1 前言
随着城市建设飞速发展和居民生活水平不断提高，人们追求自然、回归自然的意识也日益增强。疏朗的建筑，大片的绿地，葱郁的树木，流动的水体等自然环境深深吸引着热爱自然、崇尚生态的人们。人工湖就是基于城市人们对于生态环境的需求，按照人们的愿望而建立起来的人工环境系统。通过合理的规划、设计与实施，人工湖可起到调节水文、降温增湿[1]、供养生物、维护生物多样性、吸尘减噪、美化环境等作用，为居民提供优质、优美的休闲环境，而且其自生循环的原则与特点也有利于节约水资源，优化水资源配置，实现水资源的可持续利用口]，对改善城市环境，提高城市品位具有明显的经济、社会和环境效益。基于人工湖独特的生态和景观功能，近年来许多大中小城市依靠天然优势拦河筑湖、筑堤围湖、围海成湖或平地挖湖，相继建成了不同规模的人工湖。已建和在建较大的人工湖有上海的滴水湖和月湖、苏州的金鸡湖、西安的广运潭、咸阳的咸阳湖、长沙的松雅湖、武汉的梦泽湖、广州的白云湖和海珠湖等。
由于城市人工湖是从无到有，“人工”形成的小型生态系统，自我调控机能较薄弱，生态平衡极易受到外界因素的干扰，产生水质恶化和富营养化等问题[3]，使人工湖的生态和景观功能大打折扣。国内学者对人工湖的生态设计进行了较广泛的研究，从湖泊形态、防渗技术、供排水系统、动植物配置、后期管理和水质处理等方面进行了讨论[4。6]。由于城市人工湖的生态功能主要依靠湖体的自净能力体现，因而人工湖的生态设计除需考虑动植物的配置外，更需要营造动植物及微生物适宜的生存环境，因此湖体周边的防渗衬砌界面是生态设计的重点。传统的防渗措施主要采用混凝土或土工膜直接防护，隔断了水体与土体的交换，生物和微生物难以生存，水体自净能力差，水质恶化严重。因此，本文在分析传统防渗措施的生态影响基础上，探讨具有生态功能的生态防渗方案，为人工湖设计方案的制定与实施提供参考。
2 常规防渗方案及其生态影响
以往的人工湖防渗方案主要参考水利工程中水库、渠道的防渗衬砌方案，采用现浇或预制混凝土板(墙)、模袋混凝土、砌石或土工材料加盖重完成，也有采用一定厚度的黏土铺盖进行防渗，大体可分为刚性和柔性两大类。刚性防渗方案主要包括混凝土防渗和砌石防渗，柔性防渗方案主要包括土料防渗和土工材料防渗。不同的防渗方案具有不同的优缺点(表1)，除土料防渗具有很好的生态功能外，其余防渗方案由于本身结构原因或构造上的不完善而不具备生态效果或对生态不利。
2．1 刚性防渗方案及其生态影响
混凝土防渗和砌石防渗属于刚性防渗_](图1)。刚性防渗衬砌结构可以达到很好的防渗效果，但从生态角度来讲，刚性防渗衬砌将人工湖变成了一个“铜帮铁底”的大“游泳池”，阻断了水体与土壤的物质交换，把湖水彻底变成死水，不利于生物及微生物生长，降低了水体自净能力。另一方面．冈性防渗衬砌方案隔断了水体生态系统和陆地生态系统之间的联系，将湖水与湖周边草木相隔绝，使湖边草木得不到水分而枯萎，破坏了湖滨生态景观。
防渗种类材料优点缺点
混凝土类
现浇、预制块体、喷混适于不同气候和运用条件，耐久性强，抗软弱地基上适应变形差、施工周期较长，刚性凝土、法布砼冲击能力强，施工技术较成熟价格较高，生态性较差防渗防渗能力较难保证，需石料丰富、劳力多，砌石类浆砌片石、浆砌卵石抗冻和抗冲性能好，施工简易，耐久性强生态性较差
土料类
黏性土、粘砂混合土、就地取材，料源丰富，可用简单的碾压机柔性灰土、三合土、四合土械设备，造价低、生态效果好防冻性、耐久性较差，生态性较好防渗
防渗性能好，适应变形能力强．施工方土工材料类一布一膜、两布一膜生态性较差便，工期短，造价低
2．2柔性防渗方案及其生态影响
土料防渗及土工材料加盖重的防渗方式属于柔性防渗，可适应一定的地基变形。土料防渗一般是指以黏性土、粘砂混合土、灰土、三合土和四合土等为材料的防渗措施，它是我国沿用已久的、实践经验丰富的防渗措施。土料防渗一般可采用水中抛土或碾压铺盖等方式施工，技术相对简单，造价较低，但防冻性、耐久性较差。土料防渗由于采用天然环保材料，具有很好的生态性。
