CN108396706A - 固化河床土壤的生态减渗方法、固化土和生态减渗结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于固化河床土壤的生态减渗方法、固化土和生态减渗结构。所述方法包括：对河床进行清淤疏浚，开挖部分土体，平整开挖后的河道并压实；筛除原河床开挖的土中的卵砾石，将河道原土、粘土和石灰按照77:22:1的质量比均匀混合，将混合土壤平铺于河床；配置土壤固化剂稀释溶液；将土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到混合土壤中；将土壤固化剂稀释溶液和混合土壤拌合均匀，用刮平机械刮平后立即压实，构筑成减渗体；在减渗体上部铺设细粒土作为上垫层，在该上垫层上部铺设一层无纺布；在无纺布上部铺设卵石并压实。本发明的技术方案中所使用的天然材料在自然界中均大量存在，且易于取得，同时大量利用了原河道开挖的土体，成本较低。

Description

固化河床土壤的生态减渗方法、固化土和生态减渗结构

技术领域

本发明涉及生态工程技术领域，特别涉及一种用于固化河床土壤的生态减渗方法、固化土和生态减渗结构。

背景技术

大力推进生态文明建设，树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，已经成为人们共识。在我国北方，为了建设生态文明城市，修建了人工河道引水工程，提高景观水域面积，构建人水和谐城市。人工河道形成时间短，河床基质单一，由于北方水资源稀缺，部分人工河道只有在汛期时有水，枯水期河床基质暴露，砂质化严重，渗透量巨大。

目前，国际上主要的河流减渗措施可以分为河道硬化处理减渗技术、复合土工膜减渗技术、膨润土防水毯减渗技术和复合土料减渗技术，其中河道硬化和复合土工膜两种减渗技术因为减渗主体材料非天然材料，且对于河流生态有较大的负面影响，有悖于河流的天然规律，剥夺了河流大部分的自然属性，因此被广为诟病，相关研究也较少；而膨润土防水毯的减渗主体来自天然矿物，对于河流生态的影响较小，同时具有一定的自我修复能力而被众多学者所青睐，由于膨润土用处广，使用量大，虽然我国已探明的膨润土储量居世界首位，但是仍需合理使用，因此众多学者致力于膨润土的改性研究工作，提高膨润土减渗性能的同时，减小膨润土的使用量；复合土料减渗技术主要依靠黏土的减渗性能，通过天然的砂石土料组合搭配构建河床生态减渗层。

膨润防水毯是一种近年发展起来的、结合了部分环保理念的防水技术。膨润土遇水发生水合作用膨胀，膨胀后形成不透水的凝胶体，从而起到天然的减渗抗渗作用。利用这个性能，人们采用土工合成材料与膨润土进行组合作用，制成膨润土防水毯。在目前的河道减渗工程中，膨润土防水毯减渗技术应用最广，但是这种减渗技术将河床的渗透系数控制在1×10^-9～1×10^-11cm/s，阻隔了河流与地下的垂向联系。对比传统的硬化和土工膜的减渗方式，膨润防水毯减渗性能优异、使用寿命长、具备环保性能等。其中，环保性主要体现在膨润土遇水膨胀、失水恢复的性能是物理变化，可以重复发挥作用，且不阻碍水体和土壤层之间水份与营养的交换。德国是最早进行膨润土防水毯的研发与生产。德国六十年代，工业、经济的高速发展对生态环境造成了严重破坏，八十年代意识到了生态环境的重要性，开始投入巨资治理受污染的江河湖泊，膨润土防水毯在河流生态改造工程中大量应用。相对硬化和土工膜的减渗方式，膨润防水毯对自然生态系统影响略小，但它难降解的特性，在河湖中人为添加了隔离层，与自然生态河湖理念冲突。另外，经受洪水冲刷能力较低，可能造成大面积掀起，影响正常使用。在实际工程中，膨润土使用量较大，需要设置单独的堆料场，由于天然的膨润土需要进行加工，生产、运输等因素增加了使用成本。

