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、回歸自然的意識也日益增強。疏朗的建筑，大片的綠地，蔥郁的樹木，流動的水體等自然環(huán)境深深吸引著熱愛自然、崇尚生態(tài)的人們。人工湖就是基于城市人們對于生態(tài)環(huán)境的需求，按照人們的愿望而建立起來的人工環(huán)境系統(tǒng)。通過合理的規(guī)劃、設(shè)計與實施，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)的原則與特點也有利于節(jié)約水資源，優(yōu)化水資源配置，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用口]，對改善城市環(huán)境，提高城市品位具有明顯的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益?；谌斯ず毺氐纳鷳B(tài)和景觀功能，近年來許多大中小城市依靠天然優(yōu)勢攔河筑湖、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、西安的廣運潭、咸陽的咸陽湖、長沙的松雅湖、武漢的夢澤湖、廣州的白云湖和海珠湖等。
由于城市人工湖是從無到有，“人工”形成的小型生態(tài)系統(tǒng)，自我調(diào)控機能較薄弱，生態(tài)平衡極易受到外界因素的干擾，產(chǎn)生水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化等問題[3]，使人工湖的生態(tài)和景觀功能大打折扣。國內(nèi)學(xué)者對人工湖的生態(tài)設(shè)計進行了較廣泛的研究，從湖泊形態(tài)、防滲技術(shù)、供排水系統(tǒng)、動植物配置、后期管理和水質(zhì)處理等方面進行了討論[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)計除需考慮動植物的配置外，更需要營造動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)計的重點。傳統(tǒng)的防滲措施主要采用混凝土或土工膜直接防護，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)計方案的制定與實施提供參考。
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、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(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)可以達到很好的防滲效果，但從生態(tài)角度來講，剛性防滲襯砌將人工湖變成了一個“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，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)點缺點
混凝土類
現(xiàn)澆、預(yù)制塊體、噴混適于不同氣候和運用條件，耐久性強，抗軟弱地基上適應(yīng)變形差、施工周期較長，剛性凝土、法布砼沖擊能力強，施工技術(shù)較成熟價格較高，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，施工簡易，耐久性強生態(tài)性較差
土料類
黏性土、粘砂混合土、就地取材，料源豐富，可用簡單的碾壓機柔性灰土、三合土、四合土械設(shè)備，造價低、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．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，它是我國沿用已久的、實踐經(jīng)驗豐富的防滲措施。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)相對簡單，造價較低，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，施工方便，工期短，造價低等優(yōu)點，因而在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。但土工膜在施工、運行中易刺破，影響防滲效果，同時由于構(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)考慮以下幾方面問題：1)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)較小，以減少滲漏量；2)能營造和維持水生生態(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)影響來看，利用天然環(huán)保材料的土料防滲具有明顯的優(yōu)勢，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，很多工程附近沒有黏土料源，如果外購黏土，數(shù)量大，運距遠，代價高，同時，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在于它的自然性，不會阻斷人工湖泊水環(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)黏土可為動植物提供適宜的棲息生長環(huán)境，有利于底棲生物和水域功能的恢復(fù)和維持，同時為天然防滲能力的形成奠定基礎(chǔ)，長期作用下會逐漸形成自然防滲層。同時，黏土具有較強的過濾能力和離子交換容量，在一定條件下對污染物具有凈化能力，黏土可以不斷吸附水體中的無機磷化物，從而避免湖泊的富氧化過程，避免有毒性的藻類生長，因此黏土對水質(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，可為水生動植物和微生物提供良好的棲息生長環(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、砂石以及有機物含量不得超過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)分析計算，該防滲方案既能減少龍湖成湖施工難度，又可達到水文地質(zhì)及環(huán)境保護要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。
原狀土清理、壓實粘土分層碾壓≥300 111n1圖3土料防滲結(jié)構(gòu)圖回填保護層壓實≥300 m 深色有紡布膨潤土6m 白色無紡布水生植物混凝土空心預(yù)制塊原狀土清理、壓實圖5新型膜料防滲結(jié)構(gòu)圖
3．2膨潤土防水毯
膨潤土是火山噴發(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。膨潤土防水毯是采用特殊針刺技術(shù)，將高鈉基膨潤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。膨潤土防水毯的防滲，主要是利用夾封在材料中間的膨潤土吸水后，在上下兩層土工織物及回填保護層的壓力下，使其局限在一定的空間內(nèi)膨脹，從而形成緊密的膠凝體，以此達到I匕7k防滲的作用。
