人工湖防渗常用方法比较分析研究──以国家旅游休闲度假区生态谷人工湖为例

王波雷 刘莹莹

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 陕西西安 710065）

1 引言

随着城市建设的发展，人民生活水平的提高，水的环境功能越来越受到人们的重视，人工湖作为城市景区环境之一，越来越受到投资建设者们的青睐。由于水资源的宝贵和节水要求的不断提高，对人工湖防渗的要求也越来越高。因此，做好人工湖防渗具有十分重要的意义。随着新材料、新技术的应用，人工湖防渗技术也呈现出多样化的发展趋势，技术也日趋成熟。防渗方案的选用，关系到人工湖建设项目的投资、施工难度、施工进度及施工质量，同时在节约用水、工程长久运行、发挥长久效益方面起着关键作用。

2 人工湖防渗材料简介

各种防渗方法的主要机理相同，都是以不透水材料隔断人工湖基础漏水通道，达到防渗的目的。目前人工湖常用防渗材料有土工膜、膨润土防水毯（GCL）、黏土防渗、混凝土铺盖等。各种防渗材料简述如下。

2.1 土工膜

土工膜类型按照材料一般分为：聚乙烯（PE）土工膜、聚氯乙烯（PVC）土工膜、氯化聚乙烯（CPE）及各种复合土工膜等。按照其表面光滑程度一般可分为糙面和光面土工膜，光面土工膜一般用于坡度较缓的地面防渗铺设，糙面土工膜一般用于坡度较陡或与其他建筑物衔接部分，以增强膜面摩擦力，保持防渗层稳定。

HDPE土工膜也被称为高密度聚乙烯膜，属于聚乙烯（PE）土工膜中的一种，HDPE土工膜是由HDPE构成的塑料卷材，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂，具有较高的稳定性，甚至在高温下，也具有良好的耐水性。具有耐老化、施工速度快、渗透系数小等特点，适应地基变形的能力较强。因此，属于土工膜中使用较为广泛的材料，广泛应用于环保、水利、市政、园林、水产养殖等领域。

2.2 膨润土防水毯

膨润土的矿物学名称为蒙脱石，天然的膨润土按其化学成分主要分为钠基和钙基两大类。膨润土具有遇水膨胀的特性，一般钙基膨润土膨胀时，其膨胀仅为自身体积的3倍左右，而钠基膨润土遇水时吸附自身重量5倍的水，体积膨胀到原来的15～17倍以上。将钠基膨润土锁在两层土工合成材料中间，起保护和加固的作用，使GCL具有一定的整体抗剪强度。

膨润土防水毯多是由高膨胀性的膨润土填充在特制的经编土工布和无纺土工布之间，用针刺法制成的膨润土防水毯可形成许多小的纤维空间，使膨润土颗粒不能向一个方向流动，遇水膨胀后在垫内形成均匀高密度胶状防水层。膨胀的膨润土所形成的高密度胶体具有排斥水的性能，所以能有效的防止水的渗漏，防渗漏效果好，抗破坏性强，具有永久防水性、密实性、施工简便、不受气温影响及良好的环保性能。目前防水毯多为钠基膨润土防水毯。

钠基膨润土防水毯的特点：

（1）密实性。钠基膨润土在水压状态下形成高密度横隔膜，厚度约 3mm时，它的透水性为α×10-11m/s以下，相当于100倍的30cm厚度黏土的密实度，具有很强的自保水性能。

（2）具有永久的防水性能。因为钠基膨润土系天然无机材料，即使经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象，因此防水性能持久。

（3）施工简便，工期短。和其他防水材料比较，施工相对比较简单，不需要加热和粘贴。只需用膨润土粉末和钉子、垫圈等进行连接和固定。GCL 的连接，尤其是GCL与管道或建筑物周边连接时，比土工膜简便，并且接缝处的密封性也容易得到保证。

