人工湖防滲常用方法比較分析研究──以國家旅游休閑度假區(qū)生態(tài)谷人工湖為例

王波雷 劉瑩瑩

（中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西西安 710065）

1 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，水的環(huán)境功能越來越受到人們的重視，人工湖作為城市景區(qū)環(huán)境之一，越來越受到投資建設(shè)者們的青睞。由于水資源的寶貴和節(jié)水要求的不斷提高，對(duì)人工湖防滲的要求也越來越高。因此，做好人工湖防滲具有十分重要的意義。隨著新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，人工湖防滲技術(shù)也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，技術(shù)也日趨成熟。防滲方案的選用，關(guān)系到人工湖建設(shè)項(xiàng)目的投資、施工難度、施工進(jìn)度及施工質(zhì)量，同時(shí)在節(jié)約用水、工程長久運(yùn)行、發(fā)揮長久效益方面起著關(guān)鍵作用。

2 人工湖防滲材料簡介

各種防滲方法的主要機(jī)理相同，都是以不透水材料隔斷人工湖基礎(chǔ)漏水通道，達(dá)到防滲的目的。目前人工湖常用防滲材料有土工膜、膨潤土防水毯（GCL）、黏土防滲、混凝土鋪蓋等。各種防滲材料簡述如下。

2.1 土工膜

土工膜類型按照材料一般分為：聚乙烯（PE）土工膜、聚氯乙烯（PVC）土工膜、氯化聚乙烯（CPE）及各種復(fù)合土工膜等。按照其表面光滑程度一般可分為糙面和光面土工膜，光面土工膜一般用于坡度較緩的地面防滲鋪設(shè)，糙面土工膜一般用于坡度較陡或與其他建筑物銜接部分，以增強(qiáng)膜面摩擦力，保持防滲層穩(wěn)定。

HDPE土工膜也被稱為高密度聚乙烯膜，屬于聚乙烯（PE）土工膜中的一種，HDPE土工膜是由HDPE構(gòu)成的塑料卷材，是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有較高的穩(wěn)定性，甚至在高溫下，也具有良好的耐水性。具有耐老化、施工速度快、滲透系數(shù)小等特點(diǎn)，適應(yīng)地基變形的能力較強(qiáng)。因此，屬于土工膜中使用較為廣泛的材料，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、水利、市政、園林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。

2.2 膨潤土防水毯

膨潤土的礦物學(xué)名稱為蒙脫石，天然的膨潤土按其化學(xué)成分主要分為鈉基和鈣基兩大類。膨潤土具有遇水膨脹的特性，一般鈣基膨潤土膨脹時(shí)，其膨脹僅為自身體積的3倍左右，而鈉基膨潤土遇水時(shí)吸附自身重量5倍的水，體積膨脹到原來的15～17倍以上。將鈉基膨潤土鎖在兩層土工合成材料中間，起保護(hù)和加固的作用，使GCL具有一定的整體抗剪強(qiáng)度。

膨潤土防水毯多是由高膨脹性的膨潤土填充在特制的經(jīng)編土工布和無紡?fù)凉げ贾g，用針刺法制成的膨潤土防水毯可形成許多小的纖維空間，使膨潤土顆粒不能向一個(gè)方向流動(dòng)，遇水膨脹后在墊內(nèi)形成均勻高密度膠狀防水層。膨脹的膨潤土所形成的高密度膠體具有排斥水的性能，所以能有效的防止水的滲漏，防滲漏效果好，抗破壞性強(qiáng)，具有永久防水性、密實(shí)性、施工簡便、不受氣溫影響及良好的環(huán)保性能。目前防水毯多為鈉基膨潤土防水毯。

鈉基膨潤土防水毯的特點(diǎn)：

（1）密實(shí)性。鈉基膨潤土在水壓狀態(tài)下形成高密度橫隔膜，厚度約 3mm時(shí)，它的透水性為α×10-11m/s以下，相當(dāng)于100倍的30cm厚度黏土的密實(shí)度，具有很強(qiáng)的自保水性能。

