水环境治理中调蓄池的防渗方案设计

2022-07-18李振虎

水科学与工程技术 2022年3期

李振虎

（河南省资源环境调查三院，郑州 450000）

引黄调蓄是应对水资源短缺的重要路径，由于黄河水资源时空分布不均，针对引黄过程与农业需水过程不匹配，通过建设具有一定调蓄能力的蓄水工程，相机引水，适时存放，非灌溉期丰水季节引黄蓄水，枯水季节灌溉期放水灌溉，已经成为应对水资源短缺的重要路径。本次主要探讨调蓄池的防渗工程设计，防渗工程是调蓄池成池的最关键环节。针对该调蓄池所在地的工程地质条件及该工程的规模，此次设计采用水泥搅拌防渗墙垂直防渗方案。工程实施后，能有效地控制池体渗漏量，可蓄水成池，且施工便利，相对造价较低。

1 工程概况

新乡市获嘉县水资源现状可利用量为13444万m3，人均水资源占有量310m3，是全国平均水平的1/7，是全省人均水资源占有量440m3的3/4，低于全地市人均水资源占有量320m3的水平，属严重缺水地区。水资源短缺问题已经成为制约新乡市获嘉县社会经济发展的瓶颈。

根据此地区调蓄工程总体规划需修建调蓄池，本次调蓄池采用人工开挖而成，经兴利计算，调蓄池正常蓄水位为76.00m。工程区地势平坦，经后期回填整平后，地面高程均在77.40m以上，平均水深5.2m，最大水深5.5m，正常蓄水位相应水域面积39.34万m2，对应水体体积为205万m3，调节库容147.74万m3，湖周护岸型式采用人工护岸进行防护，长度为2.5km。

2 工程地质条件

在深度范围内，本次工程区内的地层岩性主要为第四系全新统冲积物（Q4al），地质结构属于黏性土均一结构和黏砂多层结构，据钻孔揭露，按成因类型、岩性、物理、力学性质及工程地质特性的差异，可分为5个主层：①层砂壤土。渗透系数平均值5.70×10-4cm/s，具中等透水性。局部相变为轻粉质壤土，渗透系数为1.30×10-4cm/s，具中等透水性。②层粉砂。湿～饱和，松散～稍密，具中等透水性。③层轻粉质壤土，渗透系数平均值2.80×10-4cm/s，具中等透水性。局部相变为砂壤土，渗透系数平均值3.80×10-4cm/s，具中等透水性。④层重粉质壤土，渗透系数平均值1.60×10-5cm/s，具弱透水性。⑤层重粉质壤土，渗透系数平均为5.60×10-6cm/s，具弱透水性。

3 渗流分析

3.1 渗流计算及基本资料

计算方法采用二维有限元方法，采用autobank5.6软件进行计算分析。工程区勘探深度范围内地下水类型主要为第四系孔隙潜水，主要赋存于轻粉质壤土、粉细砂层中。地下水受大气降水、侧向径流和灌溉入渗补给，排泄为蒸发、侧向径流和人工开采，地下水动态变化类型为降雨入渗～蒸发、开采型，主要表现为开采、蒸发水位下降，降雨入渗补给水位上升的动态规律。

勘察期间，通过对场区水井调查，水井深度一般为40～60m，井水位深4.0～5.1m，井水位高程72.44～73.72m。井水位属于混合水位，井水位高程多低于钻孔水位高程。由于调蓄池周边附近今后将面临大规模工程建设，类似工程资料表明工程建设对地下水位的影响显著，经综合考虑，取现状地下水位71.24m及相应水位有无防渗措施两种工况进行渗流计算。

计算工况：

工况1：无防渗措施，调蓄池水位76.00m，地下水位71.24m。

工况2：有防渗措施，调蓄池水位76.00m，地下水位71.24m。

3.2 计算成果分析

各工况渗流计算数学模型如图1～图2。

图1 工况1渗流量计算数学模型

图2 工况2渗流量计算数学模型

3.2.1 无防渗措施渗流量计算

调蓄池若不采用任何防渗措施，成池水面高程76.00m，则每年调蓄池总渗漏量12.58万m3/a，渗漏量较大，约占调蓄池总库容的6.14%。从长远考虑调蓄池必须采取一定的防渗措施。

