某一级公路下穿道路防渗方案研究

某一级公路下穿道路防渗方案研究

1下穿道渗流分析一级道路通过高速公路的开放孔通过高速公路，支线宽度为26m，路面结构为40cm二氧化土、25cmc-20cmo15cm（4%水泥和8%石灰）和25cma-20cmolc-20cm。两侧排水段为0.5m0.6m绿色混凝土板岩，下层道路最高点为道路距离道路桥板梁下缘高度为5m，两侧原始高度为2m。该工程于2006年11月建成通车,2007年1月发现下穿道道路中分带有近50m长度范围出现渗水现象,且流速明显(图1)。上述情况表明道路路基含有丰富的地下承压水,为防止路面渗水结冰影响行车安全,进而又在道路两侧,以下穿道最低处为中心,30m间距,每边各开凿3个1m×1m×1.5m渗水井,利用原有碎石垫层排水。当最初两个渗水井凿开后,路基中的承压水随即喷涌而出,经过10h以后才变为稳定细流(图1),这更加证明了地下承压水相当丰富。2地面渗流场特征分析观察下穿道两侧地表情况,发现下穿道西南侧、东北侧临近道路均有1个面积近百亩的养殖鱼塘,水深约3～5m,西北侧临近道路有一条平行于道路的排水明渠,水深约1.5～2m,说明道路两侧水源丰富,很容易给道路进行水源补给。委托某水文地质勘察单位进行现场工程地质勘探,发现地表以下第一、二层主要成分为亚砂土,厚度2.1～6.3m,平均厚度4.2m,水平、竖直方向渗透系数分别为187.2×10-7cm/s、258.4×10-7cm/s,富水性及透水性较好,为弱透水层,同时该土层侧向径流条件较好,与地表水体有密切的水力联系,很容易向低于地表含水层标高的部位渗出、排泄水体。三、四层土质分别为夹淤泥粘土、粘土,厚度6.0～11.2m,平均厚度8.9m,垂直渗透系数为0.53×10-7～2.33×10-7cm/s,两层特别是第四层是一个很好的隔水层。由此可见,下穿道路面中分带渗水主要是由于一、二层土体将高于路面的鱼塘、明渠水引入道路形成承压水造成的,由于三、四层的隔水作用,路面渗水与四层以下的透水层无关。选取桥下典型断面进行渗流场内流速、等势线计算,对现状渗流情况进行复核。按照有限元数值解法,由于稳定渗流符合达西定律,对非均匀各向异性二维渗流场,水头势函数满足:∂∂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)为待求水头势函数,其必须满足两个边界条件:即上游边界上水头已知,有φ=φn(上游边界某断面测点水头函数计算值)成立;在逸出边界水头和位置高程相等,有φ=z成立。kx、ky为x、y方向的渗流系数。在某边界上渗流量计算公式见式(2),其中lx、ly为边界表面向外法线在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)假定单元渗流场的水头函数为多项式,由微分方程和边界条件确定其问题的变分形式,导出线性方程组如式(3),其中[H]、{φ}、{F}分别为渗流矩阵、渗流场水头、节点渗流量,并采用节点流量法通过多次迭代计算确定浸润线位置和出逸高度:[H]{φ}={F}(3)利用式(4)、(5)分别求出各点的水力坡降和流速,并确定单位宽度渗流量:jx=−∂φ∂x,jy=−∂φ∂y(4)vx=kxjx,vy=kyjy(5)jx=-∂φ∂x,jy=-∂φ∂y(4)vx=kxjx,vy=kyjy(5)经过计算,得出路面上出渗最大流速vmax=1.31×10-7m/s,单位宽度渗流量q=5.77×10-8m3/(s·m),即4.99×10-3m3/(d·m),折算成单位面积道路上的每天渗流积水厚度为4.99mm/d,大于该地区平均蒸发量4.2mm/d,因此造成道路中分带出现渗流现象。3地下防渗结构解决下穿道路面渗水问题要采用疏和堵相结合的办法,疏主要采用两侧开凿渗水井的办法,堵主要采用在下穿道道路两侧和下穿道之外路面形成合围的地下防渗结构,其竖直范围为顶部与地表(路面)平齐,底部应置于第四层土层顶部,高度宜控制在9.7～10.8m。结合工程实际,选取几种近几年发展起来的防渗技术,从技术、经济、施工等方面进行防渗方案比较。(1)垂直防渗基础该方案主要工艺采用链式开槽机械连续开槽,在槽内插(铺)聚乙烯塑料膜,再用土将沟槽回填密实,形成垂直防渗帷幕,其优点是最大开槽深度可达13m,工艺简单,防渗效果好,渗透系数小于A×10-11cm/s,且目前工程造价低,约65元/m2。