某一級(jí)公路下穿道路防滲方案研究

某一級(jí)公路下穿道路防滲方案研究

1下穿道滲流分析一級(jí)道路通過高速公路的開放孔通過高速公路，支線寬度為26m，路面結(jié)構(gòu)為40cm二氧化土、25cmc-20cmo15cm（4%水泥和8%石灰）和25cma-20cmolc-20cm。兩側(cè)排水段為0.5m0.6m綠色混凝土板巖，下層道路最高點(diǎn)為道路距離道路橋板梁下緣高度為5m，兩側(cè)原始高度為2m。該工程于2006年11月建成通車,2007年1月發(fā)現(xiàn)下穿道道路中分帶有近50m長(zhǎng)度范圍出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,且流速明顯(圖1)。上述情況表明道路路基含有豐富的地下承壓水,為防止路面滲水結(jié)冰影響行車安全,進(jìn)而又在道路兩側(cè),以下穿道最低處為中心,30m間距,每邊各開鑿3個(gè)1m×1m×1.5m滲水井,利用原有碎石墊層排水。當(dāng)最初兩個(gè)滲水井鑿開后,路基中的承壓水隨即噴涌而出,經(jīng)過10h以后才變?yōu)榉€(wěn)定細(xì)流(圖1),這更加證明了地下承壓水相當(dāng)豐富。2地面滲流場(chǎng)特征分析觀察下穿道兩側(cè)地表情況,發(fā)現(xiàn)下穿道西南側(cè)、東北側(cè)臨近道路均有1個(gè)面積近百畝的養(yǎng)殖魚塘,水深約3～5m,西北側(cè)臨近道路有一條平行于道路的排水明渠,水深約1.5～2m,說明道路兩側(cè)水源豐富,很容易給道路進(jìn)行水源補(bǔ)給。委托某水文地質(zhì)勘察單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘探,發(fā)現(xiàn)地表以下第一、二層主要成分為亞砂土,厚度2.1～6.3m,平均厚度4.2m,水平、豎直方向滲透系數(shù)分別為187.2×10-7cm/s、258.4×10-7cm/s,富水性及透水性較好,為弱透水層,同時(shí)該土層側(cè)向徑流條件較好,與地表水體有密切的水力聯(lián)系,很容易向低于地表含水層標(biāo)高的部位滲出、排泄水體。三、四層土質(zhì)分別為夾淤泥粘土、粘土,厚度6.0～11.2m,平均厚度8.9m,垂直滲透系數(shù)為0.53×10-7～2.33×10-7cm/s,兩層特別是第四層是一個(gè)很好的隔水層。由此可見,下穿道路面中分帶滲水主要是由于一、二層土體將高于路面的魚塘、明渠水引入道路形成承壓水造成的,由于三、四層的隔水作用,路面滲水與四層以下的透水層無(wú)關(guān)。選取橋下典型斷面進(jìn)行滲流場(chǎng)內(nèi)流速、等勢(shì)線計(jì)算,對(duì)現(xiàn)狀滲流情況進(jìn)行復(fù)核。按照有限元數(shù)值解法,由于穩(wěn)定滲流符合達(dá)西定律,對(duì)非均勻各向異性二維滲流場(chǎng),水頭勢(shì)函數(shù)滿足:??x[kx?φ?x]+??x[ky?φ?y]+Q=0(1)??x[kx?φ?x]+??x[ky?φ?y]+Q=0(1)式中:φ=φ(x,y)為待求水頭勢(shì)函數(shù),其必須滿足兩個(gè)邊界條件:即上游邊界上水頭已知,有φ=φn(上游邊界某斷面測(cè)點(diǎn)水頭函數(shù)計(jì)算值)成立;在逸出邊界水頭和位置高程相等,有φ=z成立。kx、ky為x、y方向的滲流系數(shù)。在某邊界上滲流量計(jì)算公式見式(2),其中l(wèi)x、ly為邊界表面向外法線在x、y方向的余弦:kx?φ?xlx+ky?φ?yly+q=0(2)kx?φ?xlx+ky?