1 前言
隨著城市建設(shè)飛速發(fā)展和居民生活水平不斷提高，人們追求自然、回歸自然的意識(shí)也日益增強(qiáng)。疏朗的建筑，大片的綠地，蔥郁的樹(shù)木，流動(dòng)的水體等自然環(huán)境深深吸引著熱愛(ài)自然、崇尚生態(tài)的人們。人工湖就是基于城市人們對(duì)于生態(tài)環(huán)境的需求，按照人們的愿望而建立起來(lái)的人工環(huán)境系統(tǒng)。通過(guò)合理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與實(shí)施，人工湖可起到調(diào)節(jié)水文、降溫增濕[1]、供養(yǎng)生物、維護(hù)生物多樣性、吸塵減噪、美化環(huán)境等作用，為居民提供優(yōu)質(zhì)、優(yōu)美的休閑環(huán)境，而且其自生循環(huán)的原則與特點(diǎn)也有利于節(jié)約水資源，優(yōu)化水資源配置，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用口]，對(duì)改善城市環(huán)境，提高城市品位具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。基于人工湖獨(dú)特的生態(tài)和景觀功能，近年來(lái)許多大中小城市依靠天然優(yōu)勢(shì)攔河筑湖、筑堤圍湖、圍海成湖或平地挖湖，相繼建成了不同規(guī)模的人工湖。已建和在建較大的人工湖有上海的滴水湖和月湖、蘇州的金雞湖、西安的廣運(yùn)潭、咸陽(yáng)的咸陽(yáng)湖、長(zhǎng)沙的松雅湖、武漢的夢(mèng)澤湖、廣州的白云湖和海珠湖等。
由于城市人工湖是從無(wú)到有，“人工”形成的小型生態(tài)系統(tǒng)，自我調(diào)控機(jī)能較薄弱，生態(tài)平衡極易受到外界因素的干擾，產(chǎn)生水質(zhì)惡化和富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[3]，使人工湖的生態(tài)和景觀功能大打折扣。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)人工湖的生態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較廣泛的研究，從湖泊形態(tài)、防滲技術(shù)、供排水系統(tǒng)、動(dòng)植物配置、后期管理和水質(zhì)處理等方面進(jìn)行了討論[4。6]。由于城市人工湖的生態(tài)功能主要依靠湖體的自凈能力體現(xiàn)，因而人工湖的生態(tài)設(shè)計(jì)除需考慮動(dòng)植物的配置外，更需要營(yíng)造動(dòng)植物及微生物適宜的生存環(huán)境，因此湖體周邊的防滲襯砌界面是生態(tài)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的防滲措施主要采用混凝土或土工膜直接防護(hù)，隔斷了水體與土體的交換，生物和微生物難以生存，水體自凈能力差，水質(zhì)惡化嚴(yán)重。因此，本文在分析傳統(tǒng)防滲措施的生態(tài)影響基礎(chǔ)上，探討具有生態(tài)功能的生態(tài)防滲方案，為人工湖設(shè)計(jì)方案的制定與實(shí)施提供參考。
2 常規(guī)防滲方案及其生態(tài)影響
以往的人工湖防滲方案主要參考水利工程中水庫(kù)、渠道的防滲襯砌方案，采用現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土板(墻)、模袋混凝土、砌石或土工材料加蓋重完成，也有采用一定厚度的黏土鋪蓋進(jìn)行防滲，大體可分為剛性和柔性兩大類。剛性防滲方案主要包括混凝土防滲和砌石防滲，柔性防滲方案主要包括土料防滲和土工材料防滲。不同的防滲方案具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)(表1)，除土料防滲具有很好的生態(tài)功能外，其余防滲方案由于本身結(jié)構(gòu)原因或構(gòu)造上的不完善而不具備生態(tài)效果或?qū)ι鷳B(tài)不利。
2．1 剛性防滲方案及其生態(tài)影響
混凝土防滲和砌石防滲屬于剛性防滲_](圖1)。剛性防滲襯砌結(jié)構(gòu)可以達(dá)到很好的防滲效果，但從生態(tài)角度來(lái)講，剛性防滲襯砌將人工湖變成了一個(gè)“銅幫鐵底”的大“游泳池”，阻斷了水體與土壤的物質(zhì)交換，把湖水徹底變成死水，不利于生物及微生物生長(zhǎng)，降低了水體自凈能力。另一方面．岡性防滲襯砌方案隔斷了水體生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，將湖水與湖周邊草木相隔絕，使湖邊草木得不到水分而枯萎，破壞了湖濱生態(tài)景觀。