（4）防水材料和对象的一体化。钠基膨润土和水反应时，膨胀能力较大，即使混凝土结构物发生震动和沉降，防水毯内的膨润土也能修补混凝土表面内较小的裂纹。

2.3 黏土

在防渗要求不是非常高的情况下，黏土防渗是工程上使用最为普遍的方法。一般采用渗透系数小的黏性土铺设在湖底，厚度多为50～100cm，以防止水体下渗。

黏土防渗的特点是，在当地具有合适资源时，易于施工，建设费用较低，可以保持一定的渗透水量，从而有利于维持水质和原有的生态环境。此外，由于黏土具有一定的过滤能力和离子交换容量，在一定条件下对污染物具有截污和净化能力。黏土防渗的主要缺点是渗透系数较高。虽然使用某些种类的黏土能够得到更低的渗透系数，但这种性能的黏土并非随处可得，而长距离的运输会大大增加成本。

黏土层可以大幅度降低渗漏，而不是完全停止渗漏，能保证适当渗漏率，所以不影响湖水与地下水的双向调节，不使湖水变成死水。同时黏土对水质净化也有重要作用，特别是黏土可以不断吸附水体中的无机磷化物，从而避免湖泊的富氧化过程，避免有毒性的藻类生长。

2.4 混凝土铺盖

混凝土铺盖具有防渗效果好、耐久性强的特点，施工技术也比较成熟。采用 10～30cm厚混凝土层铺设在湖底进行防渗，防渗效果较好。同时由于混凝土的抗冲流速在8～10m/s之间，因此湖底允许最大流速较大，同时施工场地较小，可减少工程占地，节省工期。

以上 4种防渗方式是目前应用较多的防渗方法，此外还有砌石、水泥土、沥青材料等防渗方式。

3 各种防渗材料比较分析

各种防渗材料中，土工膜防渗是现在人工湖防渗中应用最为普遍的方法之一，也是现在较为成熟的防渗方式之一。土工膜的防渗效果最好，施工进度较快，运行管理也最为方便，但由于土工膜的透气性较差，可能会对环境造成一定影响。膨润土防水毯是近几年新兴的一种防渗方式，渗透系数仅次于土工膜，施工较为方便，但造价较高。由于地基的不均匀沉降，防水毯在搭接缝处容易出现错位，后期运行管理不便。

在料场较近时，黏土防渗造价最低，环境友好性最好。混凝土铺盖使用寿命最长，但是相应造价最高，施工也较为复杂。各种防渗材料优缺点见表1。

4 湿陷性黄土区人工湖防渗实例

4.1 工程背景

西安曲江临潼国家旅游休闲度假区位于临潼县西南，规划面积27.33km2，度假区内规划建设凤凰池、生态谷等景观设施。生态谷人工湖位于度假区内王坡水库下游，为度假区核心景观带之一，生态谷人工湖水面面积1.28万m2，湖底设计高程 439.10m，湖面设计高程 440.60m，正常设计水深1.5m，库容为2.05m3。

4.2 地质情况

根据地勘成果报告，场地内分布的地层自上而下主要由第四纪全新世人工填土、冲、洪积黄土状土、中更新世风积黄土及残积古土壤构成。地下水水位埋深为9.60～10.50m，对工程不构成影响。

表1 各种防渗材料优缺点

当生态谷湖底标高按439.10m考虑时，经土工试验，计算地基黄土湿陷量为25.5～32.2mm，地基湿陷等级为Ⅰ（轻微），工程地基不均匀。

4.3 方案比选

根据当地环境现状，建议选择比较常用的、经过实践证明效果良好的方案进行对比分析，初步拟选择HDPE防渗膜、膨润土防水毯（GCL）、黏土防渗、混凝土铺盖进行方案比选。经比选，除混凝土方案外，其他3种防渗方案投资相差不大。3种方案中，防渗膜防渗效果相对较好，施工简便，技术相对较成熟。混凝土方案投资最高，黏土方案投资最低，混凝土防渗方案为黏土防渗方案投资的2倍。

HDPE防渗膜和膨润土防水毯均属于高分子防渗材料，后者对环境更友好，但因为该区域水源相对紧张，对防渗材料要求很高。膨润土防水毯施工质量相对于HDPE来说更难控制，而且如果基础存在较大不均匀沉降的话，防水毯防渗效果降低很多。因此，HDPE防渗膜和膨润土防水毯对比的话，选择HDPE防渗膜更适合本工程。

对于混凝土铺盖和黏土防渗施工，黏土防渗施工制约因素少，工艺简单，工期较短。混凝土造价较高，根据防渗要求选择厚度为 15cm，混凝土 7天后才能达到初凝时间，且抗剪能力较差，后期铺设0.5cm厚的回填土时不宜采用大型机械施工。而防渗黏土层不存在这个问题，黏土层对环境友好性更好。相对于混凝土铺盖防渗方案，黏土层防渗更有优势。

