某引黃調(diào)蓄池池體防滲方案比選

□張　平　□王耀飛　□楊淇翔　□買巨喆(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司)

?

某引黃調(diào)蓄池池體防滲方案比選

□張平□王耀飛□楊淇翔□買巨喆
(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司)

摘要：某引黃調(diào)蓄工程調(diào)蓄池，池區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，池底以下地層上部有3層透水層，一層厚度較薄且不連續(xù)的弱透水層，較深的下部存在相對(duì)不透水層，因防滲為調(diào)蓄池成池的關(guān)鍵，針對(duì)具體情況，類比了5種防滲方案，最終推薦選用復(fù)合土工膜垂直防滲和GCL膨潤(rùn)土防水毯水平防滲的綜合防滲方案。

關(guān)鍵詞：調(diào)蓄池；防滲；復(fù)合土工膜；防水毯

1　前言

某引黃調(diào)蓄工程，水源及引水工程均利用現(xiàn)有引水灌溉渠道改造而成，根據(jù)灌區(qū)位置、引水水源及渠系布置和地形情況綜合分析，該引黃調(diào)蓄工程調(diào)蓄池選址處地勢(shì)低洼，現(xiàn)狀地面高程平均72.50 m，地下水位較高，土方開挖量少，是建設(shè)調(diào)蓄池的理想位置。調(diào)蓄池在正常水位69.80 m高程時(shí)水面面積為1.60 km2。

調(diào)蓄池池體防滲工程是成池工程的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一方面，防滲體要能有效地控制池體滲漏量，以便能夠蓄水成池；另一方面，防滲體滲透系數(shù)不能太小，以利于池內(nèi)水體與地下水相互交換，防止出現(xiàn)各種生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，因此要求防滲體的滲透系數(shù)應(yīng)具有可控性，防滲體應(yīng)為有限防滲。針對(duì)該調(diào)蓄池所在地的工程地質(zhì)條件及該工程的規(guī)模，進(jìn)行了防滲方案比選。

2　工程地質(zhì)條件

調(diào)蓄池勘察深度范圍內(nèi)地層巖性為第四系上更新統(tǒng)（alQ3）和全新統(tǒng)沖積物（alQ4），為黃河不同時(shí)期泛濫或決口形成，屬于粘砂多層結(jié)構(gòu)，據(jù)鉆孔揭露（場(chǎng)區(qū)鉆孔最大深度25.50 m），按土的物理力學(xué)性質(zhì)的差異可主要分為5個(gè)主層。①層砂壤土。滲透系數(shù)平均值5.70×10-4cm/s，具中等透水性。局部相變?yōu)檩p粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)為1.30×10-4cm/s，具中等透水性。②層粉砂。濕～飽和，松散～稍密，具中等透水性。③層輕粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)平均值2.80×10-4cm/s，具中等透水性。局部相變?yōu)樯叭劳?，滲透系數(shù)平均值3.80×10-4cm/s，具中等透水性。④層重粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)平均值1.60×10-5cm/s，具弱透水性。⑤層重粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)平均為5.60×10-6cm/s，具弱透水性。

3　防滲方案比選

3.1方案選擇

經(jīng)工程類比選擇以下5種防滲方案進(jìn)行比較。

3.1.1方案一：防滲墻垂直防滲

防滲墻沿調(diào)蓄池區(qū)池岸布設(shè)，將調(diào)蓄池池區(qū)包絡(luò)其中，池區(qū)防滲墻長(zhǎng)度為5900 m。根據(jù)地質(zhì)條件，防滲墻深入池底穩(wěn)定的相對(duì)不透水層1.00～2.00 m，防滲墻和池底相對(duì)不透水層共同組成一個(gè)防滲體。由于池底第④層重粉質(zhì)壤土層厚較薄，且不連續(xù)，防滲墻需進(jìn)入第⑤層重粉質(zhì)壤土層，根據(jù)地質(zhì)資料，第⑤層重粉質(zhì)壤土層頂板高程約為46 m左右，這樣，防滲墻的平均深度約為24 m左右。由于防滲墻深度較大，根據(jù)現(xiàn)有的成熟的防滲墻的施工方式，適合本工程的主要有置換成墻法和高噴成墻法。由于高噴成墻法投資較高，采用置換成墻法進(jìn)行比較。