（2）具有永久的防水性能。因?yàn)殁c基膨潤土系天然無機(jī)材料，即使經(jīng)過很長時(shí)間或周圍環(huán)境發(fā)生變化，也不會(huì)發(fā)生老化或腐蝕現(xiàn)象，因此防水性能持久。

（3）施工簡便，工期短。和其他防水材料比較，施工相對(duì)比較簡單，不需要加熱和粘貼。只需用膨潤土粉末和釘子、墊圈等進(jìn)行連接和固定。GCL 的連接，尤其是GCL與管道或建筑物周邊連接時(shí)，比土工膜簡便，并且接縫處的密封性也容易得到保證。

（4）防水材料和對(duì)象的一體化。鈉基膨潤土和水反應(yīng)時(shí)，膨脹能力較大，即使混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生震動(dòng)和沉降，防水毯內(nèi)的膨潤土也能修補(bǔ)混凝土表面內(nèi)較小的裂紋。

2.3 黏土

在防滲要求不是非常高的情況下，黏土防滲是工程上使用最為普遍的方法。一般采用滲透系數(shù)小的黏性土鋪設(shè)在湖底，厚度多為50～100cm，以防止水體下滲。

黏土防滲的特點(diǎn)是，在當(dāng)?shù)鼐哂泻线m資源時(shí)，易于施工，建設(shè)費(fèi)用較低，可以保持一定的滲透水量，從而有利于維持水質(zhì)和原有的生態(tài)環(huán)境。此外，由于黏土具有一定的過濾能力和離子交換容量，在一定條件下對(duì)污染物具有截污和凈化能力。黏土防滲的主要缺點(diǎn)是滲透系數(shù)較高。雖然使用某些種類的黏土能夠得到更低的滲透系數(shù)，但這種性能的黏土并非隨處可得，而長距離的運(yùn)輸會(huì)大大增加成本。

黏土層可以大幅度降低滲漏，而不是完全停止?jié)B漏，能保證適當(dāng)滲漏率，所以不影響湖水與地下水的雙向調(diào)節(jié)，不使湖水變成死水。同時(shí)黏土對(duì)水質(zhì)凈化也有重要作用，特別是黏土可以不斷吸附水體中的無機(jī)磷化物，從而避免湖泊的富氧化過程，避免有毒性的藻類生長。

2.4 混凝土鋪蓋

混凝土鋪蓋具有防滲效果好、耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)，施工技術(shù)也比較成熟。采用 10～30cm厚混凝土層鋪設(shè)在湖底進(jìn)行防滲，防滲效果較好。同時(shí)由于混凝土的抗沖流速在8～10m/s之間，因此湖底允許最大流速較大，同時(shí)施工場地較小，可減少工程占地，節(jié)省工期。

以上 4種防滲方式是目前應(yīng)用較多的防滲方法，此外還有砌石、水泥土、瀝青材料等防滲方式。

3 各種防滲材料比較分析

各種防滲材料中，土工膜防滲是現(xiàn)在人工湖防滲中應(yīng)用最為普遍的方法之一，也是現(xiàn)在較為成熟的防滲方式之一。土工膜的防滲效果最好，施工進(jìn)度較快，運(yùn)行管理也最為方便，但由于土工膜的透氣性較差，可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定影響。膨潤土防水毯是近幾年新興的一種防滲方式，滲透系數(shù)僅次于土工膜，施工較為方便，但造價(jià)較高。由于地基的不均勻沉降，防水毯在搭接縫處容易出現(xiàn)錯(cuò)位，后期運(yùn)行管理不便。

在料場較近時(shí)，黏土防滲造價(jià)最低，環(huán)境友好性最好?；炷龄伾w使用壽命最長，但是相應(yīng)造價(jià)最高，施工也較為復(fù)雜。各種防滲材料優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