φ?yly+q=0(2)假定單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)為多項(xiàng)式,由微分方程和邊界條件確定其問題的變分形式,導(dǎo)出線性方程組如式(3),其中[H]、{φ}、{F}分別為滲流矩陣、滲流場(chǎng)水頭、節(jié)點(diǎn)滲流量,并采用節(jié)點(diǎn)流量法通過多次迭代計(jì)算確定浸潤(rùn)線位置和出逸高度:[H]{φ}={F}(3)利用式(4)、(5)分別求出各點(diǎn)的水力坡降和流速,并確定單位寬度滲流量:jx=??φ?x,jy=??φ?y(4)vx=kxjx,vy=kyjy(5)jx=-?φ?x,jy=-?φ?y(4)vx=kxjx,vy=kyjy(5)經(jīng)過計(jì)算,得出路面上出滲最大流速vmax=1.31×10-7m/s,單位寬度滲流量q=5.77×10-8m3/(s·m),即4.99×10-3m3/(d·m),折算成單位面積道路上的每天滲流積水厚度為4.99mm/d,大于該地區(qū)平均蒸發(fā)量4.2mm/d,因此造成道路中分帶出現(xiàn)滲流現(xiàn)象。3地下防滲結(jié)構(gòu)解決下穿道路面滲水問題要采用疏和堵相結(jié)合的辦法,疏主要采用兩側(cè)開鑿滲水井的辦法,堵主要采用在下穿道道路兩側(cè)和下穿道之外路面形成合圍的地下防滲結(jié)構(gòu),其豎直范圍為頂部與地表(路面)平齊,底部應(yīng)置于第四層土層頂部,高度宜控制在9.7～10.8m。結(jié)合工程實(shí)際,選取幾種近幾年發(fā)展起來(lái)的防滲技術(shù),從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等方面進(jìn)行防滲方案比較。(1)垂直防滲基礎(chǔ)該方案主要工藝采用鏈?zhǔn)介_槽機(jī)械連續(xù)開槽,在槽內(nèi)插(鋪)聚乙烯塑料膜,再用土將溝槽回填密實(shí),形成垂直防滲帷幕,其優(yōu)點(diǎn)是最大開槽深度可達(dá)13m,工藝簡(jiǎn)單,防滲效果好,滲透系數(shù)小于A×10-11cm/s,且目前工程造價(jià)低,約65元/m2。但在本項(xiàng)目施工過程中會(huì)遇到高速公路橋下、部分高壓線地段凈空高度不能滿足放置施工機(jī)械等問題,造成帷幕難以形成閉合,防滲效果下降,同時(shí)橫向過路插膜還會(huì)導(dǎo)致路面破壞。(2)土體防滲幕墻搭接多頭小直徑(≥3頭)深層攪拌樁截滲技術(shù)采用特制的同步掘攪機(jī)械施工,邊攪拌邊灌注水泥漿液,形成單元水泥土體,重復(fù)交叉搭接施工,形成連續(xù)防滲帷幕以達(dá)到截滲目的。其優(yōu)點(diǎn)是樁深可達(dá)10～13m,容易克服地下障礙,防滲效果好,滲透系數(shù)可達(dá)A×10-6cm/s,工程造價(jià)低,約90元/m2。但在本項(xiàng)目施工中縱橫向都會(huì)對(duì)現(xiàn)有路面產(chǎn)生很大破壞,后期維修費(fèi)用相當(dāng)高,同時(shí)施工機(jī)械對(duì)施工場(chǎng)地凈空高度有一定要求,現(xiàn)場(chǎng)難以滿足。(3)水層0.5mm控制施工射水法地下混凝土連續(xù)墻防滲技術(shù)主要是按照設(shè)計(jì)軸線開槽澆注混凝土地下連續(xù)墻,墻底以深入相對(duì)不透水層0.5m控制。其優(yōu)點(diǎn)是施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)施工場(chǎng)地凈空高度要求較小,最大造槽成墻深度可達(dá)17m,墻厚0.22m,防滲性能好,滲透系數(shù)可達(dá)A×10-8cm/s。但該方案施工功效較低,材料消耗大,造價(jià)高,約330元/m2,且也容易在縱橫向施工時(shí)導(dǎo)致對(duì)路面的破壞。(4)豐富墻質(zhì)量分析高壓擺噴防滲板墻防滲技術(shù)主要是按照設(shè)計(jì)軸線布置防滲板墻導(dǎo)引孔,將高壓擺噴噴具下至設(shè)計(jì)深度,通過高壓泵形成漿液高速射流及壓縮氣體共同作用切割,破壞土體,形成槽孔,通過控制噴嘴擺角,經(jīng)切割、升揚(yáng)置換等作用,利用水泥漿液填充槽孔,形成以水泥漿為主體的固結(jié)體防滲墻,墻體深入不透水層0.5m以上,有效厚度達(dá)0.2m以上。