忻州市南云中河蓄水工程防滲方案分析

□周鴻彬（山西省水利水電勘測設計研究院）

1 概述

南云中河位于山西中北部的忻州市境內，全長36.50 km，流域面積317 km2，河道寬為80～120 m，為海河流域滹沱河支流。本次南云中河治理段為三、四干渠首～河拱村段，位于忻州市城區(qū)北側，治理長度為4.70 km。治理范圍內河道現(xiàn)狀常年無水，由于挖沙破壞，河道內沙坑密布。根據(jù)河道現(xiàn)狀等情況，蓄水段為治理段的下游3.90 km，河道蓄水寬度為80～125 m。根據(jù)河道縱坡蓄水段共設橡膠壩5座，將形成40.29萬m2的水面，總蓄水量為60.35萬m3水體。

2 河道防滲的必要性

由于蓄水池底部為砂層，透水性強，并且兩岸及河底地下水為較深，蓄水池蓄水后，會有嚴重的滲漏，造成河道達不到設計蓄水效果，或由于補水大大增加工程運行成本。同時由于河道的滲漏，蓄水后的河道地下水位水位抬升，抬升后對兩岸的浸沒影響較為嚴重，必須采取防滲措施。針對治理段河道特點，可采用的防滲形式有水平防滲、垂直防滲、垂直防滲與水平防滲相結合三種形式。

3 防滲方案分析

以下根據(jù)河道現(xiàn)狀條件對采用各種防滲形式時的結構形式，并從工程投資、運行費用、施工難易、對水環(huán)境的影響等方面，對各方案進行了比分析。

3.1 垂直防滲

垂直防滲即采用深層攪拌、高壓注漿或塑性混凝土墻等施工工藝，形成上部高出蓄水位下部與相對不透水層連接的豎向防滲墻體，解決河道滲漏問題。

根據(jù)地質勘探報告中庫區(qū)地層揭露：存在“中更新統(tǒng)洪沖積物(Q2pal)，埋深13.40～14.70 m，本次看勘察未見底。巖性為低液限粘土，呈褐色、褐黃色，局部褐紅色，含云母、煤屑、氧化鐵、鈣質結核等。可塑，中壓縮性。”若采用垂直防滲方案，該層土可作為相對隔水層。

根據(jù)相對隔水層的深度、隔水層深度范圍內的地層特點，本垂直防滲方案采用多軸攪拌水泥土地連墻施工工藝。根據(jù)城區(qū)段已建工程防滲墻設計的經(jīng)驗，防滲墻底高程伸至隔水層內0.50 m，但以不穿透隔水層厚度為前提。防滲墻頂高出設計蓄水位0.30 m。當需設置防滲墻連接段或施工空間不足時，采用高壓旋噴施工工藝。

3.1.1 防滲墻厚度的確定

水泥土地連墻厚度取決于防滲水頭差，防滲墻厚度按下式計算確定。

式中：S——最小防滲墻厚度（m）；

△H——防滲墻兩側的水頭差（m）；

[J]——設計允許坡降，取破壞比降的0.33～0.50；

ηj——施工垂直度控制偏差，取0.80。經(jīng)計算，水泥土地連墻厚度確定為20cm。

3.1.2 施工技術參數(shù)

水泥土地連墻墻體固化材料采用普通硅酸鹽水泥，根據(jù)工程經(jīng)驗，結合本工程的地層特點，墻體抗壓強度≥0.5 MPa，壓縮模量≤1000 MPa，滲透系數(shù)≤A×10-6cm/s（1＜A＜10），樁間搭接長度按15 cm控制，鉆具垂直精度≤1/200。成墻后要求墻體完整連續(xù)，滿足防滲要求，允許比降≥50。施工工藝參數(shù)最終根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

3.1.3 工程投資

工程若采用垂直防滲形式，需在河道左右岸設置縱向防滲墻，橡膠壩鋪蓋上端設置橫向防滲墻，使每個蓄水池均為完整的防滲體系。該防滲形式的主要工程量為：水泥土地連墻成墻124982 m2，高壓旋噴成墻650 m2，工程直接投資約為1636萬元。

3.1.4 垂直防滲方案優(yōu)缺點分析

根據(jù)河道地形地質條件，垂直防滲的施工工藝特點，其優(yōu)缺點分析如下：

優(yōu)點：①本次治理段河道內無跨河管線，垂直防滲的施工干擾少，受河道清淤、洪水沖刷等損壞的機率小；②施工采用多軸攪拌工藝，墻體整體性好，施工缺陷少；③與水平防滲方案相比，工程投資少；④利于包括土體的蓄水池防滲范圍內的水土交換，從區(qū)域生態(tài)環(huán)境考慮，對水的自然循環(huán)、凈化及區(qū)域水資源平衡有利；⑤垂直防滲對河道內地形條件需求較小，可對河道內現(xiàn)狀沙坑不進行回填，可節(jié)省部分工程投資。

缺點：①防滲墻為隱蔽工程，質量控制難度大；②本工程3～5#蓄水池相對不透水層上方為砂層，埋深基本＞15 m，遇埋深較大砂層時鉆孔機具扭矩過大，多頭攪拌施工困難，需要改為旋噴樁，增加成本；③當施工時孔位斜率偏差≤0.5%，墻體在深度＞12 m時，防滲墻成墻厚度可能達不到設計要求，墻體的完整性可能被破壞，造成滲漏；④成墻材料的滲透系數(shù)與水平防滲的系數(shù)相比，垂直防滲的滲漏量較大；⑤不利于大面積作業(yè)，工期較長。

