水環(huán)境治理中調(diào)蓄池的防滲方案設(shè)計(jì)

李振虎

（河南省資源環(huán)境調(diào)查三院，鄭州 450000）

引黃調(diào)蓄是應(yīng)對(duì)水資源短缺的重要路徑，由于黃河水資源時(shí)空分布不均，針對(duì)引黃過(guò)程與農(nóng)業(yè)需水過(guò)程不匹配，通過(guò)建設(shè)具有一定調(diào)蓄能力的蓄水工程，相機(jī)引水，適時(shí)存放，非灌溉期豐水季節(jié)引黃蓄水，枯水季節(jié)灌溉期放水灌溉，已經(jīng)成為應(yīng)對(duì)水資源短缺的重要路徑。本次主要探討調(diào)蓄池的防滲工程設(shè)計(jì)，防滲工程是調(diào)蓄池成池的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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，此次設(shè)計(jì)采用水泥攪拌防滲墻垂直防滲方案。工程實(shí)施后，能有效地控制池體滲漏量，可蓄水成池，且施工便利，相對(duì)造價(jià)較低。

1 工程概況

新鄉(xiāng)市獲嘉縣水資源現(xiàn)狀可利用量為13444萬(wàn)m3，人均水資源占有量310m3，是全國(guó)平均水平的1/7，是全省人均水資源占有量440m3的3/4，低于全地市人均水資源占有量320m3的水平，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為制約新鄉(xiāng)市獲嘉縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。

根據(jù)此地區(qū)調(diào)蓄工程總體規(guī)劃需修建調(diào)蓄池，本次調(diào)蓄池采用人工開(kāi)挖而成，經(jīng)興利計(jì)算，調(diào)蓄池正常蓄水位為76.00m。工程區(qū)地勢(shì)平坦，經(jīng)后期回填整平后，地面高程均在77.40m以上，平均水深5.2m，最大水深5.5m，正常蓄水位相應(yīng)水域面積39.34萬(wàn)m2，對(duì)應(yīng)水體體積為205萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容147.74萬(wàn)m3，湖周護(hù)岸型式采用人工護(hù)岸進(jìn)行防護(hù)，長(zhǎng)度為2.5km。

2 工程地質(zhì)條件

在深度范圍內(nèi)，本次工程區(qū)內(nèi)的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積物（Q4al），地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于黏性土均一結(jié)構(gòu)和黏砂多層結(jié)構(gòu)，據(jù)鉆孔揭露，按成因類型、巖性、物理、力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)特性的差異，可分為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)樯叭劳粒瑵B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 滲流分析

3.1 滲流計(jì)算及基本資料

計(jì)算方法采用二維有限元方法，采用autobank5.6軟件進(jìn)行計(jì)算分析。工程區(qū)勘探深度范圍內(nèi)地下水類型主要為第四系孔隙潛水，主要賦存于輕粉質(zhì)壤土、粉細(xì)砂層中。地下水受大氣降水、側(cè)向徑流和灌溉入滲補(bǔ)給，排泄為蒸發(fā)、側(cè)向徑流和人工開(kāi)采，地下水動(dòng)態(tài)變化類型為降雨入滲～蒸發(fā)、開(kāi)采型，主要表現(xiàn)為開(kāi)采、蒸發(fā)水位下降，降雨入滲補(bǔ)給水位上升的動(dòng)態(tài)規(guī)律。

勘察期間，通過(guò)對(duì)場(chǎng)區(qū)水井調(diào)查，水井深度一般為40～60m，井水位深4.0～5.1m，井水位高程72.44～73.72m。井水位屬于混合水位，井水位高程多低于鉆孔水位高程。由于調(diào)蓄池周邊附近今后將面臨大規(guī)模工程建設(shè)，類似工程資料表明工程建設(shè)對(duì)地下水位的影響顯著，經(jīng)綜合考慮，取現(xiàn)狀地下水位71.24m及相應(yīng)水位有無(wú)防滲措施兩種工況進(jìn)行滲流計(jì)算。

計(jì)算工況：

工況1：無(wú)防滲措施，調(diào)蓄池水位76.00m，地下水位71.24m。

工況2：有防滲措施，調(diào)蓄池水位76.00m，地下水位71.24m。

3.2 計(jì)算成果分析

各工況滲流計(jì)算數(shù)學(xué)模型如圖1～圖2。

圖1 工況1滲流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

圖2 工況2滲流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

3.2.1 無(wú)防滲措施滲流量計(jì)算

調(diào)蓄池若不采用任何防滲措施，成池水面高程76.00m，則每年調(diào)蓄池總滲漏量12.58萬(wàn)m3/a，滲漏量較大，約占調(diào)蓄池總庫(kù)容的6.14%。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮調(diào)蓄池必須采取一定的防滲措施。