防滲種類材料優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
混凝土類
現(xiàn)澆、預(yù)制塊體、噴混適于不同氣候和運(yùn)用條件，耐久性強(qiáng)，抗軟弱地基上適應(yīng)變形差、施工周期較長(zhǎng)，剛性凝土、法布砼沖擊能力強(qiáng)，施工技術(shù)較成熟價(jià)格較高，生態(tài)性較差防滲防滲能力較難保證，需石料豐富、勞力多，砌石類漿砌片石、漿砌卵石抗凍和抗沖性能好，施工簡(jiǎn)易，耐久性強(qiáng)生態(tài)性較差
土料類
黏性土、粘砂混合土、就地取材，料源豐富，可用簡(jiǎn)單的碾壓機(jī)柔性灰土、三合土、四合土械設(shè)備，造價(jià)低、生態(tài)效果好防凍性、耐久性較差，生態(tài)性較好防滲
防滲性能好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)．施工方土工材料類一布一膜、兩布一膜生態(tài)性較差便，工期短，造價(jià)低
2．2柔性防滲方案及其生態(tài)影響
土料防滲及土工材料加蓋重的防滲方式屬于柔性防滲，可適應(yīng)一定的地基變形。土料防滲一般是指以黏性土、粘砂混合土、灰土、三合土和四合土等為材料的防滲措施，它是我國(guó)沿用已久的、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的防滲措施。土料防滲一般可采用水中拋土或碾壓鋪蓋等方式施工，技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但防凍性、耐久性較差。土料防滲由于采用天然環(huán)保材料，具有很好的生態(tài)性。
土工材料加蓋重的防滲方式是隨著20世紀(jì)80年代以來(lái)高分子材料的飛速發(fā)展而興起的，目前已有多種類型土工合成材料用于防滲，其中復(fù)合土工膜較為常用，它是一種薄型、連續(xù)、柔軟的防滲材料，有一布一膜和兩布一膜等規(guī)格。土工膜具有防滲性能好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，施工方便，工期短，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，因而在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。但土工膜在施工、運(yùn)行中易刺破，影響防滲效果，同時(shí)由于構(gòu)造
不合理等原因(圖2)，生態(tài)效果也遭到質(zhì)疑。2009年圓明園的湖底防滲處理就是其中之一[加]。
混凝土(現(xiàn)澆或預(yù)制塊)
素砼墊層lOO nlm
(a)混凝土防滲結(jié)構(gòu)圖
漿砌塊石300～600 mm
碎石墊層100 mm
3生態(tài)防滲襯砌方案探討
圖2常規(guī)土工材料防滲結(jié)構(gòu)示意圖
具有生態(tài)功能的防滲襯砌方案不僅要減少湖水滲漏損失，保持大面積水景觀，更要從根本上提高
湖泊健康與可持續(xù)發(fā)展
人工湖的生態(tài)自凈能力，強(qiáng)化其自我修復(fù)功能，使人工湖具有可持續(xù)性。生態(tài)防滲襯砌方案的選擇應(yīng)考慮以下幾方面問(wèn)題：1)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)較小，以減少滲漏量；2)能營(yíng)造和維持水生生態(tài)環(huán)境．確保水生生態(tài)系統(tǒng)平衡；3)具備生物與微生物生長(zhǎng)所需的天然條件和防滲技術(shù)措施之間的兼容性；4)有利于重新構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)。
為達(dá)到防滲與生態(tài)之間的平衡，人們做了很多嘗試，從上述常規(guī)防滲襯砌方案的生態(tài)影響來(lái)看，利用天然環(huán)保材料的土料防滲具有明顯的優(yōu)勢(shì)，似乎已成為城市人工湖泊建設(shè)生態(tài)防滲的首選。然而，由于條件所限，很多工程附近沒(méi)有黏土料源，如果外購(gòu)黏土，數(shù)量大，運(yùn)距遠(yuǎn)，代價(jià)高，同時(shí)，黏土防滲需要的厚度較大，碾壓要求高，施工不便，迫切需要研究新型材料或替代結(jié)構(gòu)。
