哈爾濱某人工湖防滲項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)某人工湖的防滲項目工程，對三種材料在實際工程中的應用中進行了比擬，結合地區(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。本文關鍵詞語:鈉基膨潤土防水毯;粘士;土工膜材料;防滲構造;人工湖;近年來，隨著城市的發(fā)展升級，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)和諧的促進具有重要意義。POD形式(ParkOrientedDevelopment)成為當下熱門的城市開發(fā)形式，該形式以城市公園等生態(tài)基礎設施為導向，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)、不同工況下的應用，對于將來設計及施工的指導具有重要的意義。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用進行比對。1.1、粘土由于儲量豐富、取材方便、工藝簡單等特點，粘土在我們國家有著悠久的應用史。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，進而使其失去防滲能力。尤其在東北地區(qū)，冬季氣溫可到達-30℃,隨著土體中的水分凍結變成冰，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?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，采用壓實粘土的防滲方式方法，綜合費用較低。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合在一起的一種復合防滲材料[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)倍于自個體積的水量，吸水膨脹至二十多倍于自個的體積。高鈉膨潤土在碰到水的情況下會構成密度比擬高的粘稠狀膠體橫向防水層，這個防水層大約有3mm厚，它的防水性相當于是30cm厚度粘土防水性的100倍，抗?jié)B的靜水壓能夠到達1.0MPa以上，抗?jié)B性能非常強，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。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、施工便捷和綜合造價性價比高等優(yōu)點，作為一種新型環(huán)保防滲材料，在人工湖工程中的應用能兼顧防水防滲、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用可追溯至20世紀30年代，聚氯乙烯薄膜進行游泳池防滲處理。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，化學穩(wěn)定性較強。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，機械性能和阻隔性能會相應提高，耐熱和抗拉強度可以能更高層次。華而不實，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。特點有耐老化、施工速度快、浸透系數(shù)小等，并且其具有適應地基變形的能力，在環(huán)保、水利、市政、園林、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領域廣泛的進行應用。三種防滲材料的特點見表1。2、工程方案比照2.1、工程施工重難點粘土施工簡單、取材方便、工藝成熟，但工程量最大，土方挖方及回填量大，壓實要求相對較高。粘土材料只要在當?shù)鼐哂羞m宜資源時，建設費用會明顯下降，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輸也會增加工程總成本。GCL在施工經(jīng)過中無需粘結或者加熱，僅需采用膨潤土粉末、墊圈及釘子等工具進行固定和連接。因其界面摩擦特性較好，在陡坡處進行處理也較方便，并可保證接縫處的密封性。GCL具備較強的適應性，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“充氣試驗漏氣〞,工序較為復雜。本工程為人工湖工程，工程施工接駁較多，同時邊坡處施工難度大，工藝復雜。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、壓實外，均需進行防護、錨固及接駁。同時，三種材料施工經(jīng)過均受天氣影響較大，華而不實GCL材料嚴禁帶水作業(yè)，防止膨潤土水化失效，GCL與土工膜材料施工時如遇雨應及時用塑料薄膜進行遮蓋防護。2.2、各工程材料施工周期粘土需反復壓實，壓實遍數(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當前已相當成熟，施工均不需要大規(guī)模的施工機械及大量人力。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行十分的檢查，如閉水試驗等，假如在實際施工經(jīng)過中出現(xiàn)一定的缺陷也很容易進行修補，節(jié)約了工程整體周期。2.3、綜合比選結果綜合以上因素，并結合哈爾濱地區(qū)冬季嚴寒時間較長的氣候特點，考慮假如只采用粘土防滲手段，凍融因素會導致裂縫，產(chǎn)生滲水，故不考慮單獨使用。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行正常的施工，且不會出現(xiàn)折斷的情況，故在本工程中著重考慮。另外由于太陽島風景區(qū)屬于國家5A級景區(qū)，人工湖運行期將投放魚類等水生動植物，由于土工膜浸透系數(shù)小導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造成不利影響[10]。綜合考量，本項目選擇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、強光暴曬，對GCL起到保衛(wèi)的作用。結合現(xiàn)場實際，項目采用了項目場地鄰近一處工地的粘土，進行了工程防滲施工。表1三種防滲材料特點3、太陽島人工湖防滲設計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,設計水深2.5m,平均水深1.85m,容積41852.4m3。工程地點距松花江1km,松花江水位對地下水位影響較大且水位較淺。工程設計水位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行補水。3.2、基礎處理該工程建筑物屬于水池類構筑物，采取素土墊層施工方案，在處理完問題坑之后，對槽底標高進行控制，將沒有到達設計標高的槽底用素土回填夯實至設計標高處。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,素土墊層壓實度不得小于0.90。墊層下地基進行碾壓夯實處理。3.3、防滲層構造草坡入水駁岸至高程117.5m,湖底防滲構造自下而上依次為，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厚黃黏土分層壓實處理、300mm厚種植土，該構造根據(jù)景觀設計需要位置敷設300mm厚種植土以種植水生植物。該防滲層構造具有環(huán)境友好性，人工湖運行后期將投放魚類等水生動物，該構造有助于水質(zhì)的保持及生物多樣性的穩(wěn)定，如此圖1所示。對于臺階駁岸，湖底防滲構造自下而上依次為，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厚黃黏土分層壓實處理。對于湖底較為平緩區(qū)域，根據(jù)景觀設計要求，不需種植水生作物，故不敷設種植土。湖底采用3‰坡向，排水至湖底。4、工程運行效果本防滲工程啟動于2021年4月，完工于同年5月。運行至今，由于2021年降雨量較為充沛，除蒸發(fā)及植物蒸騰量外，人工湖并未進行補水，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，工程設計方案知足水量、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，總體運行情況較好。5、結束語工程實踐證明，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、抗凍融性較高等特點的GLC作為主防滲材料，但GLC的缺點在于其使用年限相對較短，實際工程中，可配合壓實粘土作為防滲構造中的組成部分，使防滲構造層持續(xù)保持一定的使用年限，并起到保衛(wèi)GLC的作用。該GLC與壓實粘土的組合防滲方式，可在嚴寒地區(qū)的人工湖防滲工程中進行推廣。圖1草坡入水駁岸至117.5水深線的做法以下為參考文獻[1]何俊,萬娟，宇壓實黏土枯燥裂隙及浸透性能研究[J].工程地質(zhì)學報,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,2022.[3]天宇膨潤土防水毯在水庫防滲工程中的應用[J.水利規(guī)劃與設計,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用[J].