3.2.2 有防滲措施滲流量計(jì)算

當(dāng)采用垂直防滲時(shí)，池周滲透系數(shù)為1×10-6cm/s，池底相對(duì)不透水層③重粉質(zhì)壤土的滲透系數(shù)為6.21×10-5cm/s，滲流量降低為5.12萬(wàn)m3/a。

4 工程防滲的必要性

根據(jù)此地區(qū)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，調(diào)蓄池周邊勘測(cè)期地下水埋深1.9～3.1m，地下水位高程為74.40～75.49m，地下水年變幅一般為2.0～4.5m，取地下水位值為71.24m。此地區(qū)入境水量極少，相關(guān)資料顯示，本區(qū)目前工農(nóng)業(yè)用水主要為地下水，主要用水區(qū)域地下水位漏斗面積逐年擴(kuò)大，調(diào)蓄工程運(yùn)行后滲漏會(huì)補(bǔ)給地下水，抬高地下水位，改變目前區(qū)域的地下水生態(tài)環(huán)境。隨著城市工業(yè)及生活用水的不斷增加，區(qū)域內(nèi)地下水環(huán)境將在持續(xù)抽取用水條件下繼續(xù)惡化，也需要一定滲漏補(bǔ)給來(lái)改善地下水環(huán)境，因此適度滲漏是有益的。

但從區(qū)域地層結(jié)構(gòu)來(lái)看，如不進(jìn)行防滲處理，調(diào)蓄池蓄水后滲漏量將較大。邊坡巖性主要由重粉質(zhì)壤土層、輕粉質(zhì)壤土和中粉質(zhì)壤土組成；池底板地層為重粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)為5.60×10-6cm/s，具弱透水性。其中第③層輕粉質(zhì)壤土滲透系數(shù)分別為2.80～3.80×10-4cm/s，屬中等透水性。調(diào)蓄池蓄水位76.00m，地下水位71.24m，地下水水位低于調(diào)蓄池正常蓄水位，存在池水滲漏問(wèn)題。

結(jié)合滲流計(jì)算分析研究，如不采取任何防滲措施，調(diào)蓄池在正常蓄水位下，滲漏量12.58萬(wàn)m3/a，占調(diào)蓄池總庫(kù)容的6.14%，且隨著城市的發(fā)展及附近高層建筑的施工，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，地下水位也會(huì)明顯下降，滲漏量也會(huì)加大。根據(jù)規(guī)劃，調(diào)蓄池每年從黃河引水量有限，如此大的滲漏量將難以成池，對(duì)調(diào)蓄工程運(yùn)行有較大影響，因此必須進(jìn)行工程防滲處理。

5 防滲方案的選擇

根據(jù)地勘成果，本區(qū)引黃灌溉調(diào)蓄工程范圍內(nèi)的輕粉質(zhì)壤土具有中等透水性，如果不做好工程防滲，調(diào)蓄池很難蓄水，因此，防滲工程是該工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵，根據(jù)此地區(qū)的地質(zhì)條件，選用水平防滲及垂直防滲兩種防滲方案進(jìn)行了比較。

5.1 方案1：水平防滲方案

在蓄水池岸坡設(shè)一道水平防滲鋪蓋，作為防滲措施，總面積約1.98萬(wàn)m2。

5.2 方案2：垂直防滲方案

根據(jù)調(diào)蓄池總體布置情況，調(diào)蓄池周邊采用垂直防滲，防滲墻基本沿水域岸邊布設(shè)，將蓄水池包絡(luò)其中，防滲墻總長(zhǎng)度為2.5km，平均深度5.2m。

5.3 施工方案對(duì)比

5.3.1 方案1：水平防滲方案

此方案是水利工程中常用的防滲處理措施。

優(yōu)點(diǎn)：防滲材料直接鋪于湖底，根據(jù)本工程特點(diǎn)，宜干地施工，施工工藝簡(jiǎn)單，且對(duì)地層的變形適應(yīng)性好。