3．1土料防滲
土料防滲最大的特點(diǎn)在于它的自然性，不會(huì)阻斷人工湖泊水環(huán)境與地下水環(huán)境、周邊環(huán)境的相互作用。城市人工湖用土料防滲后仍然有一定的滲透水量，適量的水滲透有助于維持局部的水循環(huán)，從而有利于維持水質(zhì)和水生生態(tài)系統(tǒng)。湖底鋪設(shè)黏土可為動(dòng)植物提供適宜的棲息生長(zhǎng)環(huán)境，有利于底棲生物和水域功能的恢復(fù)和維持，同時(shí)為天然防滲能力的形成奠定基礎(chǔ)，長(zhǎng)期作用下會(huì)逐漸形成自然防滲層。同時(shí)，黏土具有較強(qiáng)的過(guò)濾能力和離子交換容量，在一定條件下對(duì)污染物具有凈化能力，黏土可以不斷吸附水體中的無(wú)機(jī)磷化物，從而避免湖泊的富氧化過(guò)程，避免有毒性的藻類生長(zhǎng)，因此黏土對(duì)水質(zhì)凈化也起著重要作用。
黏土防滲一般從下至上分為三層，最下面基礎(chǔ)層為清理、壓實(shí)后的原狀土，中間防滲層為厚度不小于300 mm的天然黏土并進(jìn)行分層碾壓，滲透系數(shù)一般控制在10叫cm／s以下，黏土層上部覆蓋一層壤土，厚度不小于300 mm，可為水生動(dòng)植物和微生物提供良好的棲息生長(zhǎng)環(huán)境。
黏土應(yīng)選擇黏性大、滲透系數(shù)小即塑性指數(shù)大于20的黏土為宜，其中的淤泥、耕土、凍土、膨脹土、砂石以及有機(jī)物含量不得超過(guò)8％。黏土防滲的施工除碾壓鋪蓋方式外，還可采用水中拋土方式或者兩者結(jié)合完成。
鄭州市鄭東新區(qū)龍湖工程采用了水中拋土和碾壓鋪蓋相結(jié)合的防滲襯砌方案，在地下水位高程以下采用水中均勻拋填壤土形成防滲鋪蓋，在地下水位高程以上采用碾壓方式形成防滲鋪蓋。經(jīng)分析計(jì)算，該防滲方案既能減少龍湖成湖施工難度，又可達(dá)到水文地質(zhì)及環(huán)境保護(hù)要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。
原狀土清理、壓實(shí)粘土分層碾壓≥300 111n1圖3土料防滲結(jié)構(gòu)圖回填保護(hù)層壓實(shí)≥300 m 深色有紡布膨潤(rùn)土6m 白色無(wú)紡布水生植物混凝土空心預(yù)制塊原狀土清理、壓實(shí)圖5新型膜料防滲結(jié)構(gòu)圖
3．2膨潤(rùn)土防水毯
膨潤(rùn)土是火山噴發(fā)后火山灰及各類礦物質(zhì)在地質(zhì)中沉積而成的一種以蒙脫石主要成分的黏土礦物，其重要特征之一是遇水后膨脹，膨脹系數(shù)≥24／2 g，并且其結(jié)構(gòu)及性能不受干濕、凍融反復(fù)循環(huán)的影響。膨潤(rùn)土防水毯是采用特殊針刺技術(shù)，將高鈉基膨潤(rùn)土均勻地織在兩層土工織物之間，形成的一種毯狀防滲材料。膨潤(rùn)土防水毯的防滲，主要是利用夾封在材料中間的膨潤(rùn)土吸水后，在上下兩層土工織物及回填保護(hù)層的壓力下，使其局限在一定的空間內(nèi)膨脹，從而形成緊密的膠凝體，以此達(dá)到I匕7k防滲的作用。
膨潤(rùn)土防水毯屬較優(yōu)環(huán)保防滲材料，其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)可達(dá)到表2的要求一2I。首先，膨潤(rùn)土防水毯遇水有超強(qiáng)的膨脹特性，在自由狀態(tài)下遇水膨脹約15～17倍，在受約束的條件下遇水后可形成一層無(wú)縫的高密度漿狀防水層，6 mm厚度的膨潤(rùn)土防水毯滲透系數(shù)可達(dá)到10_9 cm／s，相當(dāng)于1 m
厚壓實(shí)黏土的防滲效果。其次，由于膨潤(rùn)土為天然無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，不會(huì)隨著使用年限的增長(zhǎng)而出現(xiàn)老化、腐蝕等現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。第三，膨潤(rùn)土防水毯在防滲的同時(shí)不會(huì)影響水生植物的生長(zhǎng)，符合水系生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求。膨潤(rùn)土顆粒遇水膨脹后，在上下兩層土工織物及回填保護(hù)層的壓力下，形成緊密的凝膠體，這種凝膠體不僅可以防滲，而且還具有自我修復(fù)2 mm裂縫的能力，從而不怕水生植物根系穿刺，這就保證了在滿足防滲的同時(shí)兼顧水生動(dòng)、植物的生長(zhǎng)，促進(jìn)了水系生態(tài)環(huán)境的形成。北京奧林匹克公園龍形水系采用膨潤(rùn)土防水毯為主進(jìn)行防滲，水系注水后實(shí)測(cè)滲漏量小于118 mm／d，水質(zhì)超出了Ⅲ類地表水的水質(zhì)目標(biāo)，達(dá)到預(yù)期的生態(tài)防滲效果u1；。
