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生態谷人工湖為例

王波雷 劉瑩瑩

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院 陜西西安 710065）

1 引言

隨著城市建設的發展，人民生活水平的提高，水的環境功能越來越受到人們的重視，人工湖作為城市景區環境之一，越來越受到投資建設者們的青睞。由于水資源的寶貴和節水要求的不斷提高，對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、新技術的應用，人工湖防滲技術也呈現出多樣化的發展趨勢，技術也日趨成熟。防滲方案的選用，關系到人工湖建設項目的投資、施工難度、施工進度及施工質量，同時在節約用水、工程長久運行、發揮長久效益方面起著關鍵作用。

2 人工湖防滲材料簡介

各種防滲方法的主要機理相同，都是以不透水材料隔斷人工湖基礎漏水通道，達到防滲的目的。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，糙面土工膜一般用于坡度較陡或與其他建筑物銜接部分，以增強膜面摩擦力，保持防滲層穩定。

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構成的塑料卷材，是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有較高的穩定性，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、滲透系數小等特點，適應地基變形的能力較強。因此，屬于土工膜中使用較為廣泛的材料，廣泛應用于環保、水利、市政、園林、水產養殖等領域。

2.2 膨潤土防水毯

膨潤土的礦物學名稱為蒙脫石，天然的膨潤土按其化學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，其膨脹僅為自身體積的3倍左右，而鈉基膨潤土遇水時吸附自身重量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，起保護和加固的作用，使GCL具有一定的整體抗剪強度。

膨潤土防水毯多是由高膨脹性的膨潤土填充在特制的經編土工布和無紡土工布之間，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方向流動，遇水膨脹后在墊內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，具有永久防水性、密實性、施工簡便、不受氣溫影響及良好的環保性能。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：

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

（2）具有永久的防水性能。因為鈉基膨潤土系天然無機材料，即使經過很長時間或周圍環境發生變化，也不會發生老化或腐蝕現象，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，比土工膜簡便，并且接縫處的密封性也容易得到保證。

（4）防水材料和對象的一體化。鈉基膨潤土和水反應時，膨脹能力較大，即使混凝土結構物發生震動和沉降，防水毯內的膨潤土也能修補混凝土表面內較小的裂紋。

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。一般采用滲透系數小的黏性土鋪設在湖底，厚度多為50～100cm，以防止水體下滲。

黏土防滲的特點是，在當地具有合適資源時，易于施工，建設費用較低，可以保持一定的滲透水量，從而有利于維持水質和原有的生態環境。此外，由于黏土具有一定的過濾能力和離子交換容量，在一定條件下對污染物具有截污和凈化能力。黏土防滲的主要缺點是滲透系數較高。雖然使用某些種類的黏土能夠得到更低的滲透系數，但這種性能的黏土并非隨處可得，而長距離的運輸會大大增加成本。

黏土層可以大幅度降低滲漏，而不是完全停止滲漏，能保證適當滲漏率，所以不影響湖水與地下水的雙向調節，不使湖水變成死水。同時黏土對水質凈化也有重要作用，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、耐久性強的特點，施工技術也比較成熟。采用 10～30cm厚混凝土層鋪設在湖底進行防滲，防滲效果較好。同時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，同時施工場地較小，可減少工程占地，節省工期。

以上 4種防滲方式是目前應用較多的防滲方法，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，土工膜防滲是現在人工湖防滲中應用最為普遍的方法之一，也是現在較為成熟的防滲方式之一。土工膜的防滲效果最好，施工進度較快，運行管理也最為方便，但由于土工膜的透氣性較差，可能會對環境造成一定影響。膨潤土防水毯是近幾年新興的一種防滲方式，滲透系數僅次于土工膜，施工較為方便，但造價較高。由于地基的不均勻沉降，防水毯在搭接縫處容易出現錯位，后期運行管理不便。