缺點(diǎn)：水平防滲鋪蓋面積大，容易被破壞；由于施工期地下水位較高，如采用干法施工，臨時(shí)抽排措施投入較大，且不利于控制施工工期。

5.3.2 方案2：垂直防滲方案

此方案是根據(jù)本工程特點(diǎn)而采取的一種綜合防滲方案。

優(yōu)點(diǎn)：可通過(guò)調(diào)整垂直防滲墻深度、厚度及材料配合比，控制其滲流性能，進(jìn)一步控制調(diào)蓄工程的總滲流量。在湖底開(kāi)挖時(shí)可根據(jù)具體情況，結(jié)合湖底的土層情況，對(duì)湖底形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，沒(méi)有施工工藝上的限制，后期運(yùn)行管理過(guò)程中進(jìn)行湖底清淤時(shí)不會(huì)影響防滲工程的正常使用，具有可操作性。且湖底可不用鋪墊，可充分利用包氣帶土層中微生物對(duì)污染物的吸附、降解作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)蓄池水質(zhì)的自然凈化。該方案可實(shí)施后，可減少土方開(kāi)挖的臨時(shí)排水措施費(fèi)，減輕施工難度，并有效減少施工工期。

缺點(diǎn)：防滲墻線路較長(zhǎng)，技術(shù)難度相對(duì)較高。

目前，垂直防滲方法較多，根據(jù)此地區(qū)工程的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)一些垂直防滲工程的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)成墻方式不同，可選用以下幾種方案。

5.3.2.1 多頭小直徑水泥深層攪拌成墻防滲

多頭小直徑水泥深層攪拌成墻防滲是利用深層攪拌機(jī)械在一定的土層內(nèi)攪拌，就地將土體與輸入的水泥等固化劑強(qiáng)制充分拌和，使固化劑與土體產(chǎn)生一系列的物理—化學(xué)變化而凝結(jié)成墻體達(dá)到防滲目的。適用于淤泥質(zhì)黏土、粉黏土、壤土及砂性土的砂土、粉細(xì)砂層及砂壤土，該防滲方法施工簡(jiǎn)便、快捷，不需開(kāi)槽或造孔，不需泥漿護(hù)壁，造價(jià)較低。攪拌樁成墻深度可達(dá)10～14m，成墻厚度100～400mm，保證施工要求的搭接長(zhǎng)度，墻體厚度能滿足防滲要求。

5.3.2.2 高壓噴漿成墻防滲

高壓噴射灌漿是利用鉆機(jī)造孔，然后把帶有噴頭的灌漿管下至土層的預(yù)定位置，以高壓把漿液從噴嘴中噴射出來(lái)，利用射流作用切割摻攪地層，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入水泥漿或混合漿形成凝結(jié)體，達(dá)到防滲目的。高壓噴射灌漿適用于粉土、砂土、礫石及卵石地層，處理深度可達(dá)80m左右。

5.3.2.3 置換成墻防滲

置換成墻防滲是將一定深度內(nèi)的被置換的土體挖除成槽，再填筑或鋪設(shè)混凝土（或塑性混凝土、土工膜）等防滲墻體材料，并連接成整體的防滲墻。該技術(shù)根據(jù)成槽施工機(jī)械的不同，可適用各種土層，成墻深度在20～100m之間。

以上幾種方案均為應(yīng)用較廣、防滲效果較好、技術(shù)比較成熟的垂直防滲措施。1998年，長(zhǎng)江特大洪水之后，以上垂直防滲方案均在長(zhǎng)江大堤上得到應(yīng)用，多年來(lái)，經(jīng)過(guò)多次洪水考驗(yàn)，均取得了較好的防滲效果。這些垂直防滲工程完成后，對(duì)控制長(zhǎng)江重要堤防在多變的河勢(shì)與洪水影響下起到有效的截滲和堤防安全穩(wěn)定作用。

多頭小直徑水泥深層攪拌成墻法和高壓噴射成墻法具有施工簡(jiǎn)單、不需開(kāi)槽、造價(jià)低、速度快等特點(diǎn)。這兩種防滲技術(shù)的成墻材料為輸入的水泥漿與土的凝結(jié)體。