膨潤(rùn)土防水毯是比較新型的無(wú)機(jī)環(huán)保防滲材料，具有高防滲、強(qiáng)自愈、耐根刺、優(yōu)環(huán)保、易施工等優(yōu)點(diǎn)，在黏土缺乏地區(qū)具有較大優(yōu)勢(shì)。但是，由于其發(fā)展周期尚短，還存在許多明顯的不足之處，如生產(chǎn)工藝較難，價(jià)格偏貴，國(guó)內(nèi)尚無(wú)比較完整的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，施工方法也在摸索之中等等。同時(shí)，膨潤(rùn)土的防水機(jī)理決定其只有處在一個(gè)密閉受約束的空間內(nèi)才能發(fā)揮防水作用，所以覆蓋層有一定的厚度要求。考慮膨潤(rùn)土防水毯有一定的自身約束能力，同時(shí)考慮植物生長(zhǎng)，因此其覆蓋層厚度最好不小于300 mm，壓實(shí)度不小于80％。
表2膨潤(rùn)土防水毯主要技術(shù)性能指標(biāo)項(xiàng)目單位性能指標(biāo)項(xiàng)目單位性能指標(biāo)
膨脹系數(shù)mI．／29 ≥22 垂直滲透系數(shù)cm／s ≤S×10一9
含水率％ ≤12 指示流量m3／(m2·s) ≤O．5
流體損耗mL ≤18 滲水系數(shù)cm／s 1×10一9
抗拉強(qiáng)度(縱橫向) kN／m ≥lO 拉力N >422
剝離強(qiáng)度N ≥65 抗沖擊力N >445
單位面積膨潤(rùn)土質(zhì)量g／m2 ≥4 500 抗靜水壓力(24 h) O．5MPa 無(wú)滲漏
3．3土壤固化劑
土壤固化劑是一種由多種無(wú)機(jī)、有機(jī)材料合成的用于固化各類土壤的新型材料，與土壤混合后通過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)來(lái)改變土壤的工程性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，形成具有一定承載能力、抗?jié)B能力和耐久性的固化土。與水泥不同，土壤固化劑固結(jié)對(duì)象是土壤而不是砂石料，可就地加固土壤，在工程結(jié)構(gòu)中起到水泥的效用，能夠節(jié)省大量的砂石料和運(yùn)輸費(fèi)用。由于它比傳統(tǒng)的水泥、石灰等土壤固化材料具有更好的性能和經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，還能解決水泥、石灰、粉煤灰等膠凝材料在土壤加固時(shí)難以解決的一些特殊問(wèn)題，具有獨(dú)特的土壤固化效果和廣泛的實(shí)用性，在國(guó)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木建筑、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)田水利、道路等工程建設(shè)當(dāng)中。被美國(guó)《工程新聞》稱為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，被日本稱為世紀(jì)的新型材料。
土壤固化劑的特點(diǎn)是工程造價(jià)低、施工方便、縮短工期，可就地取材，不需從別處運(yùn)來(lái)土、砂、石等建筑材料，降低工程造價(jià)，尤其是有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。采用土壤固化劑可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、礫石等傳統(tǒng)筑路材料，節(jié)省資源、能源，節(jié)約土地，保護(hù)植被，大幅度減少二氧化碳等溫室氣體的排放量，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益特別明顯。
