灃河河道柔性防護(hù)防滲技術(shù)研究

潘文學(xué)，薛晨亮，楊 艷，孫淑俠

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018）

西咸新區(qū)灃河入渭口段綜合治理工程位于西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)內(nèi)，綜合治理工程按照寬河低堤、大槽闊灘、廣水景致的治理思路打造城市生態(tài)河，灃河的治理不僅僅是解決防洪問題，更重要的是營(yíng)造一條人水和諧、生態(tài)良好、景觀豐富的城中河。水面工程在不影響防洪工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合景觀布局采用兩側(cè)漫灘為濱河生態(tài)園加中部主河槽蓄水的總體布局方案，修建灃河入渭口液壓鋼壩，壩高3.8 m，壩長(zhǎng)96 m，回水長(zhǎng)度2.3 km，蓄水區(qū)水面寬80 m～150 m，形成水面面積61.8萬m2，蓄水量為185萬m3。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)工程的河底防滲防護(hù)處理方案進(jìn)行探析。

1 概述

根據(jù)調(diào)查和現(xiàn)有的地質(zhì)資料，現(xiàn)狀河道水位與兩岸地下水的關(guān)系為，河道水位高于兩岸的地下水位，這就使得河道水需要對(duì)兩岸的地下水補(bǔ)給，當(dāng)液壓壩修建蓄水后，河道水位同樣高于兩岸的地下水位，這種情況對(duì)河道擬建的液壓壩蓄水產(chǎn)生了極為不利的影響。

根據(jù)本次勘察結(jié)果，蓄水區(qū)主要以弱透水的粉質(zhì)粘土，強(qiáng)透水性砂層構(gòu)成。根據(jù)蓄水區(qū)鉆孔揭示，漫灘表層的粉質(zhì)粘土層層位較高，分布不連續(xù)；下部的粉質(zhì)粘土層具有弱透水性，沿河流方向基本連續(xù)，但橫向連續(xù)性較差，故該兩層粘性土均不能作為蓄水區(qū)相對(duì)隔水層。蓄水區(qū)地層大部分地段以砂層為主，具強(qiáng)透水性，故分析認(rèn)為天然蓄水區(qū)底部無相對(duì)隔水層。蓄水區(qū)地層滲透特性見表1。

表1 蓄水區(qū)地層滲透特性表

工程蓄水區(qū)分布在河漫灘，底部隔水層分布不連續(xù)，且兩岸現(xiàn)狀地下水位低于蓄水位，故蓄水區(qū)滲漏為沿蓄水區(qū)向兩岸全斷面?zhèn)认驖B漏。產(chǎn)生滲漏的通道主要為蓄水區(qū)底部的強(qiáng)透水性砂層。

根據(jù)勘察成果，蓄水區(qū)兩岸漫灘分布有⑤層粉質(zhì)粘土，其薄厚不一，垂直河床方向不連續(xù)，形成了蓄水區(qū)與底部砂層的滲流通道，故蓄水區(qū)按全斷面滲漏考慮?；谝陨戏治?，采用《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》推薦公式計(jì)算：

分段計(jì)算湖區(qū)湖底15 m深度內(nèi)滲漏量如表2。

表2 蓄水區(qū)滲漏量計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可見，蓄水區(qū)滲漏量較大，在不防滲條件下日側(cè)向滲漏量總和為21810 m3/d。蓄水區(qū)的平均滲透系數(shù)比較大，平均約為12.6 m/d，即1.5×10-4m/s，水面工程范圍內(nèi)河道年滲漏損失約為796萬m3，對(duì)于液壓壩蓄水產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，是液壓壩蓄水最主要的影響因素；在液壓壩蓄水運(yùn)行后，會(huì)使河道地下水位抬升，可能會(huì)對(duì)兩岸建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浸沒。以上計(jì)算為現(xiàn)狀邊界條件下的靜態(tài)滲流計(jì)算，后期工程運(yùn)行后，隨著滲流場(chǎng)逐步變化，兩岸地下水位將有所抬升，滲漏量會(huì)呈逐漸減小趨勢(shì)，但蓄水區(qū)滲漏量仍偏大，建議采取防滲措施。

針對(duì)實(shí)際情況，為了解決蓄水區(qū)嚴(yán)重的滲漏問題，需對(duì)蓄水區(qū)采取一定的防滲處理措施以滿足液壓壩的蓄水要求。因此需要對(duì)蓄水區(qū)底部、壩基、兩岸護(hù)坡進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。

2 背景技術(shù)