复合土料减渗技术主要依靠黏土的减渗性能，设计合理的复合土料减渗层的渗透系数可以控制在1.0×10^-5～1.0×10^-7cm/s，根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录F(岩土体渗透性分级)，复合土料减渗体属于微透水体，膨润土减渗体属于极微透水，根据生态减渗的理念，两者减渗体均具有较好的减渗性能，同时不会成为阻隔地表水和地下水之间联系的屏障。黏土是一种含水铝硅酸盐产物，在自然界中分布广泛，是一种宝贵的天然资源。黏土具有防水的优良特性，我国自古代开始就用黏土作防水材料，例如汉代长沙马王堆汉墓采用黏土建筑，防水耐久。国外用黏土作防水材料的实例也很多，如卫生填埋场的减渗衬垫、黏土固化防水层等，效果良好。河湖治理采取铺黏土层的减渗技术，不仅减渗效果好，也能取得良好的生态效果。黏土属天然土壤，能保持河流生态系统的自然性和互通性。但该技术在山区砂砾石河湖及黏土资源缺乏地区应用时，存在抗冲刷能力弱、取材难度大和成本高等缺点。

传统的混凝土硬化减渗和复合土工膜减渗技术通过人工非天然材料在河道内设置了一道不透水的屏障，这些物质往往很难天然降解，完全阻断了地表水下渗的通道，水力要素单一，虽然利于行洪，但是河流生态环境遭到了破坏，河流的自净能力下降。膨润土减渗技术的优点是膨润土是天然矿物，无污染、储量大、减渗效果好、有一定的自我修复能力，缺点是使用量较大，需要工厂加工，运输、储存等因素增加成本，施工过程也较为复杂。复合土体主要利用粘土的减渗性能，取决于粘土的使用量，减渗性能一般。

发明内容

为了解决或缓解现有技术常用河流减渗措施中存在的问题及缺陷中的一个或多个，本发明提供了一种用于固化河床土壤的生态减渗方法、固化土和生态减渗结构。

根据本发明的第一方面，提供一种固化河床土壤的生态减渗方法。所述方法包括如下步骤：(1)对河床进行清淤疏浚，开挖部分土体，平整开挖后的河道并压实；(2)筛除原河床开挖的土中的卵砾石，将河道原土、粘土和石灰按照质量比为77:22:1的比例均匀混合，将混合土壤平铺于河床，铺设厚度12～18cm；(3)按照土壤固化剂与水的质量比为1:800的比例配置土壤固化剂稀释溶液；(4)将步骤(3)中制得的土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到所述混合土壤中；(5)将步骤(4)中所喷洒的土壤固化剂稀释溶液和所述混合土壤拌合均匀，用刮平机械刮平后立即压实，控制压实度为92～95％，养护不少于1天，构筑成减渗体；(6)在所述减渗体上部铺设厚度8～12cm的细粒土作为上垫层，在该上垫层上部铺设一层无纺布；(7)在所述无纺布上部铺设厚度为15～30cm、粒径为35～75mm 的卵石并压实，构筑成保护层。

优选地，所述土壤固化剂可以为华夏1号液体土壤固化剂，并且，在步骤(4)中可以按照所述土壤固化剂与所述混合土壤的质量比为 (0.6～0.8):10000的比例将所述土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到所述混合土壤中。

优选地，在步骤(4)中，对于河床与边坡接触处的地方，可以采用人工喷洒，且此处喷洒量不低于平均喷洒量。

优选地，在步骤(7)中所使用的卵石可以为表层无剥蚀的卵石。

优选地，在步骤(3)中配置所述土壤固化剂稀释溶液时采用无污染的水，该溶液即用即配，不可过夜。

优选地，在步骤(6)中铺设的无纺布可以为500g/m²的无纺布。

根据本发明的第二方面，提供一种用于固化河床土壤的固化土。所述固化土包括土壤固化剂和混合土壤，并且，所述混合土壤由河道原土、粘土和石灰组成，其中，河道原土、粘土和石灰的质量比为77:22:1。

优选地，所述土壤固化剂可以为华夏1号液体土壤固化剂。

优选地，所述土壤固化剂与所述混合土壤的质量比可以为 (0.6～0.8):10000。

根据本发明的第三方面，提供一种生态减渗结构，其特征在于，所述生态减渗结构包括减渗层和位于减渗层上方的保护层，所述减渗层包括上述固化土构成的减渗体、由细粒土构成的位于减渗体上方的上垫层和位于上垫层上方的无纺布层，并且，所述保护层由卵石构成。

