哈爾濱某人工湖防滲項(xiàng)目工程中防滲材料的篩選,水利工程論文

哈爾濱某人工湖防滲項(xiàng)目工程中防滲材料的篩選,水利工程論文摘要：在我們國家，人工湖防滲材料主要采用粘土、鈉基膨潤土防水毯(Geo-syntheticClayLiner,GCL)及土工膜。文章就東北極寒地區(qū)哈爾濱市松北區(qū)某人工湖的防滲項(xiàng)目工程，對三種材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用中進(jìn)行了比擬，結(jié)合地區(qū)性氣候問題和施工周期，選擇鈉基膨潤土防水毯為人工湖的主要防滲材料?？蔀橥貐^(qū)人工湖防滲材料選擇提供參考。本文關(guān)鍵詞語:鈉基膨潤土防水毯;粘士;土工膜材料;防滲構(gòu)造;人工湖;近年來，隨著城市的發(fā)展升級(jí)，城市水環(huán)境愈發(fā)遭到重視，城市水面積占比對于城市生態(tài)和諧的促進(jìn)具有重要意義。POD形式(ParkOrientedDevelopment)成為當(dāng)下熱門的城市開發(fā)形式，該形式以城市公園等生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施為導(dǎo)向，通過依托水系、湖泊、濕地等生態(tài)景觀開發(fā)新城或社區(qū)，提升區(qū)域生活品質(zhì)和寓居環(huán)境，帶動(dòng)新城發(fā)展。人工湖作為城市環(huán)境的重要組成部分，也愈發(fā)得到垂青。因水資源的貴重與國家對于水資源節(jié)水要求的提高，對人工湖防滲的要求也越來越高，因而，研究防滲材料在不同地區(qū)、不同工況下的應(yīng)用，對于將來設(shè)計(jì)及施工的指導(dǎo)具有重要的意義。1、常用防滲材料人工湖各類防滲材料的防滲原理大體一樣，均以不透水材料隔斷人工湖漏水通道，以到達(dá)防滲的目的。人工湖較為常用防滲材料主要有黏土、膨潤土防水毯、土工膜、混凝土鋪蓋等。本文僅對粘土、膨潤土防水毯及土工膜在人工湖的應(yīng)用進(jìn)行比對。1.1、粘土由于儲(chǔ)量豐富、取材方便、工藝簡單等特點(diǎn)，粘土在我們國家有著悠久的應(yīng)用史。粘土作為常用防滲材料，具有良好的防滲性。然而，枯燥、凍融、溫度梯度和不均勻沉降等原因都有可能成為粘土防滲層產(chǎn)生裂隙的原因，進(jìn)而使其失去防滲能力。尤其在東北地區(qū)，冬季氣溫可到達(dá)-30℃,隨著土體中的水分凍結(jié)變成冰，土體發(fā)生膨脹，最終發(fā)生凍脹毀壞，造成防滲層滲漏。若工程當(dāng)?shù)鼐哂羞m宜的粘土資源，可就地取材，并在防滲抗凍要求并不高的情況下，采用壓實(shí)粘土的防滲方式方法，綜合費(fèi)用較低。1.2、膨潤土防水毯膨潤土防水毯按材料可分為鈉基膨潤土和鈣基膨潤土，本文所指GCL為鈉基膨潤土防水毯。膨潤土防水毯是通過針刺、粘接或縫合工藝將土工布和膨潤土復(fù)合在一起的一種復(fù)合防滲材料[5]。起防滲作用的是以蒙脫石為主要成份的膨潤土。膨潤土可吸附數(shù)倍于自個(gè)體積的水量，吸水膨脹至二十多倍于自個(gè)的體積。高鈉膨潤土在碰到水的情況下會(huì)構(gòu)成密度比擬高的粘稠狀膠體橫向防水層，這個(gè)防水層大約有3mm厚，它的防水性相當(dāng)于是30cm厚度粘土防水性的100倍，抗?jié)B的靜水壓能夠到達(dá)1.0MPa以上，抗?jié)B性能非常強(qiáng)，GLC的防滲性能還與單位面積含土量以及防水毯內(nèi)的膨潤土能否分布均勻密切相關(guān)。相比于水泥土防滲、混凝土防滲、膜料防滲等防滲材料不能降解和老化等問題，膨潤土防水毯具有防滲性能優(yōu)異、柔韌性好、自愈能力強(qiáng)、施工便捷和綜合造價(jià)性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型環(huán)保防滲材料，在人工湖工程中的應(yīng)用能兼顧防水防滲、密封隔離、水景生態(tài)和環(huán)保等要求[7]。GCL還具備良好的抗凍融循環(huán)的能力，但其抗干濕循環(huán)的能力較差。1.3、土工膜土工膜防滲應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)30年代，聚氯乙烯薄膜進(jìn)行游泳池防滲處理。隨著近幾十年建筑行業(yè)快速發(fā)展，土工膜防滲應(yīng)用得到了爆發(fā)性增長。常見材質(zhì)由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)等多種材質(zhì)。