3.2.2 有防渗措施渗流量计算

当采用垂直防渗时，池周渗透系数为1×10-6cm/s，池底相对不透水层③重粉质壤土的渗透系数为6.21×10-5cm/s，渗流量降低为5.12万m3/a。

4 工程防渗的必要性

根据此地区地质勘测结果，调蓄池周边勘测期地下水埋深1.9～3.1m，地下水位高程为74.40～75.49m，地下水年变幅一般为2.0～4.5m，取地下水位值为71.24m。此地区入境水量极少，相关资料显示，本区目前工农业用水主要为地下水，主要用水区域地下水位漏斗面积逐年扩大，调蓄工程运行后渗漏会补给地下水，抬高地下水位，改变目前区域的地下水生态环境。随着城市工业及生活用水的不断增加，区域内地下水环境将在持续抽取用水条件下继续恶化，也需要一定渗漏补给来改善地下水环境，因此适度渗漏是有益的。

但从区域地层结构来看，如不进行防渗处理，调蓄池蓄水后渗漏量将较大。边坡岩性主要由重粉质壤土层、轻粉质壤土和中粉质壤土组成；池底板地层为重粉质壤土，渗透系数为5.60×10-6cm/s，具弱透水性。其中第③层轻粉质壤土渗透系数分别为2.80～3.80×10-4cm/s，属中等透水性。调蓄池蓄水位76.00m，地下水位71.24m，地下水水位低于调蓄池正常蓄水位，存在池水渗漏问题。

结合渗流计算分析研究，如不采取任何防渗措施，调蓄池在正常蓄水位下，渗漏量12.58万m3/a，占调蓄池总库容的6.14%，且随着城市的发展及附近高层建筑的施工，根据国内相关工程经验，地下水位也会明显下降，渗漏量也会加大。根据规划，调蓄池每年从黄河引水量有限，如此大的渗漏量将难以成池，对调蓄工程运行有较大影响，因此必须进行工程防渗处理。

5 防渗方案的选择

根据地勘成果，本区引黄灌溉调蓄工程范围内的轻粉质壤土具有中等透水性，如果不做好工程防渗，调蓄池很难蓄水，因此，防渗工程是该工程建设成败的关键，根据此地区的地质条件，选用水平防渗及垂直防渗两种防渗方案进行了比较。

5.1 方案1：水平防渗方案

在蓄水池岸坡设一道水平防渗铺盖，作为防渗措施，总面积约1.98万m2。

5.2 方案2：垂直防渗方案

根据调蓄池总体布置情况，调蓄池周边采用垂直防渗，防渗墙基本沿水域岸边布设，将蓄水池包络其中，防渗墙总长度为2.5km，平均深度5.2m。

5.3 施工方案对比

5.3.1 方案1：水平防渗方案

此方案是水利工程中常用的防渗处理措施。

优点：防渗材料直接铺于湖底，根据本工程特点，宜干地施工，施工工艺简单，且对地层的变形适应性好。

缺点：水平防渗铺盖面积大，容易被破坏；由于施工期地下水位较高，如采用干法施工，临时抽排措施投入较大，且不利于控制施工工期。

5.3.2 方案2：垂直防渗方案

此方案是根据本工程特点而采取的一种综合防渗方案。

优点：可通过调整垂直防渗墙深度、厚度及材料配合比，控制其渗流性能，进一步控制调蓄工程的总渗流量。在湖底开挖时可根据具体情况，结合湖底的土层情况，对湖底形态进行调整，没有施工工艺上的限制，后期运行管理过程中进行湖底清淤时不会影响防渗工程的正常使用，具有可操作性。且湖底可不用铺垫，可充分利用包气带土层中微生物对污染物的吸附、降解作用，从而实现对调蓄池水质的自然净化。该方案可实施后，可减少土方开挖的临时排水措施费，减轻施工难度，并有效减少施工工期。