4 濕陷性黃土區(qū)人工湖防滲實(shí)例

4.1 工程背景

西安曲江臨潼國家旅游休閑度假區(qū)位于臨潼縣西南，規(guī)劃面積27.33km2，度假區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)鳳凰池、生態(tài)谷等景觀設(shè)施。生態(tài)谷人工湖位于度假區(qū)內(nèi)王坡水庫下游，為度假區(qū)核心景觀帶之一，生態(tài)谷人工湖水面面積1.28萬m2，湖底設(shè)計(jì)高程 439.10m，湖面設(shè)計(jì)高程 440.60m，正常設(shè)計(jì)水深1.5m，庫容為2.05m3。

4.2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘成果報(bào)告，場地內(nèi)分布的地層自上而下主要由第四紀(jì)全新世人工填土、沖、洪積黃土狀土、中更新世風(fēng)積黃土及殘積古土壤構(gòu)成。地下水水位埋深為9.60～10.50m，對(duì)工程不構(gòu)成影響。

表1 各種防滲材料優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)生態(tài)谷湖底標(biāo)高按439.10m考慮時(shí)，經(jīng)土工試驗(yàn)，計(jì)算地基黃土濕陷量為25.5～32.2mm，地基濕陷等級(jí)為Ⅰ（輕微），工程地基不均勻。

4.3 方案比選

根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境現(xiàn)狀，建議選擇比較常用的、經(jīng)過實(shí)踐證明效果良好的方案進(jìn)行對(duì)比分析，初步擬選擇HDPE防滲膜、膨潤土防水毯（GCL）、黏土防滲、混凝土鋪蓋進(jìn)行方案比選。經(jīng)比選，除混凝土方案外，其他3種防滲方案投資相差不大。3種方案中，防滲膜防滲效果相對(duì)較好，施工簡便，技術(shù)相對(duì)較成熟?；炷练桨竿顿Y最高，黏土方案投資最低，混凝土防滲方案為黏土防滲方案投資的2倍。

HDPE防滲膜和膨潤土防水毯均屬于高分子防滲材料，后者對(duì)環(huán)境更友好，但因?yàn)樵搮^(qū)域水源相對(duì)緊張，對(duì)防滲材料要求很高。膨潤土防水毯施工質(zhì)量相對(duì)于HDPE來說更難控制，而且如果基礎(chǔ)存在較大不均勻沉降的話，防水毯防滲效果降低很多。因此，HDPE防滲膜和膨潤土防水毯對(duì)比的話，選擇HDPE防滲膜更適合本工程。

對(duì)于混凝土鋪蓋和黏土防滲施工，黏土防滲施工制約因素少，工藝簡單，工期較短?；炷猎靸r(jià)較高，根據(jù)防滲要求選擇厚度為 15cm，混凝土 7天后才能達(dá)到初凝時(shí)間，且抗剪能力較差，后期鋪設(shè)0.5cm厚的回填土?xí)r不宜采用大型機(jī)械施工。而防滲黏土層不存在這個(gè)問題，黏土層對(duì)環(huán)境友好性更好。相對(duì)于混凝土鋪蓋防滲方案，黏土層防滲更有優(yōu)勢。

黏土用于防滲在中國已有上千年的歷史，在一般工程中使用也較為普遍。在當(dāng)?shù)赜泻线m資源時(shí)，易于施工，建設(shè)費(fèi)用低，可以保持一定的滲透水量，有利于維持水質(zhì)和原有的生態(tài)環(huán)境。但關(guān)鍵在于黏土料場的距離，是制約該方案的關(guān)鍵因素。

本工程人工湖水源多年流量較小，不能滿足湖體日常需水量，需要從外部調(diào)水。因此，對(duì)湖體防滲要求較高。同時(shí)工程區(qū)臨近臨潼縣城，黏土土源較遠(yuǎn)，同時(shí)大體積的土方開挖必然對(duì)附近環(huán)境造成影響，工程區(qū)附近無合適土料場。因此從料場、防滲效果方面綜合考慮，采用PE土工膜防滲方式。

5 防滲設(shè)計(jì)

5.1 基礎(chǔ)處理

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程擬建場地屬非自重濕陷性黃土場地，地基濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)（輕微），工程建筑物屬于水池類構(gòu)筑物，采取整片 3︰7灰土墊層處理法，灰土墊層厚度為 0.5m，灰土墊層壓實(shí)系數(shù)不得小于0.97。墊層下地基進(jìn)行碾壓夯實(shí)處理。