本发明中所使用的土壤均易于取得，利用土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，土壤颗粒与固化剂成分发生化学反应，将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，颗粒间距减小，经过压实后，达到常规不能达到的密实度，土壤胶结，土壤空隙度降低，毛细水运动的通道减少，水分难以浸润固化的土体，形成具有一定疏水性的土壤材料，减少水分的渗透。

本发明的技术方案中，利用原河床开挖土壤：粘土：石灰按照77:22:1 的比例混合，作用是：(1)北方土壤质地以壤土为主，加入粘土后，人工配制的粘壤土具有一定的保水持水性；(2)石灰作为固化土的胶结材料。研究表明，疏水性土壤的渗透性与水头压力呈正相关关系，当河道内水量充足，水头较高时，河床的渗透性会提高，能够适当提高回补地下的水量；而在枯水期时，河床渗透性降低，河道内水量得以保证，形成“会呼吸”的河床。

本发明的技术方案中，土壤固化剂与土壤的比例为(0.6～0.8):10000，可以根据现场情况调整，比如使用的粘土比例较大，河床基质中盐分含量较高时，选用较小的固化剂使用量；当河床基质中砂粒含量较高时，使用较大的固化剂使用量。

本发明的技术方案中，土壤固化剂的稀释溶液选用土壤固化剂与水按照质量比1:800配置，可根据现场喷洒设备调整，水源无特殊要求，无污染的水即可，溶液即用即配，不可过夜。

本发明的技术方案中，保护层使用的卵砾石须为新鲜卵石，表层无明显剥蚀，级配良好。卵石保护层的作用是，(1)作为减渗土体的保护层；(2)卵石基质的底栖动物偏爱的生存场地，利于微生物附着。

本发明的技术方案中，主要利用了固化土的斥水性达到减渗的目的，土壤斥水性为水分很难浸润土体，水滴集聚在土体表面，类似于形成了一层油膜。

本发明的技术方案中，减渗土体的上垫层可以为水生植物扎根提供条件，研究表明，无纺布对植物的根系运动并无影响。

本发明的技术方案中，土壤固化剂生产和使用均国际公认无污染、无毒害，属于环境友好型和资源节约型的高科技新材料，因此本发明不会对环境生态造成任何负面影响。而且，固化土壤由亲水性变为疏水性，对土壤的固化是永久性的，对室内试验试件及试验路取芯件进行了180 天和1年的浸水观测，无解散现象，强度损失较小，因此具有良好的水稳性。

此外，本发明的技术方案中所使用的天然材料在自然界中均大量存在，且易于取得，同时大量利用了原河道开挖的土体，成本较低。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本发明的示例性实施例的固化河床土壤的生态减渗方法的流程图；

图2为本发明的示例性实施例的生态减渗结构的示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

图1示意性地示出了本发明的示例性实施例的用于固化河床土壤的生态减渗方法。所述方法包括如下步骤：

步骤S1：对河床进行清淤疏浚，开挖部分土体，平整开挖后的河道并压实。

步骤S2：制备土体，筛除原河床开挖的土中的卵砾石，将河道原土、粘土和石灰按照其质量比为77:22:1的比例均匀混合，将混合土壤平铺于河床，铺设厚度12～18cm。优选地，混合土壤的铺设厚度为15cm。这里，利用原河床开挖土壤：粘土：石灰按照77:22:1的比例混合的作用是：(1) 北方土壤质地以壤土为主，加入粘土后，人工配制的粘壤土具有一定的保水持水性；(2)石灰作为固化土的胶结材料。研究表明，疏水性土壤的渗透性与水头压力呈正相关关系，当河道内水量充足，水头较高时，河床的渗透性会提高，能够适当提高回补地下的水量；而在枯水期时，河床渗透性降低，河道内水量得以保证，形成“会呼吸”的河床。

步骤S3：配置土壤固化剂稀释溶液。首先，提供土壤固化剂，这里，优选采用华夏1号液体土壤固化剂。为了后续将土壤固化剂与混合土壤的质量比控制为(0.6～0.8):10000，需要根据下式确定土壤固化剂的使用量：

M＝0.15CbLρ_干

式中，M是以kg为单位的土壤固化剂的使用量；C是按百分比计的土壤固化剂与土壤的质量比；b是以m为单位的河道底宽；L是以m为单位的减渗体的铺设长度；ρ_干是以kg/m³为单位的土壤的干密度；

