地面，其余部分与灌入的浆液混合搅拌，在地层中形成凝结体。其原理是利用射流作用切割掺搅土层，改变原土层的结构和组成部分，使灌入水泥浆达到防渗的目的。该项技术适用于粉土、砂土、砾石及卵石地层，目前处理深度可达80m。

3.1.4 置换成墙防渗

置换成墙防渗主要包括黏土截水墙、混凝土防渗墙、垂直铺塑防渗墙等。其成墙原理是将一定深度内被置换的土体挖除成槽，再填筑或铺设混凝土、黏土、土工膜等防渗体材料，并连成整体的防渗墙。该技术根据成槽施工机械的不同，可用于各种土层，成墙深度在20～100m。

以上几种方案均是应用较广、防渗效果较好、技术比较成熟的垂直防渗措施，各有特点。河刘沟成墙深度在10m左右，结合国内外一些垂直防渗工程的成功经验，以上几种方案均可用于本次防渗工程。根据本工程的特点，挤压注浆成墙技术振动沉模防渗墙具有工程造价低、工效高、防渗效果好等优点，更适合用于本次工程。因此，河道防渗采用振动沉模防渗墙。

3.2 防渗墙型式

防渗墙型式主要分为封闭式防渗墙和悬挂式防渗墙。封闭式防渗墙是墙底部深入不透水层或弱透水层，由防渗墙和不透水层或弱透水层组成一个封闭的防渗体。悬挂式防渗墙是墙底部深入土层一定深度，形成一个悬挂式的防渗帷幕，通过利用延长渗径的方法来起到防渗的效果。

从工程投资和防渗效果两方面考虑，两种防渗型式投资差别不大，但封闭式防渗墙防渗效果较好。因此，河刘沟河道采取封闭式防渗墙进行防渗。

3.3 防渗墙平面布置

防渗墙平面设计以工程量较省为原则，同时既要满足方便施工，又要满足防渗要求。根据河刘沟河道开口线，结合防渗墙的施工工艺，防渗墙的平面布置如下：防渗墙基本沿河岸周边布置，河岸线弯曲处取直，将河道和湖体包络其中。桥梁下面等局部不能包络的部位采用正常蓄水位以下边坡和河底铺设土工膜进行防渗。

3.4 防渗墙顶底高程

3.4.1 墙顶高程

防渗墙顶设计高程根据河道正常蓄水位和防渗墙沉降量来确定，按正常蓄水位以上0.3m进行控制。

3.4.2 墙底高程

墙底嵌入弱透水层深度采用公式计算进行估算，计算公式如下：

式中：Δl—嵌入不透水层深度；ΔH—防渗墙上的水头差；[J]—为允许水力坡降，一般取8～10。

经过计算，嵌入不透水层深度为0.9m，取1.0m。

3.5 墙体厚度

墙体厚度选定既要满足防渗要求，又要便于施工。采用公式计算进行估算，计算公式如下：

式中：d—防渗墙厚度，m；ΔHmax—作用防渗墙上的最大水头差，m；[Jmax]—为渗透破坏坡降，与墙体厚度、渗透系数、抗压强度等有关，一般取100～300。

按渗透破坏坡降Jmax=100，最大水头差13m进行计算，d≥0.13m。考虑到防渗墙太薄，施工时质量不容易控制，容易发生墙体扭曲及断裂等现象，防渗墙墙厚取0.20m。

4.防渗效果评价

为了检验防渗墙防渗效果，利用河海大学编写的autoBank6.0应用程序，采用二维有限元法建立数学模型对封闭式防渗墙进行渗漏量计算，数学模型见图1。

图1 防渗墙成墙后河道渗漏量计算数学模型图

经模拟计算，墙体厚取20cm时，防渗墙渗透系数控制在1×10-6～1×10-7cm/s之间，河道年渗透量约为30万m3，较工程前年渗漏量减少570万m3，渗漏量减小率为95%，工程防渗效果显著，为河道营造生态景观水面打下了坚实的基础。

5.施工工序及技术要求

防渗墙施工程序如下：

步骤1：模板就位。先将桩机调平，并使机架立柱垂直，再将A模板对准孔位，振动体系的自重将板刃压入土中，检测调整模板的垂直度达到规程要求。

步骤2：振动沉模。启动振锤，将A模板沿施工轴线沉入地层，达到设计深度，A模板为先导模板，有起始、定位、导向作用，垂度应严格控制；将B模板沿施工轴线与A模板紧接，沉入地层设计深度，B模板为前接模板，起到延伸板墙长度的作用。

步骤3：浆体灌注和模板提升。向A模板空腹内灌满浆体，然后边振动、边上拔、边注浆，直至拔出地面，浆体留在槽孔内，形成密实的单板体。

步骤4：浆体充盈灌注。浆体要有一定充盈量（由初始试验或经验确定）。在模板振拔过程中，要同时向模板内连续注浆，拔模与注浆保持同步，使模板空腹内始终保持一定的浆体高度，保持模板空腹内有足够的浆体充盈量，确保墙体的连续完整。

步骤5：再沉A模板。A模板拔出地面后，移动步履式桩机，将A模板移到B模板前沿就位。此时，A，B两模板作用互换，即B模板为先导模板，起定位导向作用，A模板为前接模板，起到加长板墙作用。

如此连续重复以上工序，即可完成一道竖直连续的整体板墙。施工工序见图2。

图2 防渗墙施工工序流程图

6.结语

本文结合工程实例，对防渗墙在河道生态治理中的应用进行了探索，详细介绍了防渗墙工程设计方案、施工工艺等内容，并对防渗效果进行了评价。对今后城市河道生态治理过程中出现的渗漏处理问题具有一定的借鉴意义。

[1]任红云，刘海军等.双板振动沉模防渗墙的质量分析与控制[J].水利水电科技进展，2009(4).

[2]钱玉林，殷宗泽.振动沉模防渗墙的成墙机理及其工程应用[J].工程勘察,2008(11).