在料場較近時，黏土防滲造價最低，環境友好性最好。混凝土鋪蓋使用壽命最長，但是相應造價最高，施工也較為復雜。各種防滲材料優缺點見表1。

4 濕陷性黃土區人工湖防滲實例

4.1 工程背景

西安曲江臨潼國家旅游休閑度假區位于臨潼縣西南，規劃面積27.33km2，度假區內規劃建設鳳凰池、生態谷等景觀設施。生態谷人工湖位于度假區內王坡水庫下游，為度假區核心景觀帶之一，生態谷人工湖水面面積1.28萬m2，湖底設計高程 439.10m，湖面設計高程 440.60m，正常設計水深1.5m，庫容為2.05m3。

4.2 地質情況

根據地勘成果報告，場地內分布的地層自上而下主要由第四紀全新世人工填土、沖、洪積黃土狀土、中更新世風積黃土及殘積古土壤構成。地下水水位埋深為9.60～10.50m，對工程不構成影響。

表1 各種防滲材料優缺點

當生態谷湖底標高按439.10m考慮時，經土工試驗，計算地基黃土濕陷量為25.5～32.2mm，地基濕陷等級為Ⅰ（輕微），工程地基不均勻。

4.3 方案比選

根據當地環境現狀，建議選擇比較常用的、經過實踐證明效果良好的方案進行對比分析，初步擬選擇HDPE防滲膜、膨潤土防水毯（GCL）、黏土防滲、混凝土鋪蓋進行方案比選。經比選，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較好，施工簡便，技術相對較成熟。混凝土方案投資最高，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，后者對環境更友好，但因為該區域水源相對緊張，對防滲材料要求很高。膨潤土防水毯施工質量相對于HDPE來說更難控制，而且如果基礎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比的話，選擇HDPE防滲膜更適合本工程。

對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。混凝土造價較高，根據防滲要求選擇厚度為 15cm，混凝土 7天后才能達到初凝時間，且抗剪能力較差，后期鋪設0.5cm厚的回填土時不宜采用大型機械施工。而防滲黏土層不存在這個問題，黏土層對環境友好性更好。相對于混凝土鋪蓋防滲方案，黏土層防滲更有優勢。

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。在當地有合適資源時，易于施工，建設費用低，可以保持一定的滲透水量，有利于維持水質和原有的生態環境。但關鍵在于黏土料場的距離，是制約該方案的關鍵因素。

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，需要從外部調水。因此，對湖體防滲要求較高。同時工程區臨近臨潼縣城，黏土土源較遠，同時大體積的土方開挖必然對附近環境造成影響，工程區附近無合適土料場。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 防滲設計

5.1 基礎處理

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

5.2 防滲層結構

湖底防滲結構自下而上依次為，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。

對于湖底較為平緩區域，根據景觀設計要求，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。

根據景觀設計要求，邊坡鋪設 0.5m厚回填土，毛砌石塊擋墻與邊坡之間鋪設 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 GB/T17642—2008《土工合成材料 非織造復合土工膜》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參數詳見表2。

為加快工程施工進度，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類型產品。

表2 HDPE土工膜物理力學性能表

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，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，縫內填充聚氯乙烯膠泥。施工縫結合施工具體進度進行設置，盡量與結合脹縫合并設置，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，槽內填充聚氯乙烯膠泥。

6 工程運行效果

西安臨潼國家旅游休閑度假區生態谷人工湖防滲工程于2012年5月開工，同年7月竣工。現已正常運行半年，防滲效果較好，加之 2012年西安雨水較多，湖體未進行人工補水，水質較好。經過一個雨季的浸潤，人工湖周邊的土壤恢復到密實狀況，各項指標、參數仍然在設計要求范圍以內，工程設計方案滿足周圍景觀要求，總體運行狀況良好。作為臨潼旅游休閑度假區三大景觀湖之一，為整個度假區的觀光旅游、商業開發起到促進作用，有力的促進度假區的進一步發展。

西安臨潼國家旅游休閑度假區生態谷人工湖防滲方案表明：在西北濕陷性黃土地區，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，降低湖體補水量。其施工簡單，施工工期、造價相對較低，運行管理方便，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用[J]. 給水排水,2005,(2)：83-84.

2 GB50025—2004濕陷性黃土地區建筑規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

3 GB/T17642—2008土工合成材料 非織造復合土工膜[S].北京：中國標準出版社，2008.

4 GB/T17643—1998土工合成材料 聚乙烯土工膜[S]. 北京：中國標準出版社，1998.