3.1.2方案二：壤土鋪蓋防滲

調(diào)蓄池池底和邊坡均采用壤土鋪蓋防滲，壤土鋪蓋厚度為0.50 m。壤土鋪蓋防滲是水利工程中常用的一種水平防滲處理方法，屬于完全天然的池底防滲材料，有利于主池區(qū)水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)和水系生態(tài)環(huán)境的維護(hù)。壤土鋪蓋防滲層施工難度較低，壤土鋪蓋對(duì)地層的變形有良好的適應(yīng)性，防滲效果有保證。

3.1.3方案三：復(fù)合土工膜防滲

調(diào)蓄池全斷面復(fù)合土工膜防滲，土工膜上采用開挖料鋪蓋保護(hù)。復(fù)合土工膜是一種性能良好的新型柔性防滲材料，具有施工簡(jiǎn)單，防滲效果明顯和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，復(fù)合土工膜不利于池內(nèi)水體與地下水的交換，不利于水體自凈和水質(zhì)保護(hù)，也不利于水生動(dòng)植物的繁殖和生態(tài)環(huán)境的自然平衡。

3.1.4方案四：復(fù)合土工膜和土工合成粘土襯墊綜合防滲

土工合成粘土襯墊（簡(jiǎn)稱GCL膨潤(rùn)土防水毯）是一種新型的土工合成材料，它是以針織法將天然鈉質(zhì)膨潤(rùn)土和高強(qiáng)度土工布針織在一起，形成的一種毯狀針織物。它與土工膜同屬土工合成材料，除具有復(fù)合土工膜的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高柔韌性和強(qiáng)抗應(yīng)變能力，施工也比復(fù)合土工膜簡(jiǎn)單方便。由于其原材料主要為膨潤(rùn)土和土工織物，其中膨潤(rùn)土由凝灰?guī)r或基它火山巖在堿性介質(zhì)下蝕變而成，屬天然材料，該種材料在鄭東新區(qū)CBD中心湖湖底鋪設(shè)了2萬(wàn)m2。在相同滲流斷面下，調(diào)蓄池邊坡和靠近邊坡的池底滲漏量是比較大的，本方案對(duì)調(diào)蓄池邊坡和靠近調(diào)蓄池邊坡坡腳的10 m范圍內(nèi)池底采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，池底其他部位采用GCL膨潤(rùn)土防水毯防滲，其上采用0.50 m厚的開挖料鋪蓋保護(hù)。

3.1.5方案五：復(fù)合土工膜和壤土鋪蓋綜合防滲

采用復(fù)合土工膜和壤土鋪蓋綜合防滲，在相同滲流斷面下，調(diào)蓄池邊坡和靠近邊坡的池底滲漏量是比較大的，本方案對(duì)調(diào)蓄池邊坡和靠近調(diào)蓄池邊坡坡腳的10 m范圍內(nèi)池底采用復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，結(jié)合邊坡及坡腳防護(hù)，采用0.10 m厚的C10混凝土對(duì)土工膜進(jìn)行保護(hù)，調(diào)蓄池池底其他部位采用壤土鋪蓋進(jìn)行防滲，壤土鋪蓋厚度為0.50 m。本方案壤土用量也很大，約44萬(wàn)m3。

3.2方案比較

3.2.1優(yōu)缺點(diǎn)比較

方案一，優(yōu)點(diǎn)為：后期運(yùn)行管理過(guò)程中進(jìn)行湖底清淤時(shí)不會(huì)影響防滲工程；屬于有限防滲，有利于水體交換，保證水質(zhì)。缺點(diǎn)為：防滲墻施工工藝相對(duì)較高，施工質(zhì)量難以保證；投資較大。

方案二，優(yōu)點(diǎn)為：施工難度低，簡(jiǎn)單易行；屬于有限防滲，有利于水體交換，保證水質(zhì)。缺點(diǎn)為：在邊坡上集中滲漏比較大的部位，采用壤土碾壓，施工質(zhì)量不容易保證，滲漏量也較大；需要新征土料場(chǎng)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本工程可用土料場(chǎng)運(yùn)距較遠(yuǎn)，且覆蓋層較厚。