黏土用于防渗在中国已有上千年的历史，在一般工程中使用也较为普遍。在当地有合适资源时，易于施工，建设费用低，可以保持一定的渗透水量，有利于维持水质和原有的生态环境。但关键在于黏土料场的距离，是制约该方案的关键因素。

本工程人工湖水源多年流量较小，不能满足湖体日常需水量，需要从外部调水。因此，对湖体防渗要求较高。同时工程区临近临潼县城，黏土土源较远，同时大体积的土方开挖必然对附近环境造成影响，工程区附近无合适土料场。因此从料场、防渗效果方面综合考虑，采用PE土工膜防渗方式。

5 防渗设计

5.1 基础处理

根据地勘报告，本工程拟建场地属非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微），工程建筑物属于水池类构筑物，采取整片 3︰7灰土垫层处理法，灰土垫层厚度为 0.5m，灰土垫层压实系数不得小于0.97。垫层下地基进行碾压夯实处理。

5.2 防渗层结构

湖底防渗结构自下而上依次为，3︰7灰土、HDPE（高密度聚乙烯）土工膜、LLDPE土工布、10cm厚C15混凝土层。

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。因此，混凝土层之上不铺填土层。湖底采用3‰坡向，排水至湖底排空集水坑。

根据景观设计要求，边坡铺设 0.5m厚回填土，毛砌石块挡墙与边坡之间铺设 0.8m厚回填土，以种植水生植物。

5.3 HDPE土工膜及LLDPE土工布

根据 GB/T17642—2008《土工合成材料 非织造复合土工膜》及GB/T17643—1998《土工合成材料 聚乙烯土工膜》，HDPE土工膜要求物理力学参数详见表2。

为加快工程施工进度，减少搭接缝，降低渗漏，建议采用0.75mm厚，宽幅土工膜。土工膜宽度为6～8m。LLDPE土工布选用300g/m2类型产品。

表2 HDPE土工膜物理力学性能表

5.4 混凝土块及分缝

混凝土采用C15普通混凝土，厚度为10cm。混凝土块分缝类型有：纵、横向缩缝、施工缝和胀缝4种，填缝材料采用聚氯乙烯胶泥。纵横向缩缝布置于湖底及边坡处，间距分别为10m。胀缝布置于湖底、边坡及湖底相交处，毛砌石块挡墙临近湖心不覆回填土侧，间距50m。

（1）胀缝。胀缝采用从混凝土板自上而下贯通式永久缝，槽口宽度为20mm，缝内填充聚氯乙烯胶泥。施工缝结合施工具体进度进行设置，尽量与结合胀缝合并设置，做法与胀缝相同。

（2）缩缝。纵、横向缩缝采用假缝，槽口深度为 40mm，槽口宽度 5～8mm，槽内填充聚氯乙烯胶泥。

6 工程运行效果

西安临潼国家旅游休闲度假区生态谷人工湖防渗工程于2012年5月开工，同年7月竣工。现已正常运行半年，防渗效果较好，加之 2012年西安雨水较多，湖体未进行人工补水，水质较好。经过一个雨季的浸润，人工湖周边的土壤恢复到密实状况，各项指标、参数仍然在设计要求范围以内，工程设计方案满足周围景观要求，总体运行状况良好。作为临潼旅游休闲度假区三大景观湖之一，为整个度假区的观光旅游、商业开发起到促进作用，有力的促进度假区的进一步发展。

西安临潼国家旅游休闲度假区生态谷人工湖防渗方案表明：在西北湿陷性黄土地区，在做好湖体湿陷性处理后，采用土工膜防渗方式可有效减少湖体渗漏量，降低湖体补水量。其施工简单，施工工期、造价相对较低，运行管理方便，在类似人工湖防渗工程中可以推广。

1 杨丙峰. 防渗膜在人工湖防渗处理中的应用[J]. 给水排水,2005,(2)：83-84.

2 GB50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.

3 GB/T17642—2008土工合成材料 非织造复合土工膜[S].北京：中国标准出版社，2008.

4 GB/T17643—1998土工合成材料 聚乙烯土工膜[S]. 北京：中国标准出版社，1998.