忻州市南云中河蓄水工程防渗方案分析

□周鸿彬（山西省水利水电勘测设计研究院）

1 概述

南云中河位于山西中北部的忻州市境内，全长36.50 km，流域面积317 km2，河道宽为80～120 m，为海河流域滹沱河支流。本次南云中河治理段为三、四干渠首～河拱村段，位于忻州市城区北侧，治理长度为4.70 km。治理范围内河道现状常年无水，由于挖沙破坏，河道内沙坑密布。根据河道现状等情况，蓄水段为治理段的下游3.90 km，河道蓄水宽度为80～125 m。根据河道纵坡蓄水段共设橡胶坝5座，将形成40.29万m2的水面，总蓄水量为60.35万m3水体。

2 河道防渗的必要性

由于蓄水池底部为砂层，透水性强，并且两岸及河底地下水为较深，蓄水池蓄水后，会有严重的渗漏，造成河道达不到设计蓄水效果，或由于补水大大增加工程运行成本。同时由于河道的渗漏，蓄水后的河道地下水位水位抬升，抬升后对两岸的浸没影响较为严重，必须采取防渗措施。针对治理段河道特点，可采用的防渗形式有水平防渗、垂直防渗、垂直防渗与水平防渗相结合三种形式。

3 防渗方案分析

以下根据河道现状条件对采用各种防渗形式时的结构形式，并从工程投资、运行费用、施工难易、对水环境的影响等方面，对各方案进行了比分析。

3.1 垂直防渗

垂直防渗即采用深层搅拌、高压注浆或塑性混凝土墙等施工工艺，形成上部高出蓄水位下部与相对不透水层连接的竖向防渗墙体，解决河道渗漏问题。

根据地质勘探报告中库区地层揭露：存在“中更新统洪冲积物(Q2pal)，埋深13.40～14.70 m，本次看勘察未见底。岩性为低液限粘土，呈褐色、褐黄色，局部褐红色，含云母、煤屑、氧化铁、钙质结核等。可塑，中压缩性。”若采用垂直防渗方案，该层土可作为相对隔水层。

根据相对隔水层的深度、隔水层深度范围内的地层特点，本垂直防渗方案采用多轴搅拌水泥土地连墙施工工艺。根据城区段已建工程防渗墙设计的经验，防渗墙底高程伸至隔水层内0.50 m，但以不穿透隔水层厚度为前提。防渗墙顶高出设计蓄水位0.30 m。当需设置防渗墙连接段或施工空间不足时，采用高压旋喷施工工艺。

3.1.1 防渗墙厚度的确定

水泥土地连墙厚度取决于防渗水头差，防渗墙厚度按下式计算确定。

式中：S——最小防渗墙厚度（m）；

△H——防渗墙两侧的水头差（m）；

[J]——设计允许坡降，取破坏比降的0.33～0.50；

ηj——施工垂直度控制偏差，取0.80。经计算，水泥土地连墙厚度确定为20cm。

3.1.2 施工技术参数

水泥土地连墙墙体固化材料采用普通硅酸盐水泥，根据工程经验，结合本工程的地层特点，墙体抗压强度≥0.5 MPa，压缩模量≤1000 MPa，渗透系数≤A×10-6cm/s（1＜A＜10），桩间搭接长度按15 cm控制，钻具垂直精度≤1/200。成墙后要求墙体完整连续，满足防渗要求，允许比降≥50。施工工艺参数最终根据现场试验确定。

3.1.3 工程投资

工程若采用垂直防渗形式，需在河道左右岸设置纵向防渗墙，橡胶坝铺盖上端设置横向防渗墙，使每个蓄水池均为完整的防渗体系。该防渗形式的主要工程量为：水泥土地连墙成墙124982 m2，高压旋喷成墙650 m2，工程直接投资约为1636万元。

3.1.4 垂直防渗方案优缺点分析

根据河道地形地质条件，垂直防渗的施工工艺特点，其优缺点分析如下：

优点：①本次治理段河道内无跨河管线，垂直防渗的施工干扰少，受河道清淤、洪水冲刷等损坏的机率小；②施工采用多轴搅拌工艺，墙体整体性好，施工缺陷少；③与水平防渗方案相比，工程投资少；④利于包括土体的蓄水池防渗范围内的水土交换，从区域生态环境考虑，对水的自然循环、净化及区域水资源平衡有利；⑤垂直防渗对河道内地形条件需求较小，可对河道内现状沙坑不进行回填，可节省部分工程投资。

缺点：①防渗墙为隐蔽工程，质量控制难度大；②本工程3～5#蓄水池相对不透水层上方为砂层，埋深基本＞15 m，遇埋深较大砂层时钻孔机具扭矩过大，多头搅拌施工困难，需要改为旋喷桩，增加成本；③当施工时孔位斜率偏差≤0.5%，墙体在深度＞12 m时，防渗墙成墙厚度可能达不到设计要求，墙体的完整性可能被破坏，造成渗漏；④成墙材料的渗透系数与水平防渗的系数相比，垂直防渗的渗漏量较大；⑤不利于大面积作业，工期较长。