土工材料加盖重的防渗方式是随着20世纪80年代以来高分子材料的飞速发展而兴起的，目前已有多种类型土工合成材料用于防渗，其中复合土工膜较为常用，它是一种薄型、连续、柔软的防渗材料，有一布一膜和两布一膜等规格。土工膜具有防渗性能好，适应变形能力强，施工方便，工期短，造价低等优点，因而在水利工程中得到广泛应用。但土工膜在施工、运行中易刺破，影响防渗效果，同时由于构造
不合理等原因(图2)，生态效果也遭到质疑。2009年圆明园的湖底防渗处理就是其中之一[加]。
混凝土(现浇或预制块)
素砼垫层lOO nlm
(a)混凝土防渗结构图
浆砌块石300～600 mm
碎石垫层100 mm
3生态防渗衬砌方案探讨
图2常规土工材料防渗结构示意图
具有生态功能的防渗衬砌方案不仅要减少湖水渗漏损失，保持大面积水景观，更要从根本上提高
湖泊健康与可持续发展
人工湖的生态自净能力，强化其自我修复功能，使人工湖具有可持续性。生态防渗衬砌方案的选择应考虑以下几方面问题：1)结构渗透系数较小，以减少渗漏量；2)能营造和维持水生生态环境．确保水生生态系统平衡；3)具备生物与微生物生长所需的天然条件和防渗技术措施之间的兼容性；4)有利于重新构建生态系统。
为达到防渗与生态之间的平衡，人们做了很多尝试，从上述常规防渗衬砌方案的生态影响来看，利用天然环保材料的土料防渗具有明显的优势，似乎已成为城市人工湖泊建设生态防渗的首选。然而，由于条件所限，很多工程附近没有黏土料源，如果外购黏土，数量大，运距远，代价高，同时，黏土防渗需要的厚度较大，碾压要求高，施工不便，迫切需要研究新型材料或替代结构。
3．1土料防渗
土料防渗最大的特点在于它的自然性，不会阻断人工湖泊水环境与地下水环境、周边环境的相互作用。城市人工湖用土料防渗后仍然有一定的渗透水量，适量的水渗透有助于维持局部的水循环，从而有利于维持水质和水生生态系统。湖底铺设黏土可为动植物提供适宜的栖息生长环境，有利于底栖生物和水域功能的恢复和维持，同时为天然防渗能力的形成奠定基础，长期作用下会逐渐形成自然防渗层。同时，黏土具有较强的过滤能力和离子交换容量，在一定条件下对污染物具有净化能力，黏土可以不断吸附水体中的无机磷化物，从而避免湖泊的富氧化过程，避免有毒性的藻类生长，因此黏土对水质净化也起着重要作用。
黏土防渗一般从下至上分为三层，最下面基础层为清理、压实后的原状土，中间防渗层为厚度不小于300 mm的天然黏土并进行分层碾压，渗透系数一般控制在10叫cm／s以下，黏土层上部覆盖一层壤土，厚度不小于300 mm，可为水生动植物和微生物提供良好的栖息生长环境。
黏土应选择黏性大、渗透系数小即塑性指数大于20的黏土为宜，其中的淤泥、耕土、冻土、膨胀土、砂石以及有机物含量不得超过8％。黏土防渗的施工除碾压铺盖方式外，还可采用水中抛土方式或者两者结合完成。
郑州市郑东新区龙湖工程采用了水中抛土和碾压铺盖相结合的防渗衬砌方案，在地下水位高程以下采用水中均匀抛填壤土形成防渗铺盖，在地下水位高程以上采用碾压方式形成防渗铺盖。经分析计算，该防渗方案既能减少龙湖成湖施工难度，又可达到水文地质及环境保护要求的防渗标准。
原状土清理、压实粘土分层碾压≥300 111n1图3土料防渗结构图回填保护层压实≥300 m 深色有纺布膨润土6m 白色无纺布水生植物混凝土空心预制块原状土清理、压实图5新型膜料防渗结构图
3．2膨润土防水毯
膨润土是火山喷发后火山灰及各类矿物质在地质中沉积而成的一种以蒙脱石主要成分的黏土矿物，其重要特征之一是遇水后膨胀，膨胀系数≥24／2 g，并且其结构及性能不受干湿、冻融反复循环的影响。膨润土防水毯是采用特殊针刺技术，将高钠基膨润土均匀地织在两层土工织物之间，形成的一种毯状防渗材料。膨润土防水毯的防渗，主要是利用夹封在材料中间的膨润土吸水后，在上下两层土工织物及回填保护层的压力下，使其局限在一定的空间内膨胀，从而形成紧密的胶凝体，以此达到I匕7k防渗的作用。
