沣河河道柔性防护防渗技术研究

潘文学，薛晨亮，杨 艳，孙淑侠

（陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018）

西咸新区沣河入渭口段综合治理工程位于西咸新区能源金贸区内，综合治理工程按照宽河低堤、大槽阔滩、广水景致的治理思路打造城市生态河，沣河的治理不仅仅是解决防洪问题，更重要的是营造一条人水和谐、生态良好、景观丰富的城中河。水面工程在不影响防洪工程的基础上，结合景观布局采用两侧漫滩为滨河生态园加中部主河槽蓄水的总体布局方案，修建沣河入渭口液压钢坝，坝高3.8 m，坝长96 m，回水长度2.3 km，蓄水区水面宽80 m～150 m，形成水面面积61.8万m2，蓄水量为185万m3。本文结合工程实际情况，对工程的河底防渗防护处理方案进行探析。

1 概述

根据调查和现有的地质资料，现状河道水位与两岸地下水的关系为，河道水位高于两岸的地下水位，这就使得河道水需要对两岸的地下水补给，当液压坝修建蓄水后，河道水位同样高于两岸的地下水位，这种情况对河道拟建的液压坝蓄水产生了极为不利的影响。

根据本次勘察结果，蓄水区主要以弱透水的粉质粘土，强透水性砂层构成。根据蓄水区钻孔揭示，漫滩表层的粉质粘土层层位较高，分布不连续；下部的粉质粘土层具有弱透水性，沿河流方向基本连续，但横向连续性较差，故该两层粘性土均不能作为蓄水区相对隔水层。蓄水区地层大部分地段以砂层为主，具强透水性，故分析认为天然蓄水区底部无相对隔水层。蓄水区地层渗透特性见表1。

表1 蓄水区地层渗透特性表

工程蓄水区分布在河漫滩，底部隔水层分布不连续，且两岸现状地下水位低于蓄水位，故蓄水区渗漏为沿蓄水区向两岸全断面侧向渗漏。产生渗漏的通道主要为蓄水区底部的强透水性砂层。

根据勘察成果，蓄水区两岸漫滩分布有⑤层粉质粘土，其薄厚不一，垂直河床方向不连续，形成了蓄水区与底部砂层的渗流通道，故蓄水区按全断面渗漏考虑。基于以上分析，采用《水力学计算手册》推荐公式计算：

分段计算湖区湖底15 m深度内渗漏量如表2。

表2 蓄水区渗漏量计算表

由计算结果可见，蓄水区渗漏量较大，在不防渗条件下日侧向渗漏量总和为21810 m3/d。蓄水区的平均渗透系数比较大，平均约为12.6 m/d，即1.5×10-4m/s，水面工程范围内河道年渗漏损失约为796万m3，对于液压坝蓄水产生了严重的影响，是液压坝蓄水最主要的影响因素；在液压坝蓄水运行后，会使河道地下水位抬升，可能会对两岸建筑物基础产生浸没。以上计算为现状边界条件下的静态渗流计算，后期工程运行后，随着渗流场逐步变化，两岸地下水位将有所抬升，渗漏量会呈逐渐减小趋势，但蓄水区渗漏量仍偏大，建议采取防渗措施。

针对实际情况，为了解决蓄水区严重的渗漏问题，需对蓄水区采取一定的防渗处理措施以满足液压坝的蓄水要求。因此需要对蓄水区底部、坝基、两岸护坡进行防渗设计。

2 背景技术

近年来结合新时代柔性治水新思路，各地河道综合治理工程方兴未艾，按照尊重自然、顺应自然、保护自然的理念，河道治理更加注重生态性。传统的河道防渗往往是首先在满足河道防洪、排涝、蓄水等功能的前提下，着重于河道的浆砌块石或混凝土、复合土工膜等材料进行防渗防护设计，很少去考虑河道与周边历史环境、社会环境、生态环境及人文环境的统一，以至于城市河道渠化严重，造成地下水无法交换，许多动植物无处安身栖息，水生动物没有地方修筑巢穴，两栖动物无法上岸觅食、产卵繁衍，给他们的生存繁衍造成很大困难，不少地方只考虑河道的防洪作用，片面强调河岸硬化，割裂了土壤与水体的关系，使水系与土地及其生物环境相分离，破环了自然河流的生物链，破坏了生态环境，使得治理后的河道与周围的环境不相协调，而且河道的环境条件模式化，并使生物种类单一化或使水生动物频临灭绝，由此带来的环境问题也相当严重。

3 防渗防护方案

格宾、水泥土加膨润土防水毯的新型柔性防渗、防护技术是一种新型水利防渗防护专利技术方案，解决了现有防渗防护技术中存在的隔绝土壤与水体、破坏自然河流生物链和生态环境等问题。

3.1 防渗方案比较

国内外蓄水区底部防渗处理大多采用水平防渗，一般采用以下几种防渗方案。

3.1.1 水平全断面土工膜防渗

在蓄水区范围全部铺上一层土工膜，在土工膜的上部铺设一层1 m厚的细沙防护层，在土工膜的底部铺设一层15 cm的细粒土垫层以保证土工膜的强度和抗老化能力。

3.1.2 全断面砂壤土防渗

砂壤土的平均渗透系数约为k=0.97×10-5cm/s，换算为0.0083 m/d考虑施工工艺的不均匀性，对整个区域进行全断面铺设1m厚的砂壤土，在理想状态下，河道的渗漏损失明显降低。