方案三，優(yōu)點(diǎn)為：施工方便，防滲效果明顯。缺點(diǎn)為：屬于過(guò)度防滲，不利于池內(nèi)水體和地下水交換，不利于水體自凈和水質(zhì)保護(hù)，也不利于水生動(dòng)植物的繁殖和生態(tài)環(huán)境的自然平衡。

方案四，優(yōu)點(diǎn)為：具有高柔韌性和強(qiáng)抗應(yīng)變能力，施工也比復(fù)合土工膜簡(jiǎn)單方便；屬于有限防滲，有利于水體交換，保證水質(zhì)。缺點(diǎn)為：GCL膨潤(rùn)土防水毯為新型材料，后期運(yùn)行維護(hù)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

方案五，優(yōu)點(diǎn)為：施工難度低，簡(jiǎn)單易行；屬于有限防滲，有利于水體交換，保證水質(zhì)；相比方案二，對(duì)于岸坡滲漏量較大的部位有明顯的防滲效果，有效減少滲漏量。缺點(diǎn)為：開挖可利用料有限，需要新征土料場(chǎng)，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本工程可用土料場(chǎng)運(yùn)距較遠(yuǎn)，且覆蓋層較厚。

3.2.2施工技術(shù)、工程風(fēng)險(xiǎn)、控制投資等方面對(duì)以上5個(gè)方案分析比較

3.2.2.1施工技術(shù)方面

方案二、方案三、方案四以及方案五，施工難度比較低，工藝簡(jiǎn)單易行。方案一主要采用防滲墻作為防滲體，屬人工防滲材料，其配合比要求嚴(yán)格，施工工藝要求較高。在工程施工方面，方案二、方案三、方案四和方案五優(yōu)于方案一。

3.2.2.2工程風(fēng)險(xiǎn)方面

方案一的防滲保證率較高，運(yùn)行期工程風(fēng)險(xiǎn)較小，但工藝復(fù)雜，又屬于地下工程，工程質(zhì)量保證率較低，工程施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較大。方案二、方案五壤土用量大，需新增取土場(chǎng)政策性因素使征地成本逐年大幅度提高，使投資風(fēng)險(xiǎn)增大；同時(shí)對(duì)于本工程，需長(zhǎng)距離、高強(qiáng)度運(yùn)輸土料，對(duì)環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)也很大。方案三由于防滲體滲透系數(shù)很小，不利于池內(nèi)水體與地下水的交換，不利于水體自凈和水質(zhì)保護(hù)，也不利于水生動(dòng)植物的繁殖和生態(tài)環(huán)境的自然平衡，水環(huán)境惡化的風(fēng)險(xiǎn)很大。方案四的防滲體為GCL膨潤(rùn)土防水毯，為新型材料，后期運(yùn)行維護(hù)存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此在工程風(fēng)險(xiǎn)方面，各方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2.2.3投資控制方面

在同等設(shè)計(jì)深度下，經(jīng)計(jì)算：方案一所需工程投資為4461萬(wàn)元，方案二工程投資為3807萬(wàn)元，方案三所需工程投資為2938萬(wàn)元，方案四所需工程投資為3971萬(wàn)元，方案五所需工程投資為3967萬(wàn)元。方案三投資最省，方案二、方案四和方案五投資比較接近，方案一的投資最高，方案三最優(yōu)，方案二、方案四和方案五次之，方案一最高。

3.3推薦方案

經(jīng)綜合分析和滲流計(jì)算，方案四可滿足工程防滲要求，施工質(zhì)量可以保證，投資相對(duì)較少，因此，推薦方案四。邊坡和靠近邊坡的池底采用復(fù)合土工膜23.20萬(wàn)m2，池底采用GCL膨潤(rùn)土防水毯防滲，其上采用0.50 m厚開挖料鋪蓋保護(hù)，防水毯用量為74.80萬(wàn)m2，復(fù)合土工膜在池底進(jìn)行反包，共同組成一個(gè)防滲體。

4　防滲工程設(shè)計(jì)