根據(jù)本調(diào)蓄池工程庫(kù)區(qū)的地層特點(diǎn)，結(jié)合二維近似模擬滲透計(jì)算成果，此地區(qū)引黃調(diào)蓄工程調(diào)蓄池要求防滲墻平均成墻深度約5.2m。多頭小直徑水泥深層攪拌成墻法和擠壓注漿成墻法的最大造墻深度在25m以內(nèi)，高壓噴漿成墻法最大成墻深度可達(dá)80m，置換成墻法成墻深度在20～100m。在成墻深度方面，攪拌成墻法、擠壓成墻法的成墻深度及高壓噴漿成墻法和置換成墻法的成墻深度均能滿足本工程的需要；防滲效果方面，4種成墻方案均為比較成熟的防滲方案，單從防滲角度考慮，采用4種成墻防滲方案均能達(dá)到調(diào)蓄池蓄水的目的。針對(duì)本工程防滲墻處理深度平均為5.2m左右，處理土層均為砂壤土，多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻更具有施工速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可作為本工程的防滲措施。

5.4 對(duì)比分析

從工程可靠性、工程施工、施工質(zhì)量、運(yùn)行管理、湖體開(kāi)挖工程量及工程投資等方面對(duì)以上各方案進(jìn)行比較如下：

5.4.1 工程技術(shù)可靠性

方案1是采用水平鋪蓋防滲，方案2采用垂直防滲。不管是采用哪種方案，只要能保證施工質(zhì)量，均屬技術(shù)可靠、長(zhǎng)期安全運(yùn)行有保證的方案。

5.4.2 運(yùn)行管理

方案1由于采用水平防滲，因該引黃灌溉調(diào)蓄池位于新鄉(xiāng)市獲嘉縣城區(qū)附近，人類活動(dòng)較為頻繁，大面積地使用水平防滲鋪蓋，運(yùn)行管理較為困難；而方案2主要采用垂直防滲，防滲體埋入地下，受人類活動(dòng)影響較小，運(yùn)行管理較為方便。

5.4.3 開(kāi)挖工程量

根據(jù)該引黃灌溉調(diào)蓄工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)，采用方案1進(jìn)行水平防滲時(shí)，GCL鈉基膨潤(rùn)土防水毯上部需鋪0.5m厚的開(kāi)挖土料作為保護(hù)層，因此湖體邊坡開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖護(hù)坡要比設(shè)計(jì)深度多開(kāi)挖0.5m，需超挖土方量約1.69萬(wàn)m3。而采用方案2進(jìn)行湖體防滲時(shí)，大部分湖體邊坡可直接按設(shè)計(jì)高程開(kāi)挖。

5.4.4 工程施工

調(diào)蓄池工程主要為土方開(kāi)挖，土方開(kāi)挖方式可分為干地開(kāi)挖和水力開(kāi)挖，工程區(qū)附近無(wú)合適洼地作為水力開(kāi)挖泥漿池。

本工程區(qū)地下水位較高，干地開(kāi)挖需采取降水措施或四周防滲方式解決地下水問(wèn)題。垂直防滲方案不需要大規(guī)模降水，對(duì)周邊的地下水影響最小，而水平防滲方案需大規(guī)模降水，且對(duì)周邊地下水位影響很大。

5.4.5 工程投資

結(jié)合工程的永久防滲措施，擬定3種方案進(jìn)行了投資比較，經(jīng)投資估算，多鉆頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻投資最為節(jié)省。調(diào)蓄池主要防滲方案對(duì)比如表1。

表1 調(diào)蓄池主要防滲方案對(duì)比

6 防滲工程設(shè)計(jì)

6.1 防滲墻平面設(shè)計(jì)

水泥土攪拌樁防滲墻平面設(shè)計(jì)以工程量較省為原則，同時(shí)既要方便施工，又要滿足防滲要求。根據(jù)調(diào)蓄池平面輪廓形狀，本工程采用垂直防滲方案，結(jié)合水泥土攪拌樁的施工工藝，防滲墻的平面布置如下：防滲墻基本沿調(diào)蓄池庫(kù)岸外緣布設(shè)，將整個(gè)調(diào)蓄池庫(kù)區(qū)包絡(luò)其中。庫(kù)區(qū)垂直方案防滲墻平面總長(zhǎng)度2.5km。

6.2 防滲墻深度設(shè)計(jì)

6.2.1 攪拌樁防滲墻深度設(shè)計(jì)

防滲墻的深度應(yīng)經(jīng)滲流計(jì)算確定，根據(jù)DL/T5425—2009《深層攪拌法技術(shù)規(guī)范》，封閉式、半封閉式防滲墻墻體應(yīng)進(jìn)入不透水或相對(duì)不透水層0.5～1.0m，根據(jù)此地區(qū)地質(zhì)條件，水泥土攪拌樁防滲墻深度方面，采取封閉式防滲墻型式，即：防滲墻底部深入第④層重粉質(zhì)壤土層不小于1.5m，通過(guò)防滲墻截?cái)嗟冖佟蹖由叭劳痢⑤p粉質(zhì)壤土主要滲漏通道。由水泥土攪拌樁防滲墻、池底的第④層重粉質(zhì)壤土層共同組成一個(gè)封閉式防滲體。防滲墻最大深度6.0m，最小深度4.6m，平均深度為5.2m左右。