膨潤土防水毯屬較優(yōu)環(huán)保防滲材料，其各項技術(shù)性能指標(biāo)可達到表2的要求一2I。首先，膨潤土防水毯遇水有超強的膨脹特性，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縫的高密度漿狀防水層，6 mm厚度的膨潤土防水毯滲透系數(shù)可達到10_9 cm／s，相當(dāng)于1 m
厚壓實黏土的防滲效果。其次，由于膨潤土為天然無機礦物質(zhì)，不會隨著使用年限的增長而出現(xiàn)老化、腐蝕等現(xiàn)象，不會對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。第三，膨潤土防水毯在防滲的同時不會影響水生植物的生長，符合水系生態(tài)環(huán)境保護的要求。膨潤土顆粒遇水膨脹后，在上下兩層土工織物及回填保護層的壓力下，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兼顧水生動、植物的生長，促進了水系生態(tài)環(huán)境的形成。北京奧林匹克公園龍形水系采用膨潤土防水毯為主進行防滲，水系注水后實測滲漏量小于118 mm／d，水質(zhì)超出了Ⅲ類地表水的水質(zhì)目標(biāo)，達到預(yù)期的生態(tài)防滲效果u1；。
膨潤土防水毯是比較新型的無機環(huán)保防滲材料，具有高防滲、強自愈、耐根刺、優(yōu)環(huán)保、易施工等優(yōu)點，在黏土缺乏地區(qū)具有較大優(yōu)勢。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，價格偏貴，國內(nèi)尚無比較完整的測試標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，施工方法也在摸索之中等等。同時，膨潤土的防水機理決定其只有處在一個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。考慮膨潤土防水毯有一定的自身約束能力，同時考慮植物生長，因此其覆蓋層厚度最好不小于300 mm，壓實度不小于80％。
表2膨潤土防水毯主要技術(shù)性能指標(biāo)項目單位性能指標(biāo)項目單位性能指標(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
抗拉強度(縱橫向) kN／m ≥lO 拉力N >422
剝離強度N ≥65 抗沖擊力N >445
單位面積膨潤土質(zhì)量g／m2 ≥4 500 抗靜水壓力(24 h) O．5MPa 無滲漏
3．3土壤固化劑
土壤固化劑是一種由多種無機、有機材料合成的用于固化各類土壤的新型材料，與土壤混合后通過一系列物理化學(xué)反應(yīng)來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輸費用。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、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難以解決的一些特殊問題，具有獨特的土壤固化效果和廣泛的實用性，在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木建筑、環(huán)境保護、農(nóng)田水利、道路等工程建設(shè)當(dāng)中。被美國《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。
土壤固化劑的特點是工程造價低、施工方便、縮短工期，可就地取材，不需從別處運來土、砂、石等建筑材料，降低工程造價，尤其是有利于生態(tài)環(huán)境保護。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，經(jīng)濟、環(huán)境效益特別明顯。
目前，土壤固化劑的應(yīng)用技術(shù)在國外已很成熟，被廣泛地應(yīng)用到各類工程中，我國主要應(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有統(tǒng)一的國家標(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一步的實踐檢驗。太原市森林公園人工湖防滲工程采用了土壤固化劑對湖底進行固化處理，固化面積湖泊健康與可持續(xù)發(fā)展
2．36萬m2，占人工湖總面積的10％。根據(jù)水利工程定額對各種防滲材料進行分析比較，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，土壤固化結(jié)果全部達到設(shè)計的要求，即抗壓強度達到2 MPa、滲透系數(shù)達到10_7cm／s量級。
3．4新型膜料生態(tài)防滲結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)80年代以來，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)計不合理，生物和微生物缺乏生存空間，會對人工湖水質(zhì)和水生生態(tài)系統(tǒng)帶來不利影響[101。因此，考慮在常規(guī)土工膜防滲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進，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)護坡中應(yīng)用較多，它是以植被生物學(xué)特性、生長規(guī)律為指導(dǎo)，以無砂大孔隙混凝土理論為基礎(chǔ)開發(fā)出來的一種新型環(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)過清理并壓實的原狀土上，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行植草，在滿足防滲的同時兼顧水生植物的生長，并為微生物提供適宜的生存環(huán)境，從而促進水系生態(tài)環(huán)境的形成。
4 結(jié)論
以往人們在人工湖防滲過程中只考慮到結(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)濟能力的提高，人們對人工湖的防滲襯砌技術(shù)提出了更高的要求，開始重視防滲襯砌對生態(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，但是還遠遠不夠，應(yīng)當(dāng)加強對生態(tài)防滲重要性的認(rèn)識，并貫徹到實踐中，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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