0.15为固化土体的厚度。然后，基于所确定的土壤固化剂的使用量，将土壤固化剂和水按照质量比为1:800的比例添加到喷洒设备中，以制得所需的土壤固化剂稀释溶液。

步骤S3中，土壤固化剂与土壤的比例为(0.6～0.8):10000，可以根据现场情况调整，比如使用的粘土比例较大。当河床基质中盐分含量较高时，选用较小的固化剂使用量；当河床基质中砂粒含量较高时，使用较大的固化剂使用量。

步骤S4：将步骤(3)中制得的土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到所述混合土壤中。对于河床与边坡接触处等不易喷洒的地方，采用人工喷洒，此处喷洒量可以适当提高，但不能低于平均喷洒量。

步骤S5：将步骤(4)中所喷洒的土壤固化剂稀释溶液和所述混合土壤拌合均匀，用刮平机械刮平后立即压实，控制压实度为92～95％，养护不少于1天，构筑成减渗体；

在步骤S3至S5中，土壤固化剂生产和使用均国际公认无污染、无毒害，属于环境友好型和资源节约型的高科技新材料，因此不会对环境生态造成任何负面影响。而且，固化土壤由亲水性变为疏水性，对土壤的固化是永久性的，对室内试验试件及试验路取芯件进行了180天和1 年的浸水观测，无解散现象，强度损失较小，因此具有良好的水稳性。

步骤S6：在所述减渗体上部铺设厚度为8～12cm的细粒土作为上垫层，在该上垫层上部铺设一层无纺布。这里，优选地，采用500g/m²的无纺布。优选地，细粒土铺设厚度为10cm。减渗体上部的上垫层可以为水生植物扎根提供条件，研究表明，无纺布对植物的根系运动并无影响。

步骤S7：在所述无纺布上部铺设厚度为15～30cm、粒径为35～75mm 的卵石并压实，构筑成保护层。优选地，卵石铺设厚度为20cm或25cm。保护层使用的卵石须为新鲜卵石，表层无明显剥蚀，级配良好。卵石保护层的作用是，(1)作为减渗土体的保护层；(2)卵石基质的底栖动物偏爱的生存场地，利于微生物附着。

如上所述，本发明的生态减渗方法中所使用的土壤均易于取得，利用土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，土壤颗粒与固化剂成分发生化学反应，将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，颗粒间距减小，经过压实后，达到常规不能达到的密实度，土壤胶结，土壤空隙度降低，毛细水运动的通道减少，水分难以浸润固化的土体，形成具有一定疏水性的土壤材料，减少水分的渗透。同时，卵石保护层的作用是，(1)作为减渗土体的保护层；(2)卵石基质的底栖动物偏爱的生存场地，利于微生物附着。

因此，本发明的生态减渗方法中所使用的天然材料在自然界中均大量存在，且易于取得，同时大量利用了原河道开挖的土体，成本较低。

除了上述的生态减渗方法，本发明还提供一种用于固化河床土壤的固化土。所述固化土包括土壤固化剂和混合土壤。所述混合土壤由河道原土、粘土和石灰组成，其中，河道原土、粘土和石灰的质量比为77:22:1。利用原河床开挖土壤：粘土：石灰按照77:22:1的比例混合的作用是：(1) 北方土壤质地以壤土为主，加入粘土后，人工配制的粘壤土具有一定的保水持水性；(2)石灰作为固化土的胶结材料。研究表明，疏水性土壤的渗透性与水头压力呈正相关关系，当河道内水量充足，水头较高时，河床的渗透性会提高，能够适当提高回补地下的水量；而在枯水期时，河床渗透性降低，河道内水量得以保证，形成“会呼吸”的河床。

优选地，所述土壤固化剂可以为华夏1号液体土壤固化剂。优选地，所述土壤固化剂与所述混合土壤的质量比可以为(0.6～0.8):10000。

此外，本发明还提供一种利用上述固化土的生态减渗结构。如图2 所示，本发明的生态减渗结构包括减渗层10和位于减渗层10上方的保护层30。减渗层10包括由上述固化土构成的减渗体11、由细粒土构成的位于减渗体11上方的上垫层12和位于上垫层12上方的无纺布层15。保护层30由卵石构成。保护层使用的卵石须为新鲜卵石，表层无明显剥蚀，级配良好。卵石保护层的作用是，(1)作为减渗土体的保护层；(2) 卵石基质的底栖动物偏爱的生存场地，利于微生物附着。