根據(jù)河海大學(xué)編制的《水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》計(jì)算程序，采用二維有限元方法對(duì)封閉式防滲墻進(jìn)行滲漏量計(jì)算。經(jīng)分析計(jì)算，采用封閉式防滲墻進(jìn)行防滲，防滲墻滲透系數(shù)控制在1×10-6cm/s時(shí)，工程運(yùn)行期每天的滲漏量約140.4m3，年滲漏量約5.12萬(wàn)m3/a。

6.2.2 防滲墻頂高程設(shè)計(jì)

垂直防滲墻頂部高程應(yīng)等于或高于調(diào)蓄池正常蓄水位。獲嘉縣太山鄉(xiāng)陳孝引黃調(diào)蓄工程正常蓄水位76.0m，防滲墻頂部高程76.5m，高出正常蓄水位0.50m。

6.2.3 垂直防滲墻厚度設(shè)計(jì)

防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻壁抗?jié)B性、耐久性和墻體應(yīng)力及變形的要求，根據(jù)作用水頭、水泥土材料特性、地基性狀等因素確定，同時(shí)還應(yīng)考慮到地質(zhì)情況及施工設(shè)備等因素。

根據(jù)防滲墻破壞時(shí)的水力坡降確定墻體厚度S，計(jì)算公式如下：

式中 S為防滲墻有效墻體厚度（m）；△H為墻體兩側(cè)的水頭差（m）；［J］為水泥土允許比降，可取破壞比降的1/3～1/2；ηj為系數(shù)，一般取1.1～1.4。

正常運(yùn)行期，垂直防滲墻阻擋調(diào)蓄池內(nèi)水外滲，設(shè)計(jì)水位76.00m，庫(kù)外地下水位高程為70.69～71.78m，最大水頭差5.31m。施工期，垂直防滲墻阻擋調(diào)蓄池外地下水內(nèi)滲，庫(kù)外地下水位高程為74.40～75.49m，調(diào)蓄池庫(kù)底最低開(kāi)挖高程為70.5m，最大水頭差為4.99m。經(jīng)計(jì)算，正常運(yùn)行期S=0.12m；施工期S=0.09m。

根據(jù)規(guī)范水泥土防滲墻最小厚度不宜小于150mm。另根據(jù)多頭小直徑深層攪拌樁機(jī)施工設(shè)備，此工程水泥土攪拌樁防滲墻墻體設(shè)計(jì)厚度取S=0.3m。

7 防滲墻施工方法

此工程防滲墻采用水泥攪拌法成墻，攪拌法施工特點(diǎn)：

（1）不需開(kāi)槽或造孔，不需泥漿護(hù)壁。成墻深度可達(dá)10～14m，最大深度18m。

（2）根據(jù)需要，成墻厚度可達(dá)100～400mm。只要保證施工要求的搭接長(zhǎng)度，墻體厚度能滿足防滲要求。

（3）成墻耐久性好，強(qiáng)度高，可避免動(dòng)物鉆洞對(duì)墻體的破壞。

（4）適用土層范圍廣，甚至有土體架空或洞穴的部位，也能成墻，而且汛期也不影響施工。

（5）工程材料為水泥、石灰和水，取材方便。充分利用原土，節(jié)省材料，降低造價(jià)。

（6）對(duì)周圍環(huán)境無(wú)污染、無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)干擾，有利于環(huán)境保護(hù)。

（7）施工效率較高，實(shí)際平均工效可達(dá)13.2m2/h。

該項(xiàng)技術(shù)與同類技術(shù)相比，具有材料簡(jiǎn)單、施工方便、質(zhì)量可靠、工效高、造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境無(wú)影響等特點(diǎn)。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以上幾個(gè)比選方案均屬技術(shù)可行的方案。但從運(yùn)行管理、工程投資、土方開(kāi)挖工程和工程施工等方面看，垂直防滲方案優(yōu)于水平防滲方案，因此，此次主要推薦采用垂直防滲多頭小直徑深層水泥攪拌防滲墻方案。