水利工程论文
摘 要： 在我国，人工湖防渗材料主要采用粘土、钠基膨润土防水毯(Geo-synthetic Clay Liner, GCL)及土工膜。文章就东北极寒地区哈尔滨市松北区某人工湖的防渗项目工程，对三种材料在实际工程中的应用中进行了比较，结合地区性气候问题和施工周期，选择钠基膨润土防水毯为人工湖的主要防渗材料。可为同地区人工湖防渗材料选择提供参考。
关键词 : 钠基膨润土防水毯;粘士;土工膜材料;防渗结构;人工湖;
近年来，随着城市的发展升级，城市水环境愈发受到重视，城市水面积占比对于城市生态和谐的促进具有重要意义。POD 模式(Park Oriented Development)成为当前热门的城市开发模式，该模式以城市公园等生态基础设施为导向，通过依托水系、湖泊、湿地等生态景观开发新城或社区，提升区域生活品质和居住环境，带动新城发展。人工湖作为城市环境的重要组成部分，也愈发得到垂青。因水资源的珍贵与国家对于水资源节水要求的提高，对人工湖防渗的要求也越来越高，因此，研究防渗材料在不同地区、不同工况下的应用，对于未来设计及施工的指导具有重要的意义。
1 、常用防渗材料
人工湖各类防渗材料的防渗原理大体相同，均以不透水材料隔断人工湖漏水通道，以达到防渗的目的。人工湖较为常用防渗材料主要有黏土、膨润土防水毯、土工膜、混凝土铺盖等。本文仅对粘土、膨润土防水毯及土工膜在人工湖的应用进行比对。
1.1、 粘土
由于储量丰富、取材方便、工艺简单等特点，粘土在我国有着悠久的应用史。粘土作为常用防渗材料，具有良好的防渗性。然而，干燥、冻融、温度梯度和不均匀沉降等原因都有可能成为粘土防渗层产生裂隙的原因，从而使其失去防渗能力。尤其在东北地区，冬季气温可达到-30℃,随着土体中的水分冻结变成冰，土体发生膨胀，最终发生冻胀破坏，造成防渗层渗漏。
若工程当地具有合适的粘土资源，可就地取材，并在防渗抗冻要求并不高的情况下，采用压实粘土的防渗方法，综合费用较低。
1.2 、膨润土防水毯
膨润土防水毯按材料可分为钠基膨润土和钙基膨润土，本文所指GCL为钠基膨润土防水毯。膨润土防水毯是通过针刺、粘接或缝合工艺将土工布和膨润土复合在一起的一种复合防渗材料[5]。起防渗作用的是以蒙脱石为主要成份的膨润土。膨润土可吸附数倍于自己体积的水量，吸水膨胀至二十多倍于自己的体积。高钠膨润土在遇到水的情况下会形成密度比较高的粘稠状胶体横向防水层，这个防水层大约有3mm厚，它的防水性相当于是30cm厚度粘土防水性的100倍，抗渗的静水压能够达到1.0MPa以上，抗渗性能非常强，GLC的防渗性能还与单位面积含土量以及防水毯内的膨润土是否分布均匀密切相关。
相比于水泥土防渗、混凝土防渗、膜料防渗等防渗材料不能降解和老化等问题，膨润土防水毯具有防渗性能优异、柔韧性好、自愈能力强、施工便捷和综合造价性价比高等优点，作为一种新型环保防渗材料，在人工湖工程中的应用能兼顾防水防渗、密封隔离、水景生态和环保等要求[7]。GCL还具备良好的抗冻融循环的能力，但其抗干湿循环的能力较差。
1.3、 土工膜
土工膜防渗应用可追溯至20世纪30年代，聚氯乙烯薄膜进行游泳池防渗处理。随着近几十年建筑行业快速发展，土工膜防渗应用得到了爆发性增长。常见材质由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)等多种材质。
土工膜的防渗系数较高，化学稳定性较强。其具有良好的耐热性和耐旱性。相对密度0.918～0.965,随着密度上升，机械性能和阻隔性能会相应提高，耐热和抗拉强度也可能更高。其中，HDPE土工膜具有较高的稳定性，甚至在高温下，也具有良好的耐水性。特点有耐老化、施工速度快、渗透系数小等，并且其具有适应地基变形的能力，在环保、水利、市政、园林、水产养殖等领域广泛的进行应用。三种防渗材料的特点见表1。
2、 工程方案对比
2.1 、工程施工重难点
粘土施工简单、取材方便、工艺成熟，但工程量最大，土方挖方及回填量大，压实要求相对较高。粘土材料只有在当地具有合适资源时，建设费用会明显下降，仅有少数种类的粘土能够具有较低的渗透系数，且要求含砂比例小于25%,这种性能的粘土并非随处可得。粘土长距离的土方运输也会增加工程总成本。
GCL在施工过程中无需粘结或者加热，仅需采用膨润土粉末、垫圈及钉子等工具进行固定和连接。因其界面摩擦特性较好，在陡坡处进行处理也较方便，并可保证接缝处的密封性。GCL具备较强的适应性，因其自愈能力，对场地平整度要求较低，便于快速施工。GCL材料施工重难点在于如何防止膨润土水化失效及施工接驳。
土工膜有着极好的防渗效果，但其对场地平整度要求极高。土工膜材料施工重难点为防止材料老化和防水材料接驳。与GCL的接驳施工不同，GCL为由上向下接驳，而土工膜为由下向上接驳。接驳过程中，影响土工膜焊接质量的主要因素是“漏焊”、“焊缝灼伤”和“充气试验漏气”,工序较为复杂。