本发明的固化土和利用该固化土的生态减渗结构中，所使用的土壤均易于取得，利用土壤固化剂与含有一定水分的土壤混合后，土壤颗粒与固化剂成分发生化学反应，将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，颗粒间距减小，经过压实后，达到常规不能达到的密实度，土壤胶结，土壤空隙度降低，毛细水运动的通道减少，水分难以浸润固化的土体，形成具有一定疏水性的土壤材料，减少水分的渗透。

本发明的固化土和利用该固化土的生态减渗结构中，主要利用了固化土的斥水性达到减渗的目的，土壤斥水性为水分很难浸润土体，水滴集聚在土体表面，类似于形成了一层油膜。土壤固化剂生产和使用均国际公认无污染、无毒害，属于环境友好型和资源节约型的高科技新材料，因此本发明不会对环境生态造成任何负面影响。而且，固化土壤由亲水性变为疏水性，对土壤的固化是永久性的，对室内试验试件及试验路取芯件进行了180天和1年的浸水观测，无解散现象，强度损失较小，因此具有良好的水稳性。

综上所述，本发明的技术方案中所使用的天然材料在自然界中均大量存在，且易于取得，同时大量利用了原河道开挖的土体，成本较低。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于固化河床土壤的生态减渗方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对河床进行清淤疏浚，开挖部分土体，平整开挖后的河道并压实；

(2)筛除原河床开挖的土中的卵砾石，将河道原土、粘土和石灰按照质量比为77:22:1的比例均匀混合，将混合土壤平铺于河床，铺设厚度12～18cm；

(3)按照土壤固化剂与水的质量比为1:800的比例配置土壤固化剂稀释溶液；

(4)将步骤(3)中制得的土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到所述混合土壤中；

(5)将步骤(4)中所喷洒的土壤固化剂稀释溶液和所述混合土壤拌合均匀，用刮平机械刮平后立即压实，控制压实度为92～95％，养护不少于1天，构筑成减渗体；

(6)在所述减渗体上部铺设厚度8～12cm的细粒土作为上垫层，在该上垫层上部铺设一层无纺布；

(7)在所述无纺布上部铺设厚度为15～30cm、粒径为35～75mm的卵石并压实，构筑成保护层。

2.根据权利要求1所述的生态减渗方法，其特征在于，

所述土壤固化剂为华夏1号液体土壤固化剂，

在步骤(4)中按照所述土壤固化剂与所述混合土壤的质量比为(0.6～0.8):10000的比例将所述土壤固化剂稀释溶液均匀喷洒到所述混合土壤中。

3.根据权利要求1所述的生态减渗方法，其特征在于，

在步骤(4)中，对于河床与边坡接触处的地方，采用人工喷洒，且此处喷洒量不低于平均喷洒量。

4.根据权利要求1所述的生态减渗方法，其特征在于，

在步骤(7)中所使用的卵石为表层无剥蚀的卵石。

5.根据权利要求1所述的生态减渗方法，其特征在于，

在步骤(3)中配置所述土壤固化剂稀释溶液时采用无污染的水，该溶液即用即配，不可过夜。

6.根据权利要求1所述的生态减渗方法，其特征在于，

在步骤(6)中铺设的无纺布为500g/m²的无纺布。

7.一种用于固化河床土壤的固化土，其特征在于，

所述固化土包括土壤固化剂和混合土壤，

所述混合土壤由河道原土、粘土和石灰组成，其中，河道原土、粘土和石灰的质量比为77:22:1。

8.根据权利要求7所述的固化土，其特征在于，

所述土壤固化剂为华夏1号液体土壤固化剂。

9.根据权利要求7所述的固化土，其特征在于，

所述土壤固化剂与所述混合土壤的质量比为(0.6～0.8):10000。

10.一种生态减渗结构，其特征在于，所述生态减渗结构包括减渗层和位于减渗层上方的保护层，所述减渗层包括由权利要求7至9中任一项所述的固化土构成的减渗体、由细粒土构成的位于减渗体上方的上垫层和位于上垫层上方的无纺布层，并且，所述保护层由卵石构成。