目前，土壤固化劑的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)外已很成熟，被廣泛地應(yīng)用到各類工程中，我國(guó)主要應(yīng)用于公路路基、渠道防滲、軟弱地基及堤壩處理等方面，但在人工湖防滲方面應(yīng)用得較少。另外，土壤固化劑的使用還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量控制難度大，用于人工湖防滲襯砌還有待進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。太原市森林公園人工湖防滲工程采用了土壤固化劑對(duì)湖底進(jìn)行固化處理，固化面積湖泊健康與可持續(xù)發(fā)展
2．36萬(wàn)m2，占人工湖總面積的10％。根據(jù)水利工程定額對(duì)各種防滲材料進(jìn)行分析比較，固化土比預(yù)制混凝土板、現(xiàn)澆混凝土防滲成本降低約40％，比漿砌石降低約30％，比土工膜降低20％。經(jīng)檢測(cè)，土壤固化結(jié)果全部達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，即抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa、滲透系數(shù)達(dá)到10_7cm／s量級(jí)。
3．4新型膜料生態(tài)防滲結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)80年代以來(lái)，高分子材料的生產(chǎn)和應(yīng)用得到飛速發(fā)展，使得復(fù)合土工膜在水利工程特別是人工湖的防滲工程中得到廣泛應(yīng)用。雖然常規(guī)方式的鋪膜防滲能夠形成并維持人工湖水域景觀，但因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，生物和微生物缺乏生存空間，會(huì)對(duì)人工湖水質(zhì)和水生生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響[101。因此，考慮在常規(guī)土工膜防滲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用土工膜+混凝土空心預(yù)制塊的新型膜料防滲結(jié)構(gòu)以滿足生態(tài)環(huán)境的要求
混凝土空心預(yù)制塊在生態(tài)護(hù)坡中應(yīng)用較多，它是以植被生物學(xué)特性、生長(zhǎng)規(guī)律為指導(dǎo)，以無(wú)砂大孔隙混凝土理論為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種新型環(huán)保型混凝土，有方形、六角形等各種形狀。結(jié)構(gòu)的下墊層摒棄常規(guī)土工膜防滲結(jié)構(gòu)采用的砂墊層，直接將土工膜鋪設(shè)在經(jīng)過(guò)清理并壓實(shí)的原狀土上，土工膜上部先鋪設(shè)一層壤土或砂壤土再采用混凝土空心預(yù)制塊壓重。土工膜+混凝土空心預(yù)制塊的新型結(jié)構(gòu)既能發(fā)揮土工膜的防滲作用，又能利用混凝土空心預(yù)制塊空心部位填充壤土進(jìn)行植草，在滿足防滲的同時(shí)兼顧水生植物的生長(zhǎng)，并為微生物提供適宜的生存環(huán)境，從而促進(jìn)水系生態(tài)環(huán)境的形成。
4 結(jié)論
以往人們?cè)谌斯ず罎B過(guò)程中只考慮到結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，故多采用砌石、混凝土、土工膜等防滲襯砌方案，隔斷了水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致很多的人工湖泊起不到景觀和生態(tài)等方面應(yīng)有的功能，人工湖成為“一潭死水”。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)能力的提高，人們對(duì)人工湖的防滲襯砌技術(shù)提出了更高的要求，開(kāi)始重視防滲襯砌對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，并作了一些有益的研究和嘗試。人工湖生態(tài)防滲已經(jīng)有一些成功應(yīng)用的例子，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)生態(tài)防滲重要性的認(rèn)識(shí)，并貫徹到實(shí)踐中，大力推廣這些生態(tài)防滲襯砌方案的使用，使得人工湖呈現(xiàn)水清岸綠的自然生態(tài)之美。
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