缺点：防渗墙线路较长，技术难度相对较高。

目前，垂直防渗方法较多，根据此地区工程的特点，结合国内一些垂直防渗工程的成功经验，根据成墙方式不同，可选用以下几种方案。

5.3.2.1 多头小直径水泥深层搅拌成墙防渗

多头小直径水泥深层搅拌成墙防渗是利用深层搅拌机械在一定的土层内搅拌，就地将土体与输入的水泥等固化剂强制充分拌和，使固化剂与土体产生一系列的物理—化学变化而凝结成墙体达到防渗目的。适用于淤泥质黏土、粉黏土、壤土及砂性土的砂土、粉细砂层及砂壤土，该防渗方法施工简便、快捷，不需开槽或造孔，不需泥浆护壁，造价较低。搅拌桩成墙深度可达10～14m，成墙厚度100～400mm，保证施工要求的搭接长度，墙体厚度能满足防渗要求。

5.3.2.2 高压喷浆成墙防渗

高压喷射灌浆是利用钻机造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，以高压把浆液从喷嘴中喷射出来，利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或混合浆形成凝结体，达到防渗目的。高压喷射灌浆适用于粉土、砂土、砾石及卵石地层，处理深度可达80m左右。

5.3.2.3 置换成墙防渗

置换成墙防渗是将一定深度内的被置换的土体挖除成槽，再填筑或铺设混凝土（或塑性混凝土、土工膜）等防渗墙体材料，并连接成整体的防渗墙。该技术根据成槽施工机械的不同，可适用各种土层，成墙深度在20～100m之间。

以上几种方案均为应用较广、防渗效果较好、技术比较成熟的垂直防渗措施。1998年，长江特大洪水之后，以上垂直防渗方案均在长江大堤上得到应用，多年来，经过多次洪水考验，均取得了较好的防渗效果。这些垂直防渗工程完成后，对控制长江重要堤防在多变的河势与洪水影响下起到有效的截渗和堤防安全稳定作用。

多头小直径水泥深层搅拌成墙法和高压喷射成墙法具有施工简单、不需开槽、造价低、速度快等特点。这两种防渗技术的成墙材料为输入的水泥浆与土的凝结体。

根据本调蓄池工程库区的地层特点，结合二维近似模拟渗透计算成果，此地区引黄调蓄工程调蓄池要求防渗墙平均成墙深度约5.2m。多头小直径水泥深层搅拌成墙法和挤压注浆成墙法的最大造墙深度在25m以内，高压喷浆成墙法最大成墙深度可达80m，置换成墙法成墙深度在20～100m。在成墙深度方面，搅拌成墙法、挤压成墙法的成墙深度及高压喷浆成墙法和置换成墙法的成墙深度均能满足本工程的需要；防渗效果方面，4种成墙方案均为比较成熟的防渗方案，单从防渗角度考虑，采用4种成墙防渗方案均能达到调蓄池蓄水的目的。针对本工程防渗墙处理深度平均为5.2m左右，处理土层均为砂壤土，多头小直径深层水泥搅拌防渗墙更具有施工速度快、成本低的优点，可作为本工程的防渗措施。

5.4 对比分析

从工程可靠性、工程施工、施工质量、运行管理、湖体开挖工程量及工程投资等方面对以上各方案进行比较如下：

5.4.1 工程技术可靠性

方案1是采用水平铺盖防渗，方案2采用垂直防渗。不管是采用哪种方案，只要能保证施工质量，均属技术可靠、长期安全运行有保证的方案。

5.4.2 运行管理

方案1由于采用水平防渗，因该引黄灌溉调蓄池位于新乡市获嘉县城区附近，人类活动较为频繁，大面积地使用水平防渗铺盖，运行管理较为困难；而方案2主要采用垂直防渗，防渗体埋入地下，受人类活动影响较小，运行管理较为方便。