3.2 水平防滲

水平防滲是采用復合土工膜、粘土鋪蓋或膨潤土防水毯等防滲材料，鋪設在整個河槽，形成防滲層，并在防滲層上覆蓋混凝土板、水工生態(tài)磚或格賓石籠等防沖層的防滲措施。

本工程采用材料價格較低的復合土工膜作為水平防滲方案材料。復合土工膜采用兩布一膜，規(guī)格為750 g/m2，土工膜厚度≥0.35 mm。

3.2.1 防滲結構設計

根據(jù)要求，復合土工膜需埋置于凍土及河道沖刷深度以下，河道采用格賓石籠網(wǎng)格對河道進行防護處理，因此復合土工膜埋深0.80 m，復合土工膜上部采用0.10 m的粗砂保護層。河床土工膜的防沖結構采用斷面尺寸0.50 m×1.00 m的格賓石籠網(wǎng)格，間距3.0 0m，形成3 m×3 m網(wǎng)格，凈空2 m×2 m的網(wǎng)格內回填土。堤防防沖仍采用0.30 m厚格賓石籠，復合土工膜上0.20 m厚粗砂保護層。防滲結構詳見圖1、2。

圖1 水平防滲剖面示意圖

圖2 水平防滲河底防護圖

3.2.2 工程投資估算

若采用水平防滲，為保護復合土工膜，對全河床進行格賓石籠網(wǎng)格防護，涉及主要工程量為：復合土工膜46.10萬m2，格賓石籠10.80萬m3，粗砂4.70萬m3，土方回填14.90萬m3，土方開挖28.30萬m3，基礎碾壓47萬m2，工程直接投資為6670.90萬元。

3.2.3 優(yōu)缺點分析

優(yōu)點：①防滲材料的滲透系數(shù)為1×10-11，防滲效果可靠、滲漏損失小；②工程在防滲材料河床滿鋪，可以大面積施工，施工方便；③相對于垂直防滲，材料與施質量工易于控制，防滲效果能夠得到保證。

缺點：①材料為厚度0.35 mm的土工膜，比較脆弱，在施工過程中容易被尖銳物質破壞；②河道沖刷的存在，在河床底部大面積鋪設的情況下，需要大面積采用防沖設置，大量的增加了工程投資；③割斷了水池水體與河床以下的的水土聯(lián)系，兩者之間的微生物交換也被隔斷，同時限制了水生植物的生長，削弱了河道的自凈能力，蓄水水質較差；④河道蓄水末端水深較小（或河道內蓄水、補水不及時），河床植物生長較為茂盛，可能有根系較深的柳樹等灌木的，灌木發(fā)達的根系向下穿透復合土工膜，造成河道的滲漏。如以上種情況，需加強管護措施，限制河道內植物的生長，杜絕根系對防滲設施破壞，增加了管護難度和運管費用；⑤河道內由于挖沙破壞，沙坑較多，水平防滲河道底部需進行平整，增加了工程的需土量；同時填方基礎會產(chǎn)生固結沉降，基礎變形，會撕拉復合土工膜，造成破壞，形成滲漏，因此水平防滲方案對底回填要求比較嚴格。

表1 防滲墻深度統(tǒng)計表

3.3 垂直水平相結合的方案

河道采用垂直防滲方案時，防滲墻深度向下游逐漸加深，各蓄水池防滲墻深度統(tǒng)計詳見下表。當防滲墻深度＞12 m時防滲墻墻體厚度有可能不滿足設計要求，由統(tǒng)計表可知1#、2#蓄水池防滲墻平均深度＜15 m，大部分深度均＜12 m。3#～5#蓄水池防滲墻深度均＞15 m，且大部分部位有一層粗砂層，埋深較深，施工難度較大。綜合考慮以上因素，對根據(jù)防滲墻深度不同，選用不同的防滲形式，1#、2#蓄水池采用垂直防滲形式，3#～5#蓄水池采用水平防滲形式。

3.3.1 防滲結構設計

垂直防滲采用水泥土地連墻施工工藝；水平防滲采用復合土工膜作為防滲材料，采用格賓石籠網(wǎng)格防沖。

3.3.2 工程投資估算

采用垂直與水平相結合方案，涉及主要工程量為：水泥土地連墻成墻31760 m2，高壓旋噴成墻200 m2，復合土工膜33.06萬m2，格賓石籠8.12萬m3，粗砂3.31萬m3，土方回填9.10萬m3，土方開挖17.00萬m3，基礎碾壓29.20萬m2，工程直接投資為5217.30萬元。

3.3.3 優(yōu)缺點分析

本方案為垂直防滲方案與水平防滲方案相結合，其優(yōu)點為解決了垂直防滲方案在深度較大施工質量難以控制，施工難度增加的問題，使防滲方案得到優(yōu)化。缺點為水平防滲所遇到的問題仍在存在，比如與后續(xù)跨河建筑物的交叉問題、植物根系破壞防滲結構問題，管護難度仍然很大，工程投資仍然較大。

4 結論

通過對以上三種方案的分析，水平防滲方案工程投資最大，垂直水平相結合的方案較水平防滲方案投資較小，垂直防滲方案投資最小。然而各方案在某些方面均由其不足之處，選哪種方案均不盡完美。因此本次河道蓄水防滲方案采用投資最小的垂直防滲方案。建議業(yè)主單位將防滲工程設為專門標段進行招標，由專業(yè)施工水平較高，設備較先進的企業(yè)施工；施工單位改良多頭攪拌的施工工藝，改善墻深＞15 m機具扭矩不足的情況、減小施工時孔位斜率偏差，使墻體參數(shù)滿足設計要求。