近年來結(jié)合新時(shí)代柔性治水新思路，各地河道綜合治理工程方興未艾，按照尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的理念，河道治理更加注重生態(tài)性。傳統(tǒng)的河道防滲往往是首先在滿足河道防洪、排澇、蓄水等功能的前提下，著重于河道的漿砌塊石或混凝土、復(fù)合土工膜等材料進(jìn)行防滲防護(hù)設(shè)計(jì)，很少去考慮河道與周邊歷史環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及人文環(huán)境的統(tǒng)一，以至于城市河道渠化嚴(yán)重，造成地下水無法交換，許多動(dòng)植物無處安身?xiàng)?，水生?dòng)物沒有地方修筑巢穴，兩棲動(dòng)物無法上岸覓食、產(chǎn)卵繁衍，給他們的生存繁衍造成很大困難，不少地方只考慮河道的防洪作用，片面強(qiáng)調(diào)河岸硬化，割裂了土壤與水體的關(guān)系，使水系與土地及其生物環(huán)境相分離，破環(huán)了自然河流的生物鏈，破壞了生態(tài)環(huán)境，使得治理后的河道與周圍的環(huán)境不相協(xié)調(diào)，而且河道的環(huán)境條件模式化，并使生物種類單一化或使水生動(dòng)物頻臨滅絕，由此帶來的環(huán)境問題也相當(dāng)嚴(yán)重。

3 防滲防護(hù)方案

格賓、水泥土加膨潤(rùn)土防水毯的新型柔性防滲、防護(hù)技術(shù)是一種新型水利防滲防護(hù)專利技術(shù)方案，解決了現(xiàn)有防滲防護(hù)技術(shù)中存在的隔絕土壤與水體、破壞自然河流生物鏈和生態(tài)環(huán)境等問題。

3.1 防滲方案比較

國(guó)內(nèi)外蓄水區(qū)底部防滲處理大多采用水平防滲，一般采用以下幾種防滲方案。

3.1.1 水平全斷面土工膜防滲

在蓄水區(qū)范圍全部鋪上一層土工膜，在土工膜的上部鋪設(shè)一層1 m厚的細(xì)沙防護(hù)層，在土工膜的底部鋪設(shè)一層15 cm的細(xì)粒土墊層以保證土工膜的強(qiáng)度和抗老化能力。

3.1.2 全斷面砂壤土防滲

砂壤土的平均滲透系數(shù)約為k=0.97×10-5cm/s，換算為0.0083 m/d考慮施工工藝的不均勻性，對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全斷面鋪設(shè)1m厚的砂壤土，在理想狀態(tài)下，河道的滲漏損失明顯降低。

3.1.3 庫底鋪設(shè)膜袋砼防滲

在蓄水區(qū)范圍全部鋪膜袋砼，在土工膜的底部鋪設(shè)一層15 cm的細(xì)粒土墊層以保證土工膜的強(qiáng)度和抗老化能力。

3.1.4 垂直防滲措施

采用混凝土防滲墻將全部透水層截?cái)啵潜容^有效的防滲措施，在液壓壩附近的河床橫斷面處布置混凝土防滲墻，橫貫整個(gè)河床并延伸到兩岸。

3.1.5 庫底鋪設(shè)水泥土方案

對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全斷面鋪設(shè)0.5 m厚的8%水泥土，土料可利用河道開挖土，水泥土的滲透系數(shù)至少小于河床材料的100倍，按照粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)取值約為k=9.7×10-5cm/s，換算為0.084 m/d，在理想狀態(tài)下，與方案二相同，蓄水區(qū)滲漏損失明顯降低。

3.1.6 水泥土、防水毯加格賓方案

河底防滲初步采用膨潤(rùn)土防水毯加0.3 m格賓間隔的方式（30 m寬防水毯（上鋪筑0.3 m厚水泥土）+2 m寬格賓）防滲。

膨潤(rùn)土防水毯（GCL）是一種專門用于人工湖泊水景、地下水庫、水池等防滲的土工合成材料。膨潤(rùn)土的礦物學(xué)名稱為蒙脫石，膨潤(rùn)土具有遇水膨脹的特性。膨潤(rùn)土防水毯具有永久防水性、密實(shí)性、施工簡(jiǎn)便，不受氣溫影響及良好的環(huán)保性能。

最后從投資、防滲效果及對(duì)河道地下水位影響三方面綜合比較，在本工程中，結(jié)合地質(zhì)條件，無連續(xù)相對(duì)不透水層，不宜設(shè)置垂直防滲；全斷面土工膜防滲，有可能影響河道周邊地下水互補(bǔ)關(guān)系，對(duì)周邊環(huán)境有較大影響；全斷面砂壤土防滲，該段工程中可能并無壤土層分布，會(huì)造成壤土運(yùn)距較大，投資較高，但該方案對(duì)周圍環(huán)境基本不會(huì)產(chǎn)生影響；庫底鋪設(shè)水泥土+膨潤(rùn)土防水毯方案，可充分利用現(xiàn)狀開挖土料，降低投資。綜合比較，本次推薦采用庫底鋪設(shè)8%水泥土+膨潤(rùn)土防水毯防滲方案。具體方案比較見表3。