5.4.3 开挖工程量

根据该引黄灌溉调蓄工程开挖设计，采用方案1进行水平防渗时，GCL钠基膨润土防水毯上部需铺0.5m厚的开挖土料作为保护层，因此湖体边坡开挖时，开挖护坡要比设计深度多开挖0.5m，需超挖土方量约1.69万m3。而采用方案2进行湖体防渗时，大部分湖体边坡可直接按设计高程开挖。

5.4.4 工程施工

调蓄池工程主要为土方开挖，土方开挖方式可分为干地开挖和水力开挖，工程区附近无合适洼地作为水力开挖泥浆池。

本工程区地下水位较高，干地开挖需采取降水措施或四周防渗方式解决地下水问题。垂直防渗方案不需要大规模降水，对周边的地下水影响最小，而水平防渗方案需大规模降水，且对周边地下水位影响很大。

5.4.5 工程投资

结合工程的永久防渗措施，拟定3种方案进行了投资比较，经投资估算，多钻头小直径深层水泥搅拌防渗墙投资最为节省。调蓄池主要防渗方案对比如表1。

表1 调蓄池主要防渗方案对比

6 防渗工程设计

6.1 防渗墙平面设计

水泥土搅拌桩防渗墙平面设计以工程量较省为原则，同时既要方便施工，又要满足防渗要求。根据调蓄池平面轮廓形状，本工程采用垂直防渗方案，结合水泥土搅拌桩的施工工艺，防渗墙的平面布置如下：防渗墙基本沿调蓄池库岸外缘布设，将整个调蓄池库区包络其中。库区垂直方案防渗墙平面总长度2.5km。

6.2 防渗墙深度设计

6.2.1 搅拌桩防渗墙深度设计

防渗墙的深度应经渗流计算确定，根据DL/T5425—2009《深层搅拌法技术规范》，封闭式、半封闭式防渗墙墙体应进入不透水或相对不透水层0.5～1.0m，根据此地区地质条件，水泥土搅拌桩防渗墙深度方面，采取封闭式防渗墙型式，即：防渗墙底部深入第④层重粉质壤土层不小于1.5m，通过防渗墙截断第①～③层砂壤土、轻粉质壤土主要渗漏通道。由水泥土搅拌桩防渗墙、池底的第④层重粉质壤土层共同组成一个封闭式防渗体。防渗墙最大深度6.0m，最小深度4.6m，平均深度为5.2m左右。

根据河海大学编制的《水工结构分析系统》计算程序，采用二维有限元方法对封闭式防渗墙进行渗漏量计算。经分析计算，采用封闭式防渗墙进行防渗，防渗墙渗透系数控制在1×10-6cm/s时，工程运行期每天的渗漏量约140.4m3，年渗漏量约5.12万m3/a。

6.2.2 防渗墙顶高程设计

垂直防渗墙顶部高程应等于或高于调蓄池正常蓄水位。获嘉县太山乡陈孝引黄调蓄工程正常蓄水位76.0m，防渗墙顶部高程76.5m，高出正常蓄水位0.50m。

6.2.3 垂直防渗墙厚度设计

防渗墙的厚度应满足墙壁抗渗性、耐久性和墙体应力及变形的要求，根据作用水头、水泥土材料特性、地基性状等因素确定，同时还应考虑到地质情况及施工设备等因素。

根据防渗墙破坏时的水力坡降确定墙体厚度S，计算公式如下：

式中 S为防渗墙有效墙体厚度（m）；△H为墙体两侧的水头差（m）；［J］为水泥土允许比降，可取破坏比降的1/3～1/2；ηj为系数，一般取1.1～1.4。

正常运行期，垂直防渗墙阻挡调蓄池内水外渗，设计水位76.00m，库外地下水位高程为70.69～71.78m，最大水头差5.31m。施工期，垂直防渗墙阻挡调蓄池外地下水内渗，库外地下水位高程为74.40～75.49m，调蓄池库底最低开挖高程为70.5m，最大水头差为4.99m。经计算，正常运行期S=0.12m；施工期S=0.09m。

根据规范水泥土防渗墙最小厚度不宜小于150mm。另根据多头小直径深层搅拌桩机施工设备，此工程水泥土搅拌桩防渗墙墙体设计厚度取S=0.3m。