5.2 防滲層結(jié)構(gòu)

湖底防滲結(jié)構(gòu)自下而上依次為，3︰7灰土、HDPE（高密度聚乙烯）土工膜、LLDPE土工布、10cm厚C15混凝土層。

對(duì)于湖底較為平緩區(qū)域，根據(jù)景觀設(shè)計(jì)要求，不需種植水生作物。因此，混凝土層之上不鋪填土層。湖底采用3‰坡向，排水至湖底排空集水坑。

根據(jù)景觀設(shè)計(jì)要求，邊坡鋪設(shè) 0.5m厚回填土，毛砌石塊擋墻與邊坡之間鋪設(shè) 0.8m厚回填土，以種植水生植物。

5.3 HDPE土工膜及LLDPE土工布

根據(jù) GB/T17642—2008《土工合成材料 非織造復(fù)合土工膜》及GB/T17643—1998《土工合成材料 聚乙烯土工膜》，HDPE土工膜要求物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。

為加快工程施工進(jìn)度，減少搭接縫，降低滲漏，建議采用0.75mm厚，寬幅土工膜。土工膜寬度為6～8m。LLDPE土工布選用300g/m2類型產(chǎn)品。

表2 HDPE土工膜物理力學(xué)性能表

5.4 混凝土塊及分縫

混凝土采用C15普通混凝土，厚度為10cm。混凝土塊分縫類型有：縱、橫向縮縫、施工縫和脹縫4種，填縫材料采用聚氯乙烯膠泥。縱橫向縮縫布置于湖底及邊坡處，間距分別為10m。脹縫布置于湖底、邊坡及湖底相交處，毛砌石塊擋墻臨近湖心不覆回填土側(cè)，間距50m。

（1）脹縫。脹縫采用從混凝土板自上而下貫通式永久縫，槽口寬度為20mm，縫內(nèi)填充聚氯乙烯膠泥。施工縫結(jié)合施工具體進(jìn)度進(jìn)行設(shè)置，盡量與結(jié)合脹縫合并設(shè)置，做法與脹縫相同。

（2）縮縫。縱、橫向縮縫采用假縫，槽口深度為 40mm，槽口寬度 5～8mm，槽內(nèi)填充聚氯乙烯膠泥。

6 工程運(yùn)行效果

西安臨潼國家旅游休閑度假區(qū)生態(tài)谷人工湖防滲工程于2012年5月開工，同年7月竣工?，F(xiàn)已正常運(yùn)行半年，防滲效果較好，加之 2012年西安雨水較多，湖體未進(jìn)行人工補(bǔ)水，水質(zhì)較好。經(jīng)過一個(gè)雨季的浸潤，人工湖周邊的土壤恢復(fù)到密實(shí)狀況，各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)仍然在設(shè)計(jì)要求范圍以內(nèi)，工程設(shè)計(jì)方案滿足周圍景觀要求，總體運(yùn)行狀況良好。作為臨潼旅游休閑度假區(qū)三大景觀湖之一，為整個(gè)度假區(qū)的觀光旅游、商業(yè)開發(fā)起到促進(jìn)作用，有力的促進(jìn)度假區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。

西安臨潼國家旅游休閑度假區(qū)生態(tài)谷人工湖防滲方案表明：在西北濕陷性黃土地區(qū)，在做好湖體濕陷性處理后，采用土工膜防滲方式可有效減少湖體滲漏量，降低湖體補(bǔ)水量。其施工簡單，施工工期、造價(jià)相對(duì)較低，運(yùn)行管理方便，在類似人工湖防滲工程中可以推廣。

1 楊丙峰. 防滲膜在人工湖防滲處理中的應(yīng)用[J]. 給水排水,2005,(2)：83-84.

2 GB50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

3 GB/T17642—2008土工合成材料 非織造復(fù)合土工膜[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

4 GB/T17643—1998土工合成材料 聚乙烯土工膜[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.