膨润土防水毯属较优环保防渗材料，其各项技术性能指标可达到表2的要求一2I。首先，膨润土防水毯遇水有超强的膨胀特性，在自由状态下遇水膨胀约15～17倍，在受约束的条件下遇水后可形成一层无缝的高密度浆状防水层，6 mm厚度的膨润土防水毯渗透系数可达到10_9 cm／s，相当于1 m
厚压实黏土的防渗效果。其次，由于膨润土为天然无机矿物质，不会随着使用年限的增长而出现老化、腐蚀等现象，不会对地下水环境产生影响。第三，膨润土防水毯在防渗的同时不会影响水生植物的生长，符合水系生态环境保护的要求。膨润土颗粒遇水膨胀后，在上下两层土工织物及回填保护层的压力下，形成紧密的凝胶体，这种凝胶体不仅可以防渗，而且还具有自我修复2 mm裂缝的能力，从而不怕水生植物根系穿刺，这就保证了在满足防渗的同时兼顾水生动、植物的生长，促进了水系生态环境的形成。北京奥林匹克公园龙形水系采用膨润土防水毯为主进行防渗，水系注水后实测渗漏量小于118 mm／d，水质超出了Ⅲ类地表水的水质目标，达到预期的生态防渗效果u1；。
膨润土防水毯是比较新型的无机环保防渗材料，具有高防渗、强自愈、耐根刺、优环保、易施工等优点，在黏土缺乏地区具有较大优势。但是，由于其发展周期尚短，还存在许多明显的不足之处，如生产工艺较难，价格偏贵，国内尚无比较完整的测试标准和技术规范，施工方法也在摸索之中等等。同时，膨润土的防水机理决定其只有处在一个密闭受约束的空间内才能发挥防水作用，所以覆盖层有一定的厚度要求。考虑膨润土防水毯有一定的自身约束能力，同时考虑植物生长，因此其覆盖层厚度最好不小于300 mm，压实度不小于80％。
表2膨润土防水毯主要技术性能指标项目单位性能指标项目单位性能指标
膨胀系数mI．／29 ≥22 垂直渗透系数cm／s ≤S×10一9
含水率％ ≤12 指示流量m3／(m2·s) ≤O．5
流体损耗mL ≤18 渗水系数cm／s 1×10一9
抗拉强度(纵横向) kN／m ≥lO 拉力N >422
剥离强度N ≥65 抗冲击力N >445
单位面积膨润土质量g／m2 ≥4 500 抗静水压力(24 h) O．5MPa 无渗漏
3．3土壤固化剂
土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用于固化各类土壤的新型材料，与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质和结构，形成具有一定承载能力、抗渗能力和耐久性的固化土。与水泥不同，土壤固化剂固结对象是土壤而不是砂石料，可就地加固土壤，在工程结构中起到水泥的效用，能够节省大量的砂石料和运输费用。由于它比传统的水泥、石灰等土壤固化材料具有更好的性能和经济、环境效益，还能解决水泥、石灰、粉煤灰等胶凝材料在土壤加固时难以解决的一些特殊问题，具有独特的土壤固化效果和广泛的实用性，在国外已经被广泛应用于土木建筑、环境保护、农田水利、道路等工程建设当中。被美国《工程新闻》称为20世纪最伟大的发明之一，被日本称为世纪的新型材料。
土壤固化剂的特点是工程造价低、施工方便、缩短工期，可就地取材，不需从别处运来土、砂、石等建筑材料，降低工程造价，尤其是有利于生态环境保护。采用土壤固化剂可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、砾石等传统筑路材料，节省资源、能源，节约土地，保护植被，大幅度减少二氧化碳等温室气体的排放量，有利于生态环境保护，经济、环境效益特别明显。
目前，土壤固化剂的应用技术在国外已很成熟，被广泛地应用到各类工程中，我国主要应用于公路路基、渠道防渗、软弱地基及堤坝处理等方面，但在人工湖防渗方面应用得较少。另外，土壤固化剂的使用还没有统一的国家标准或行业标准，质量控制难度大，用于人工湖防渗衬砌还有待进一步的实践检验。太原市森林公园人工湖防渗工程采用了土壤固化剂对湖底进行固化处理，固化面积湖泊健康与可持续发展