3.1.3 库底铺设膜袋砼防渗

在蓄水区范围全部铺膜袋砼，在土工膜的底部铺设一层15 cm的细粒土垫层以保证土工膜的强度和抗老化能力。

3.1.4 垂直防渗措施

采用混凝土防渗墙将全部透水层截断，是比较有效的防渗措施，在液压坝附近的河床横断面处布置混凝土防渗墙，横贯整个河床并延伸到两岸。

3.1.5 库底铺设水泥土方案

对整个区域进行全断面铺设0.5 m厚的8%水泥土，土料可利用河道开挖土，水泥土的渗透系数至少小于河床材料的100倍，按照粉质黏土的渗透系数取值约为k=9.7×10-5cm/s，换算为0.084 m/d，在理想状态下，与方案二相同，蓄水区渗漏损失明显降低。

3.1.6 水泥土、防水毯加格宾方案

河底防渗初步采用膨润土防水毯加0.3 m格宾间隔的方式（30 m宽防水毯（上铺筑0.3 m厚水泥土）+2 m宽格宾）防渗。

膨润土防水毯（GCL）是一种专门用于人工湖泊水景、地下水库、水池等防渗的土工合成材料。膨润土的矿物学名称为蒙脱石，膨润土具有遇水膨胀的特性。膨润土防水毯具有永久防水性、密实性、施工简便，不受气温影响及良好的环保性能。

最后从投资、防渗效果及对河道地下水位影响三方面综合比较，在本工程中，结合地质条件，无连续相对不透水层，不宜设置垂直防渗；全断面土工膜防渗，有可能影响河道周边地下水互补关系，对周边环境有较大影响；全断面砂壤土防渗，该段工程中可能并无壤土层分布，会造成壤土运距较大，投资较高，但该方案对周围环境基本不会产生影响；库底铺设水泥土+膨润土防水毯方案，可充分利用现状开挖土料，降低投资。综合比较，本次推荐采用库底铺设8%水泥土+膨润土防水毯防渗方案。具体方案比较见表3。

表3 蓄水区底部防渗处理方案比较

3.2 新型技术方案

为减小蓄水区的渗漏，满足水面工程蓄水量的要求，结合地质资料，对蓄水区底部进行防渗处理。本次经投资、防渗效果和河道对两岸地下水的影响综合比较，发明了蓄水区底部铺设8%水泥土+膨润土防水毯方案，在蓄水区库底范围全部铺上30 cm厚的水泥土，下铺膨润土防水毯，可充分利用现状开挖土料，降低投资。在进行施工时，需要先对整个河道进行整平，整平时可以回填河道周围的砂土等，将河道整平至护坡底部高程。

新型防渗防护材料是生态的。低渗透性的防渗防护材料增加了河流水体与地下水的互换互补，由于水体的交换，水体富氧离子增加，水系与土地及其生物环境相融合，恢复了自然河流的生物链，改善了生态环境，使得治理后的河道与周围的环境非常协调。

3.3 防渗防护方案的施工技术分析

下面结合图1和图2和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

图1 是河底防渗防护横断面图

图2 是河底防渗防护与边坡结合图

图1 为格宾、水泥土加膨润土防水毯的新型防渗、防护技术的核心断面布置图。第一步：在进行施工时，需要先清除河底淤泥及杂质，对软弱地层进行砂壤土换填，至河底承载力达到100 kN/m3，能够使人员正常行走，然后将整个河道进行整平，整平时可以回填河道周围的砂土，河底整平至开挖高程。第二步：在蓄水区底部铺设单位面积质量5 g/m2的膨润土防水毯，为了防止水流冲刷防水毯，在膨润土防水毯上铺设水泥含量8%厚30 cm的水泥土，水泥土可充分利用现状开挖土料，降低投资。由于水泥土细颗粒含量低，渗透性强，不破坏整个防水毯渗透系数。每间隔30 m设置一道30 cm厚的格宾主要起到防止水泥土热冻伸缩引起变形破坏的作用。

图2为格宾、水泥土加膨润土防水毯的新型防渗、防护技术与边坡衔接的断面图。河底依然采用格宾、水泥土加膨润土防水毯的型式，边坡的防渗体要与河底防渗相互粘结或搭接，使整个河道形成完整封闭的防渗体系。

河底防渗主要考虑利用现状河滩的土料，河滩大多数为粗砂和砂土，15%含量的水泥土渗透系数勉强达1×10-4，防渗效果不明显。本技术在水泥土下增设防水毯，水泥土主要为抑制地下水扬压力防止防水毯上扬，又不破坏防水毯与地下水的交换作用。

4 结语

本文结合西咸新区沣河水面景观工程实际情况，通过对几种防渗防护材料从技术性能、环保性能、施工工艺、结构设计等方面的分析比较，提出了一种新型的防渗防护材料方案，经过工程建成后近几年的运行情况看，该材料具有适应力学性能优良、变形能力强、材料造价低等优点，有效的解决了该河道传统防渗技术材料防渗面易断裂、不生态、造价高，工程建成渗漏损失大等缺点。在工程实际应用推广过程中，可就地取材，材料生态环保，工艺相对简单，施工效率较高，取得良好的效果。