4.1垂直防滲

防滲直接決定調(diào)蓄池工程的成敗，因此對(duì)土工膜的適應(yīng)變形能力、延伸率等要求高；且池岸連接部位較多，為了確保防滲效果，保證施工質(zhì)量，垂直防滲推薦采用復(fù)合土工膜作為主防滲層。護(hù)岸設(shè)計(jì)要求既能防止水流、波浪對(duì)邊坡的淘刷，又能夠保護(hù)池邊岸坡的穩(wěn)定，同時(shí)要求工程造價(jià)較低。由于當(dāng)?shù)厝鄙倏捎檬?，石料運(yùn)距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致漿砌石價(jià)格很高，采用鎖鏈?zhǔn)缴鷳B(tài)護(hù)坡雖然價(jià)格相對(duì)較高，但會(huì)極大的美化調(diào)蓄池的生態(tài)環(huán)境，因此本工程采用鎖鏈?zhǔn)缴鷳B(tài)護(hù)坡+混凝土作為防滲體的保護(hù)層。

綜上所述，岸坡的垂直防滲采用復(fù)合土工膜防滲，同時(shí)復(fù)合土工膜上采用鎖鏈?zhǔn)缴鷳B(tài)護(hù)坡和C20混凝土相結(jié)合的方式進(jìn)行防護(hù)，厚10 cm。根據(jù)該池區(qū)的地層條件和實(shí)際運(yùn)行情況，防滲層下面常用的排水方式有兩種：逆止閥和排水盲溝。考慮調(diào)蓄池水位突降的工況，池周地下水位較高，池內(nèi)無(wú)水，襯砌板抗浮不滿足設(shè)計(jì)要求，需設(shè)置逆止式排水器，保證地下水排水池區(qū)，防止池區(qū)水外滲。

4.2水平防滲

調(diào)蓄池池底采用水平防滲，靠近岸坡的10 m范圍內(nèi)采用復(fù)合土工膜作為防滲層，土工膜上采用C20混凝土保護(hù)，厚0.10 m。池底的其他部位選用GCL膨潤(rùn)土防水毯作為防滲材料，其上采用0.50 m厚開挖料鋪蓋進(jìn)行保護(hù)。

5　防滲計(jì)算結(jié)果分析

5.1無(wú)防滲措施滲流計(jì)算

如果不采用任何防滲措施，考慮調(diào)蓄池水面高程為69.50 m，則工程運(yùn)行期調(diào)蓄池每天滲漏量約為2.43×104m3，每年調(diào)蓄池總滲漏量達(dá)887×104m3/a。由于池底滲漏水量大，同時(shí)滲漏還造成池周的地下水位抬高，調(diào)蓄池西南部地形較低處浸沒范圍較大，將給湖周的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。

5.2有防滲措施滲流計(jì)算

當(dāng)調(diào)蓄池只采用垂直防滲，即邊坡采用復(fù)合土工膜防滲，池底不防滲時(shí)，則調(diào)蓄池每天滲漏量為1.17×104m3，調(diào)蓄池每年的總滲漏量為426×104m3/a。當(dāng)對(duì)池底采用GCL膨潤(rùn)土防水毯防滲后，防水毯的滲透系數(shù)取1×10-8cm/s，計(jì)算的調(diào)蓄池每天的滲漏量為0.28×104m3，調(diào)蓄池每年的總滲漏量減少至102× 104m3/a。計(jì)算結(jié)果表明，鋪蓋方案滿足設(shè)計(jì)滲漏量要求，能有效控制地下水位和池底滲漏量。因此，從防滲效果分析，采用復(fù)合土工膜垂直防滲和GCL膨潤(rùn)土防水毯水平防滲的綜合防滲方案有效可行。

參考文獻(xiàn)

[1]李桂榮，平文敏，許文峰，等.強(qiáng)透水地基大型調(diào)蓄池開挖與防滲方案優(yōu)選[J].人民黃河，2013，35(1): 109－111．

[2]張大科.新型土工合成防水材料——膨潤(rùn)土防水毯[J].城市住宅，2009（8）：121-123.

[3]買巨喆.蘭考縣二壩寨引黃調(diào)蓄工程可行性研究報(bào)告[R].鄭州:河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，2015.

[4]雷松，謝長(zhǎng)福.天然鈉基膨潤(rùn)土防水毯在人工湖(龍子湖)工程中的應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2015（6）：1-4.

[5]白鳳亭，任興旺.人工湖工程復(fù)合土工膜防滲應(yīng)用技術(shù)[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2010（2）：65-66.

（責(zé)任編輯：劉長(zhǎng)垠韋詩(shī)佳）

收稿日期：2016-01-06

中圖分類號(hào)：TV52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853(2016)03-0078-03