但在本项目施工过程中会遇到高速公路桥下、部分高压线地段净空高度不能满足放置施工机械等问题,造成帷幕难以形成闭合,防渗效果下降,同时横向过路插膜还会导致路面破坏。(2)土体防渗幕墙搭接多头小直径(≥3头)深层搅拌桩截渗技术采用特制的同步掘搅机械施工,边搅拌边灌注水泥浆液,形成单元水泥土体,重复交叉搭接施工,形成连续防渗帷幕以达到截渗目的。其优点是桩深可达10～13m,容易克服地下障碍,防渗效果好,渗透系数可达A×10-6cm/s,工程造价低,约90元/m2。但在本项目施工中纵横向都会对现有路面产生很大破坏,后期维修费用相当高,同时施工机械对施工场地净空高度有一定要求,现场难以满足。(3)水层0.5mm控制施工射水法地下混凝土连续墙防渗技术主要是按照设计轴线开槽浇注混凝土地下连续墙,墙底以深入相对不透水层0.5m控制。其优点是施工工艺相对简单,对施工场地净空高度要求较小,最大造槽成墙深度可达17m,墙厚0.22m,防渗性能好,渗透系数可达A×10-8cm/s。但该方案施工功效较低,材料消耗大,造价高,约330元/m2,且也容易在纵横向施工时导致对路面的破坏。(4)丰富墙质量分析高压摆喷防渗板墙防渗技术主要是按照设计轴线布置防渗板墙导引孔,将高压摆喷喷具下至设计深度,通过高压泵形成浆液高速射流及压缩气体共同作用切割,破坏土体,形成槽孔,通过控制喷嘴摆角,经切割、升扬置换等作用,利用水泥浆液填充槽孔,形成以水泥浆为主体的固结体防渗墙,墙体深入不透水层0.5m以上,有效厚度达0.2m以上。其优点是施工深度大,可达40m,防渗性能好,渗透系数可达A×10-6cm/s,对道路破坏小,横向过路仅出现直径为15～20cm的小孔,同时对施工场地净空高度要求小,操作方便。缺点是功效相对较低,材料消耗大,造价较高,达328元/m2。4种防渗方案比较,都能解决公路下穿道地基渗流问题,但考虑到施工现场高压线路较多,高度小于6m,高速公路桥下净空高度仅有5m,现有道路已经成型,道路两侧与护坡、挡墙之间可利用场地较小的实际情况,经过技术、经济、施工可行性比较,决定采用高压摆喷板墙方案,其设置位置以高速公路跨线桥为中心,在道路两侧向两边延伸至路面顶高程大于两侧鱼塘最高水位位置为止,长度330m,加上横向过路部分,设置高压摆喷板墙总长度为720m,深度为9.7～10.8m(图2)。4双管法施工的施工过程高压摆喷施工方法是高压喷射施工的方法之一,相比较于高压悬喷和高压定喷两种方法,高压摆喷有用料适中,墙体厚度适中,“一”字墙体连续等优点,因此较多运用于地下防渗工程。按照喷射介质(水、气、浆液)及其管路的多少,高压喷射可分为单管法、两管法、三管法等施工方法,考虑本项目紧邻高速公路和鱼塘等设施,为了减少高压喷射对路基、堤坝带来的破坏影响,决定采用喷射压力最小(20MPa左右)的两管法施工(图3)。施工工艺为:①先采用ϕ150钻机按照孔距1.2m间距进行钻孔,至设计深度以下0.4m;②然后移开钻机,高喷台车就位,下入喷灌至设计深度;③进行高压喷射作业,先钻一序孔,注浆压力为28MPa,再钻二序孔,注浆压力为30MPa。灌浆应全孔连续作业,并保证水泥用量不小于300kg/m2,每次拆卸喷管时应进行复喷,长度不小于0.2m;④灌浆完成后,由于浆液析水导致固结体收缩下沉,应在一定时间以后根据回落情况进行浆液回灌,直至不下沉为止,然后用水泥混凝土封堵钻孔;⑤工程施工中及完成后,应对弃浆进行清运,并整理施工现场,撤出施工机械;⑥工程完成后应按照相关规定进行检查验收,确保防渗墙体抗压强度≥1.0MPa,渗透系数≤A×10-6cm/s。工程完成后,仍取前述最不利断面进行出渗最大流速vmax、单位宽度渗流量q计算,得出的数值分别为vmax=3.09×10-9m/s,q=4.27×10-10m3/(s·m),即3.7×10-5m3/(d·m),折算成道路单位面积渗积水厚度为0.037mm/d,远小于该地区日均蒸发量4.2mm/d,因此防渗效果十分明显,可解决路面渗水、积水问题。5地下水出露和社会防渗(1)新建公路采用下穿方案时,应加强下穿段水文地质勘探和相关资料收集,做好防渗方案和设计研究工作。(2)已建