3.2 水平防渗

水平防渗是采用复合土工膜、粘土铺盖或膨润土防水毯等防渗材料，铺设在整个河槽，形成防渗层，并在防渗层上覆盖混凝土板、水工生态砖或格宾石笼等防冲层的防渗措施。

本工程采用材料价格较低的复合土工膜作为水平防渗方案材料。复合土工膜采用两布一膜，规格为750 g/m2，土工膜厚度≥0.35 mm。

3.2.1 防渗结构设计

根据要求，复合土工膜需埋置于冻土及河道冲刷深度以下，河道采用格宾石笼网格对河道进行防护处理，因此复合土工膜埋深0.80 m，复合土工膜上部采用0.10 m的粗砂保护层。河床土工膜的防冲结构采用断面尺寸0.50 m×1.00 m的格宾石笼网格，间距3.0 0m，形成3 m×3 m网格，净空2 m×2 m的网格内回填土。堤防防冲仍采用0.30 m厚格宾石笼，复合土工膜上0.20 m厚粗砂保护层。防渗结构详见图1、2。

图1 水平防渗剖面示意图

图2 水平防渗河底防护图

3.2.2 工程投资估算

若采用水平防渗，为保护复合土工膜，对全河床进行格宾石笼网格防护，涉及主要工程量为：复合土工膜46.10万m2，格宾石笼10.80万m3，粗砂4.70万m3，土方回填14.90万m3，土方开挖28.30万m3，基础碾压47万m2，工程直接投资为6670.90万元。

3.2.3 优缺点分析

优点：①防渗材料的渗透系数为1×10-11，防渗效果可靠、渗漏损失小；②工程在防渗材料河床满铺，可以大面积施工，施工方便；③相对于垂直防渗，材料与施质量工易于控制，防渗效果能够得到保证。

缺点：①材料为厚度0.35 mm的土工膜，比较脆弱，在施工过程中容易被尖锐物质破坏；②河道冲刷的存在，在河床底部大面积铺设的情况下，需要大面积采用防冲设置，大量的增加了工程投资；③割断了水池水体与河床以下的的水土联系，两者之间的微生物交换也被隔断，同时限制了水生植物的生长，削弱了河道的自净能力，蓄水水质较差；④河道蓄水末端水深较小（或河道内蓄水、补水不及时），河床植物生长较为茂盛，可能有根系较深的柳树等灌木的，灌木发达的根系向下穿透复合土工膜，造成河道的渗漏。如以上种情况，需加强管护措施，限制河道内植物的生长，杜绝根系对防渗设施破坏，增加了管护难度和运管费用；⑤河道内由于挖沙破坏，沙坑较多，水平防渗河道底部需进行平整，增加了工程的需土量；同时填方基础会产生固结沉降，基础变形，会撕拉复合土工膜，造成破坏，形成渗漏，因此水平防渗方案对底回填要求比较严格。

表1 防渗墙深度统计表

3.3 垂直水平相结合的方案

河道采用垂直防渗方案时，防渗墙深度向下游逐渐加深，各蓄水池防渗墙深度统计详见下表。当防渗墙深度＞12 m时防渗墙墙体厚度有可能不满足设计要求，由统计表可知1#、2#蓄水池防渗墙平均深度＜15 m，大部分深度均＜12 m。3#～5#蓄水池防渗墙深度均＞15 m，且大部分部位有一层粗砂层，埋深较深，施工难度较大。综合考虑以上因素，对根据防渗墙深度不同，选用不同的防渗形式，1#、2#蓄水池采用垂直防渗形式，3#～5#蓄水池采用水平防渗形式。

3.3.1 防渗结构设计

垂直防渗采用水泥土地连墙施工工艺；水平防渗采用复合土工膜作为防渗材料，采用格宾石笼网格防冲。

3.3.2 工程投资估算

采用垂直与水平相结合方案，涉及主要工程量为：水泥土地连墙成墙31760 m2，高压旋喷成墙200 m2，复合土工膜33.06万m2，格宾石笼8.12万m3，粗砂3.31万m3，土方回填9.10万m3，土方开挖17.00万m3，基础碾压29.20万m2，工程直接投资为5217.30万元。

3.3.3 优缺点分析

本方案为垂直防渗方案与水平防渗方案相结合，其优点为解决了垂直防渗方案在深度较大施工质量难以控制，施工难度增加的问题，使防渗方案得到优化。缺点为水平防渗所遇到的问题仍在存在，比如与后续跨河建筑物的交叉问题、植物根系破坏防渗结构问题，管护难度仍然很大，工程投资仍然较大。

4 结论

通过对以上三种方案的分析，水平防渗方案工程投资最大，垂直水平相结合的方案较水平防渗方案投资较小，垂直防渗方案投资最小。然而各方案在某些方面均由其不足之处，选哪种方案均不尽完美。因此本次河道蓄水防渗方案采用投资最小的垂直防渗方案。建议业主单位将防渗工程设为专门标段进行招标，由专业施工水平较高，设备较先进的企业施工；施工单位改良多头搅拌的施工工艺，改善墙深＞15 m机具扭矩不足的情况、减小施工时孔位斜率偏差，使墙体参数满足设计要求。