本工程为人工湖工程，工程施工接驳较多，同时边坡处施工难度大，工艺复杂。三种防渗材料中，粘土防渗的土方量最大，GCL与土工膜材料除挖方、填土、压实外，均需进行防护、锚固及接驳。同时，三种材料施工过程均受天气影响较大，其中GCL材料严禁带水作业，防止膨润土水化失效，GCL与土工膜材料施工时如遇雨应及时用塑料薄膜进行遮盖防护。
2.2 、各工程材料施工周期
粘土需反复压实，压实遍数较其他材料显着增加，工程周期长。其他两种防水材料的施工技术目前已相当成熟，施工均不需要大规模的施工机械及大量人力。相比于其他防水材料的施工周期，膨润土防水毯的施工工期是相对较短的。采用膨润土防水毯的防渗工程在施工完成后不需要进行特别的检查，如闭水试验等，如果在实际施工过程中出现一定的缺陷也很容易进行修补，节约了工程整体周期。
2.3 、综合比选结果
综合以上因素，并结合哈尔滨地区冬季寒冷时间较长的气候特点，考虑如果只采用粘土防渗手段，冻融因素会导致裂缝，产生渗水，故不考虑单独使用。对于膨润土防水毯，由于其抗冻融性较高，在东北地区极端天气的情况下仍可以进行正常的施工，且不会出现折断的情况，故在本工程中着重考虑。另外由于太阳岛风景区属于国家5A级景区，人工湖运行期将投放鱼类等水生动植物，由于土工膜渗透系数小导致水体交换能力交差，人工湖的自净能力下降；而膨润土防水毯中的天然钠基膨润土不仅不含有毒成分，还含有各种生物所需的微量元素，对各种生物、生态有益无害，特别是对无处不在的微生物更不会造成不利影响[10]。综合考量，本项目选择GCL材料作为人工湖的主要防渗材料，鉴于CGL使用年限较短，仅10～20年，考虑采用黄粘土作为辅助防渗材料，黄粘土还可防止水浪冲刷、雨水淋蚀、强光暴晒，对GCL起到保护的作用。结合现场实际，项目采用了项目场地临近一处工地的粘土，进行了工程防渗施工。
表1 三种防渗材料特点
3 、太阳岛人工湖防渗设计
3.1、 工程概况
太阳岛人工湖为哈尔滨一处景观人工湖。 面积34877m2,设计水深2.5m, 平均水深1.85m, 容积41852.4m3。工程地点距松花江1 km, 松花江水位对地下水位影响较大且水位较浅。工程设计水位119.0m, 松花江哈尔滨警戒水位118.1m, 人工湖靠已修筑取水井及泵站从松花江引水进行补水。
3.2 、基础处理
该工程建筑物属于水池类构筑物，采取素土垫层施工方案，在处理完问题坑之后，对槽底标高进行控制，将没有达到设计标高的槽底用素土回填夯实至设计标高处。素土垫层的厚度为0.5m, 素土现场质量需满足规范要求，粒径不得大于2cm, 素土垫层压实度不得小于0.90。垫层下地基进行碾压夯实处理。
3.3、 防渗层结构
草坡入水驳岸至高程117.5m, 湖底防渗结构自下而上依次为，50cm厚素土、100mm厚砂质土垫层、1mm厚天然钠基膨润土防水毯、100mm厚砂质土垫层、300mm厚黄黏土分层压实处理、300mm厚种植土，该结构根据景观设计需要位置敷设300mm厚种植土以种植水生植物。该防渗层结构具有环境友好性，人工湖运行后期将投放鱼类等水生动物，该结构有助于水质的保持及生物多样性的稳定，如图1所示。
对于台阶驳岸，湖底防渗结构自下而上依次为，50cm厚素土、100mm厚砂质土垫层、1mm厚天然钠基膨润土防水毯、500mm厚黄黏土分层压实处理。对于湖底较为平缓区域，根据景观设计要求，不需种植水生作物，故不敷设种植土。湖底采用3‰坡向，排水至湖底。
4 、工程运行效果
本防渗工程启动于2021年4月，竣工于同年5月。运行至今，由于2021年降雨量较为充沛，除蒸发及植物蒸腾量外，人工湖并未进行补水，水量保持较好。由于沿岸水生植物的种植，对周边面源污染物起到一定程度的滞留及过滤作用；加之曝气推流机及生态浮岛的后期植入，水体含氧量得以增加。经后期观察，工程设计方案满足水量、水质及景观的要求，鱼类在水中开始出现自然繁衍的情况，鸭禽类也逐渐在水域附近出现。人工湖的水质改善及水量的保持使得湖区生态多样性得到了良好的改善，总体运行情况较好。
5 、结语
工程实践证明，GCL加粘土的组合形式是有效改善人工湖湖水渗漏的防渗方式，可大幅度减少湖体补水量，减少泵站能耗。对于有鱼类投放及有生态景观营造的人工湖，可选用具有对水体交换有利、自愈能力强、抗冻融性较高等特点的GLC作为主防渗材料，但GLC的缺点在于其使用年限相对较短，实际工程中，可配合压实粘土作为防渗结构中的组成部分，使防渗结构层持续保持一定的使用年限，并起到保护GLC的作用。该GLC与压实粘土的组合防渗方式，可在寒冷地区的人工湖防渗工程中进行推广。
图1 草坡入水驳岸至117.5水深线的做法
参考文献
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