表3 蓄水區(qū)底部防滲處理方案比較

3.2 新型技術(shù)方案

為減小蓄水區(qū)的滲漏，滿足水面工程蓄水量的要求，結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)蓄水區(qū)底部進(jìn)行防滲處理。本次經(jīng)投資、防滲效果和河道對(duì)兩岸地下水的影響綜合比較，發(fā)明了蓄水區(qū)底部鋪設(shè)8%水泥土+膨潤(rùn)土防水毯方案，在蓄水區(qū)庫底范圍全部鋪上30 cm厚的水泥土，下鋪膨潤(rùn)土防水毯，可充分利用現(xiàn)狀開挖土料，降低投資。在進(jìn)行施工時(shí)，需要先對(duì)整個(gè)河道進(jìn)行整平，整平時(shí)可以回填河道周圍的砂土等，將河道整平至護(hù)坡底部高程。

新型防滲防護(hù)材料是生態(tài)的。低滲透性的防滲防護(hù)材料增加了河流水體與地下水的互換互補(bǔ)，由于水體的交換，水體富氧離子增加，水系與土地及其生物環(huán)境相融合，恢復(fù)了自然河流的生物鏈，改善了生態(tài)環(huán)境，使得治理后的河道與周圍的環(huán)境非常協(xié)調(diào)。

3.3 防滲防護(hù)方案的施工技術(shù)分析

下面結(jié)合圖1和圖2和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1 是河底防滲防護(hù)橫斷面圖

圖2 是河底防滲防護(hù)與邊坡結(jié)合圖

圖1 為格賓、水泥土加膨潤(rùn)土防水毯的新型防滲、防護(hù)技術(shù)的核心斷面布置圖。第一步：在進(jìn)行施工時(shí)，需要先清除河底淤泥及雜質(zhì)，對(duì)軟弱地層進(jìn)行砂壤土換填，至河底承載力達(dá)到100 kN/m3，能夠使人員正常行走，然后將整個(gè)河道進(jìn)行整平，整平時(shí)可以回填河道周圍的砂土，河底整平至開挖高程。第二步：在蓄水區(qū)底部鋪設(shè)單位面積質(zhì)量5 g/m2的膨潤(rùn)土防水毯，為了防止水流沖刷防水毯，在膨潤(rùn)土防水毯上鋪設(shè)水泥含量8%厚30 cm的水泥土，水泥土可充分利用現(xiàn)狀開挖土料，降低投資。由于水泥土細(xì)顆粒含量低，滲透性強(qiáng)，不破壞整個(gè)防水毯滲透系數(shù)。每間隔30 m設(shè)置一道30 cm厚的格賓主要起到防止水泥土熱凍伸縮引起變形破壞的作用。

圖2為格賓、水泥土加膨潤(rùn)土防水毯的新型防滲、防護(hù)技術(shù)與邊坡銜接的斷面圖。河底依然采用格賓、水泥土加膨潤(rùn)土防水毯的型式，邊坡的防滲體要與河底防滲相互粘結(jié)或搭接，使整個(gè)河道形成完整封閉的防滲體系。

河底防滲主要考慮利用現(xiàn)狀河灘的土料，河灘大多數(shù)為粗砂和砂土，15%含量的水泥土滲透系數(shù)勉強(qiáng)達(dá)1×10-4，防滲效果不明顯。本技術(shù)在水泥土下增設(shè)防水毯，水泥土主要為抑制地下水揚(yáng)壓力防止防水毯上揚(yáng)，又不破壞防水毯與地下水的交換作用。

4 結(jié)語

本文結(jié)合西咸新區(qū)灃河水面景觀工程實(shí)際情況，通過對(duì)幾種防滲防護(hù)材料從技術(shù)性能、環(huán)保性能、施工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的分析比較，提出了一種新型的防滲防護(hù)材料方案，經(jīng)過工程建成后近幾年的運(yùn)行情況看，該材料具有適應(yīng)力學(xué)性能優(yōu)良、變形能力強(qiáng)、材料造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了該河道傳統(tǒng)防滲技術(shù)材料防滲面易斷裂、不生態(tài)、造價(jià)高，工程建成滲漏損失大等缺點(diǎn)。在工程實(shí)際應(yīng)用推廣過程中，可就地取材，材料生態(tài)環(huán)保，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，施工效率較高，取得良好的效果。