2．36万m2，占人工湖总面积的10％。根据水利工程定额对各种防渗材料进行分析比较，固化土比预制混凝土板、现浇混凝土防渗成本降低约40％，比浆砌石降低约30％，比土工膜降低20％。经检测，土壤固化结果全部达到设计的要求，即抗压强度达到2 MPa、渗透系数达到10_7cm／s量级。
3．4新型膜料生态防渗结构
20世纪80年代以来，高分子材料的生产和应用得到飞速发展，使得复合土工膜在水利工程特别是人工湖的防渗工程中得到广泛应用。虽然常规方式的铺膜防渗能够形成并维持人工湖水域景观，但因其结构设计不合理，生物和微生物缺乏生存空间，会对人工湖水质和水生生态系统带来不利影响[101。因此，考虑在常规土工膜防渗结构的基础上进行改进，采用土工膜+混凝土空心预制块的新型膜料防渗结构以满足生态环境的要求
混凝土空心预制块在生态护坡中应用较多，它是以植被生物学特性、生长规律为指导，以无砂大孔隙混凝土理论为基础开发出来的一种新型环保型混凝土，有方形、六角形等各种形状。结构的下垫层摒弃常规土工膜防渗结构采用的砂垫层，直接将土工膜铺设在经过清理并压实的原状土上，土工膜上部先铺设一层壤土或砂壤土再采用混凝土空心预制块压重。土工膜+混凝土空心预制块的新型结构既能发挥土工膜的防渗作用，又能利用混凝土空心预制块空心部位填充壤土进行植草，在满足防渗的同时兼顾水生植物的生长，并为微生物提供适宜的生存环境，从而促进水系生态环境的形成。
4 结论
以往人们在人工湖防渗过程中只考虑到结构的安全性和耐久性，故多采用砌石、混凝土、土工膜等防渗衬砌方案，隔断了水生生态系统和陆地生态系统之间的联系，导致很多的人工湖泊起不到景观和生态等方面应有的功能，人工湖成为“一潭死水”。随着科学技术的不断发展和经济能力的提高，人们对人工湖的防渗衬砌技术提出了更高的要求，开始重视防渗衬砌对生态环境的影响，并作了一些有益的研究和尝试。人工湖生态防渗已经有一些成功应用的例子，但是还远远不够，应当加强对生态防渗重要性的认识，并贯彻到实践中，大力推广这些生态防渗衬砌方案的使用，使得人工湖呈现水清岸绿的自然生态之美。
参考文献
[1]刘弘，马杰，李贞霞，张晓玲．人工湖生态效应研究[J]．山西农业科学，2008，36(9)：78—81．
[2]杜良平，严力蛟，蒋莹，等．人工湖泊构建及其配套技术研究[J]．科技通报，2008(5)：706—713．
[3]刘晓群，刘克文．城市人工湖与富营养化防治[J]．湖南水利水电，2003(6)：28—29．
[4]沈荣，季斐斐，顾娇．基于流场分析的人工湖生态设计的研究口]．水电能源科学，2010，28(4)：107—109．
r 5]卢莉琼，徐亚同．人工湖生态设计方法研究[J]．上海环境科学，2002，21(6)：375—377．
[6]李云．人工湖防渗技术浅析[J]．北京水利，2002(1)：34—36．
r 7]张小会．城市人工湖的生态设计探讨[D]．西北农林科技大学，2007．
r 8]王伟奇，徐丽萍，刘彦君．土料防渗工程施工技术[J]．黑龙江水利科技，2003(1)：131．
r 9]武雄，等．龙湖主湖区开挖及防渗方案优化研究[J]．岩土力学，2007，28(12)：2715—2721．
rlo]王如松．圆明园塑膜防渗风波的生态学思考[J]．科技导报，2005，23(6)：4—6．
r11]邓卓智，李树峰，等．奥运龙形水系膨润土防水毯防渗技术[J]．水利规划与设计，2009(5)：63—65．
r12]卢宏波．膨润土防水毯在大型人工湖的应用实例[J]．新型建筑材料，2009(5)：73—76．
r13]吴城玉．土壤固化剂技术在防渗工程中的应用[J]．太原科技，2003(2)：35—36．