其優(yōu)點(diǎn)是施工深度大,可達(dá)40m,防滲性能好,滲透系數(shù)可達(dá)A×10-6cm/s,對(duì)道路破壞小,橫向過路僅出現(xiàn)直徑為15～20cm的小孔,同時(shí)對(duì)施工場(chǎng)地凈空高度要求小,操作方便。缺點(diǎn)是功效相對(duì)較低,材料消耗大,造價(jià)較高,達(dá)328元/m2。4種防滲方案比較,都能解決公路下穿道地基滲流問題,但考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)高壓線路較多,高度小于6m,高速公路橋下凈空高度僅有5m,現(xiàn)有道路已經(jīng)成型,道路兩側(cè)與護(hù)坡、擋墻之間可利用場(chǎng)地較小的實(shí)際情況,經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工可行性比較,決定采用高壓擺噴板墻方案,其設(shè)置位置以高速公路跨線橋?yàn)橹行?在道路兩側(cè)向兩邊延伸至路面頂高程大于兩側(cè)魚塘最高水位位置為止,長(zhǎng)度330m,加上橫向過路部分,設(shè)置高壓擺噴板墻總長(zhǎng)度為720m,深度為9.7～10.8m(圖2)。4雙管法施工的施工過程高壓擺噴施工方法是高壓噴射施工的方法之一,相比較于高壓懸噴和高壓定噴兩種方法,高壓擺噴有用料適中,墻體厚度適中,“一”字墻體連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),因此較多運(yùn)用于地下防滲工程。按照噴射介質(zhì)(水、氣、漿液)及其管路的多少,高壓噴射可分為單管法、兩管法、三管法等施工方法,考慮本項(xiàng)目緊鄰高速公路和魚塘等設(shè)施,為了減少高壓噴射對(duì)路基、堤壩帶來(lái)的破壞影響,決定采用噴射壓力最小(20MPa左右)的兩管法施工(圖3)。施工工藝為:①先采用?150鉆機(jī)按照孔距1.2m間距進(jìn)行鉆孔,至設(shè)計(jì)深度以下0.4m;②然后移開鉆機(jī),高噴臺(tái)車就位,下入噴灌至設(shè)計(jì)深度;③進(jìn)行高壓噴射作業(yè),先鉆一序孔,注漿壓力為28MPa,再鉆二序孔,注漿壓力為30MPa。灌漿應(yīng)全孔連續(xù)作業(yè),并保證水泥用量不小于300kg/m2,每次拆卸噴管時(shí)應(yīng)進(jìn)行復(fù)噴,長(zhǎng)度不小于0.2m;④灌漿完成后,由于漿液析水導(dǎo)致固結(jié)體收縮下沉,應(yīng)在一定時(shí)間以后根據(jù)回落情況進(jìn)行漿液回灌,直至不下沉為止,然后用水泥混凝土封堵鉆孔;⑤工程施工中及完成后,應(yīng)對(duì)棄漿進(jìn)行清運(yùn),并整理施工現(xiàn)場(chǎng),撤出施工機(jī)械;⑥工程完成后應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢查驗(yàn)收,確保防滲墻體抗壓強(qiáng)度≥1.0MPa,滲透系數(shù)≤A×10-6cm/s。工程完成后,仍取前述最不利斷面進(jìn)行出滲最大流速vmax、單位寬度滲流量q計(jì)算,得出的數(shù)值分別為vmax=3.09×10-9m/s,q=4.27×10-10m3/(s·m),即3.7×10-5m3/(d·m),折算成道路單位面積滲積水厚度為0.037mm/d,遠(yuǎn)小于該地區(qū)日均蒸發(fā)量4.2mm/d,因此防滲效果十分明顯,可解決路面滲水、積水問題。5地下水出露和社會(huì)防滲(1)新建公路采用下穿方案時(shí),應(yīng)加強(qiáng)下穿段水文地質(zhì)勘探和相關(guān)資料收集,做好防滲方案和設(shè)計(jì)研究工作。(2)已建