土工膜的防滲系數(shù)較高，化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)。其具有良好的耐熱性和耐旱性。相對密度0.918～0.965,隨著密度上升，機(jī)械性能和阻隔性能會(huì)相應(yīng)提高，耐熱和抗拉強(qiáng)度可以能更高層次。華而不實(shí)，HDPE土工膜具有較高的穩(wěn)定性，甚至在高溫下，也具有良好的耐水性。特點(diǎn)有耐老化、施工速度快、浸透系數(shù)小等，并且其具有適應(yīng)地基變形的能力，在環(huán)保、水利、市政、園林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域廣泛的進(jìn)行應(yīng)用。三種防滲材料的特點(diǎn)見表1。2、工程方案比照2.1、工程施工重難點(diǎn)粘土施工簡單、取材方便、工藝成熟，但工程量最大，土方挖方及回填量大，壓實(shí)要求相對較高。粘土材料只要在當(dāng)?shù)鼐哂羞m宜資源時(shí)，建設(shè)費(fèi)用會(huì)明顯下降，僅有少數(shù)種類的粘土能夠具有較低的浸透系數(shù)，且要求含砂比例小于25%,這種性能的粘土并非隨處可得。粘土長距離的土方運(yùn)輸也會(huì)增加工程總成本。GCL在施工經(jīng)過中無需粘結(jié)或者加熱，僅需采用膨潤土粉末、墊圈及釘子等工具進(jìn)行固定和連接。因其界面摩擦特性較好，在陡坡處進(jìn)行處理也較方便，并可保證接縫處的密封性。GCL具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，因其自愈能力，對場地平整度要求較低，便于快速施工。GCL材料施工重難點(diǎn)在于怎樣防止膨潤土水化失效及施工接駁。土工膜有著極好的防滲效果，但其對場地平整度要求極高。土工膜材料施工重難點(diǎn)為防止材料老化和防水材料接駁。與GCL的接駁施工不同，GCL為由上向下接駁，而土工膜為由下向上接駁。接駁經(jīng)過中，影響土工膜焊接質(zhì)量的主要因素是“漏焊〞、“焊縫灼傷〞和“充氣試驗(yàn)漏氣〞,工序較為復(fù)雜。本工程為人工湖工程，工程施工接駁較多，同時(shí)邊坡處施工難度大，工藝復(fù)雜。三種防滲材料中，粘土防滲的土方量最大，GCL與土工膜材料除挖方、填土、壓實(shí)外，均需進(jìn)行防護(hù)、錨固及接駁。同時(shí)，三種材料施工經(jīng)過均受天氣影響較大，華而不實(shí)GCL材料嚴(yán)禁帶水作業(yè)，防止膨潤土水化失效，GCL與土工膜材料施工時(shí)如遇雨應(yīng)及時(shí)用塑料薄膜進(jìn)行遮蓋防護(hù)。2.2、各工程材料施工周期粘土需反復(fù)壓實(shí)，壓實(shí)遍數(shù)較其他材料顯著增加，工程周期長。其他兩種防水材料的施工技術(shù)當(dāng)前已相當(dāng)成熟，施工均不需要大規(guī)模的施工機(jī)械及大量人力。相比于其他防水材料的施工周期，膨潤土防水毯的施工工期是相對較短的。采用膨潤土防水毯的防滲工程在施工完成后不需要進(jìn)行十分的檢查，如閉水試驗(yàn)等，假如在實(shí)際施工經(jīng)過中出現(xiàn)一定的缺陷也很容易進(jìn)行修補(bǔ)，節(jié)約了工程整體周期。2.3、綜合比選結(jié)果綜合以上因素，并結(jié)合哈爾濱地區(qū)冬季嚴(yán)寒時(shí)間較長的氣候特點(diǎn)，考慮假如只采用粘土防滲手段，凍融因素會(huì)導(dǎo)致裂縫，產(chǎn)生滲水，故不考慮單獨(dú)使用。對于膨潤土防水毯，由于其抗凍融性較高，在東北地區(qū)極端天氣的情況下仍能夠進(jìn)行正常的施工，且不會(huì)出現(xiàn)折斷的情況，故在本工程中著重考慮。另外由于太陽島風(fēng)景區(qū)屬于國家5A級(jí)景區(qū)，人工湖運(yùn)行期將投放魚類等水生動(dòng)植物，由于土工膜浸透系數(shù)小導(dǎo)致水體交換能力交差，人工湖的自凈能力下降；而膨潤土防水毯中的天然鈉基膨潤土不僅不含有毒成分，還含有各種生物所需的微量元素，對各種生物、生態(tài)有益無害，十分是對無處不在的微生物更不會(huì)造成不利影響[10]。綜合考量，本項(xiàng)目選擇GCL材料作為人工湖的主要防滲材料，鑒于CGL使用年限較短，僅10～20年，考慮采用黃粘土作為輔助防滲材料，黃粘土還可防止水浪沖刷、雨水淋蝕、強(qiáng)光暴曬，對GCL起到保衛(wèi)的作用。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，項(xiàng)目采用了項(xiàng)目場地鄰近一處工地的粘土，進(jìn)行了工程防滲施工。表1三種防滲材料特點(diǎn)3、太陽島人工湖防滲設(shè)計(jì)3.1、工程大概情況太陽島人工湖為哈爾濱一處景觀人工湖。面積34877m2,設(shè)計(jì)水深2.5m,平均水深1.85m,容積41852.4m3。工程地點(diǎn)距松花江1km,松花江水位對地下水位影響較大且水位較淺。工程設(shè)計(jì)水位119.0m,松花江哈爾濱警戒水位118.1m,人工湖靠已修筑取水井及泵站從松花江引水進(jìn)行補(bǔ)水。3.2、基礎(chǔ)處理該工程建筑物屬于水池類構(gòu)筑物，采取素土墊層施工方案，在處理完問題坑之后，對槽底標(biāo)高進(jìn)行控制，將沒有到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高的槽底用素土回填夯實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高處。素土墊層的厚度為0.5m,素土現(xiàn)場質(zhì)量需知足規(guī)范要求，粒徑不得大于2cm,素土墊層壓實(shí)度不得小于0.90。墊層下地基進(jìn)行碾壓夯實(shí)處理。3.3、防滲層構(gòu)造草坡入水駁岸至高程117.5m,湖底防滲構(gòu)造自下而上依次為，50cm厚素土、100mm厚砂質(zhì)土墊層、1mm厚天然鈉基膨潤土防水毯、100mm厚砂質(zhì)土墊層、300mm厚黃黏土分層壓實(shí)處理、300mm厚種植土，該構(gòu)造根據(jù)景觀設(shè)計(jì)需要位置敷設(shè)300mm厚種植土以種植水生植物。該防滲層構(gòu)造具有環(huán)境友好性，人工湖運(yùn)行后期將投放魚類等水生動(dòng)物，該構(gòu)造有助于水質(zhì)的保持及生物多樣性的穩(wěn)定，如此圖1所示。對于臺(tái)階駁岸，湖底防滲構(gòu)造自下而上依次為，50cm厚素土、100mm厚砂質(zhì)土墊層、1mm厚天然鈉基膨潤土防水毯、500mm厚黃黏土分層壓實(shí)處理。對于湖底較為平緩區(qū)域，根據(jù)景觀設(shè)計(jì)要求，不需種植水生作物，故不敷設(shè)種植土。湖底采用3‰坡向，排水至湖底。4、工程運(yùn)行效果本防滲工程啟動(dòng)于2021年4月，完工于同年5月。運(yùn)行至今，由于2021年降雨量較為充沛，除蒸發(fā)及植物蒸騰量外，人工湖并未進(jìn)行補(bǔ)水，水量保持較好。由于沿岸水生植物的種植，對周邊面源污染物起到一定程度的滯留及過濾作用；加之曝氣推流機(jī)及生態(tài)浮島的后期植入，水體含氧量得以增加。經(jīng)后期觀察，工程設(shè)計(jì)方案知足水量、水質(zhì)及景觀的要求，魚類在水中開場出現(xiàn)自然繁衍的情況，鴨禽類也逐步在水域附近出現(xiàn)。人工湖的水質(zhì)改善及水量的保持使得湖區(qū)生態(tài)多樣性得到了良好的改善，總體運(yùn)行情況較好。5、結(jié)束語工程實(shí)踐證明，GCL加粘土的組合形式是有效改善人工湖湖水滲漏的防滲方式，可大幅度減少湖體補(bǔ)水量，減少泵站能耗。對于有魚類投放及有生態(tài)景觀營造的人工湖，可選用具有對水體交換有利、自愈能力強(qiáng)、抗凍融性較高等特點(diǎn)的GLC作為主防滲材料，但GLC的缺點(diǎn)在于其使用年限相對較短，實(shí)際工程中，可配合壓實(shí)粘土作為防滲構(gòu)造中的組成部分，使防滲構(gòu)造層持續(xù)保持一定的使用年限，并起到保衛(wèi)GLC的作用。該GLC與壓實(shí)粘土的組合防滲方式，可在嚴(yán)寒地區(qū)的人工湖防滲工程中進(jìn)行推廣。圖1草坡入水駁岸至117.5水深線的做法以下為參考文獻(xiàn)[1]何俊,萬娟，宇壓實(shí)黏土枯燥裂隙及浸透性能研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2020,20(3):397-402.[2]胡洋膨潤土改性及其對水泥基材料浸透性的影響[D]西南科技大學(xué),2022.[3]天宇膨潤土防水毯在水庫防滲工程中的應(yīng)用[J.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2021(7):121-123.[4]向群鈉基膨潤土防水毯在人工湖生態(tài)景觀防滲工程中的應(yīng)用[J].