天然鈉基膨潤土防水毯在渠道防滲工程上的應(yīng)用研究

曹洪凱

（沈陽市渾北灌區(qū)管理處，遼寧 沈陽 110035）

1 概述

天然鈉基膨潤土形成于億萬年前火山爆發(fā)后噴發(fā)的火山灰，經(jīng)長期積累作用或熱水作用過程而形成，多埋藏于地下80～100 m深處以下的礦山下層。據(jù)統(tǒng)計，全國有26個?。▍^(qū)）都有礦床，20世紀80年代地質(zhì)勘探部門估計吉林省天然鈉基土儲量130多億t[1]，儲量居全國之首。近幾年，隨著全國許多大、中城市實施地鐵、垃圾填埋場、城市水系水景觀等工程建設(shè)，對防滲提出了更高的要求，大量應(yīng)用天然鈉基膨潤土及其深加工的防滲毯，防滲毯在目前中國市場的推廣僅有3年多的時間。由于天然鈉基膨潤土開采難度大，開挖裝備投入量巨大，形成生產(chǎn)能力緩慢，因此市場價格較昂貴。像遼寧凌源礦在日本侵華時已開挖至140 m深，因裝備投入不足，早已停采[1]。

天然鈉基膨潤土屬于納米級無機材料，具有在吸水后可高度膨脹達到自身體積的20～28倍，并在水壓力作用下，分子間發(fā)生穿插排列，內(nèi)部空隙縮小形成致密的凝膠結(jié)構(gòu)層，水壓力越大其結(jié)構(gòu)層密度越高，且具有不老化、不變質(zhì)，天然、綠色、環(huán)保等特點。而天然鈉基膨潤土防水毯即是利用這些特點，將天然鈉基膨潤土顆粒填充于無紡土工布和有紡土工布之間，用特殊工藝和設(shè)備針刺方法連結(jié)而成的防滲體，是一項利用天然鈉基膨潤土與土工織物結(jié)合而成的新型技術(shù)。且該防滲體在制作過程中由于膨潤土顆粒是多向流動，因此，在防滲體內(nèi)全范圍形成均勻的防水層。其防水效果最佳，且不老化、不變質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于地下建筑工程、垃圾填埋場、地鐵工程、隧道、水庫、引水渠道、景觀湖等領(lǐng)域的防水和防滲、密封和隔離等。

2 天然鈉基膨潤土防水毯在渠道防滲工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

渾北灌區(qū)南干渠位于沈陽市于洪區(qū)丁香地區(qū)，全長4.09 km，屬灌、排兩用渠道。渠道斷面型式為梯形，渠底寬13～20 m不等，渠道比降1/3500，內(nèi)坡系數(shù)1.5。正常引水流量22.53 m3/s，平均流速0.85 m/s。部分渠段地基為沙土和沙壤土，并且有老河道穿過渠底與丁香湖相連，滲漏損失十分嚴重。緊鄰南干渠的丁香湖水面高程為36.50 m，渠道內(nèi)正常流量水面高程為38.94 m，水位相差2.44 m，水量滲漏長年發(fā)生。造成水量、水費矛盾糾紛十分突出，直接影響農(nóng)田灌溉工作正常進行，實施渠道防滲顯得尤為必要和緊迫。此次工程改造，水面線以下采用10 cm厚的鋼筋混凝土板護坡，護坡板長3.4～3.6 m，水平段長0.3 m插入土內(nèi)，防止頂端土體滑坡造成混凝土板破壞；坡腳處設(shè)置0.35 m×0.5 m鋼筋混凝土梁,渠底鋪設(shè)5.5 kg/m2天然鈉基膨潤土防水毯，之上覆蓋經(jīng)壓實達到60 cm厚的土層[2]。計劃工期為40 d，要求在5月10日前完工。

2.2 應(yīng)用設(shè)計與施工

1）設(shè)計型式。根據(jù)渠道底寬13～20 m不等的斷面型式，結(jié)合運輸、現(xiàn)場保管、吊裝、鋪設(shè)的要求，產(chǎn)品規(guī)格應(yīng)采用幅寬6 m、長20 m的天然納基膨潤土防水毯。

2）容量指標設(shè)計。天然鈉基膨潤土屬于天然納米材料，它對發(fā)揮防水、防滲功能起決定作用。因此，選擇每平米包含多少天然鈉基膨潤土是關(guān)鍵指標，它決定其他指標，如滲透系數(shù)、膨脹指數(shù)、吸藍量、耐久性等。所以，選擇每平方米包含不小于5 kg天然鈉基膨潤土的防水毯，經(jīng)國家建材中心檢測，滲透系數(shù)達到4.5×10-11cm/s量級，其空隙小于水分子直徑。

3）施工設(shè)計。在施工組織設(shè)計中，最關(guān)鍵的兩項內(nèi)容：一是與齒墻的連接及與護坡的錨固，這項工藝是決定能否達到整體防滲作用、無漏點、密封渠道最重要的環(huán)節(jié)。在施工前須進行圖紙作業(yè)。二是回填土層的設(shè)計與施工。根據(jù)《天然鈉基膨潤土防水毯（GCL）使用規(guī)范》，回填土壓實后厚度不小于30 cm，此工程是覆蓋經(jīng)壓實達到60 cm厚的土層，滿足要求?；靥钔撩軐嵍软氃?5%以上，要求壓力達到1.4～2.0 kPa。通常用填土或覆蓋保護層來解決。使其與回填的保護層緊密結(jié)合，在這種空間密閉壓力下，使天然鈉基膨潤土遇水膨脹后發(fā)生穿插排列，填充上下層微孔隙，共同形成耐久性整體防滲層 。

4）集中采購，統(tǒng)一標準、規(guī)格。主要是市場上存在大量的人工鈉化膨潤土，其防水毯的市場價不足10元/m2。遇水后，其先期指標也能達到天然鈉基膨潤土防水毯的指標。但是，堿溶化流失，帶走鈣基，壽命一般為1～3年。諸多失敗的案例證明，修復代價將是原造價的5～10倍。因此，建設(shè)單位實行集中招標采購，確保施工達到統(tǒng)一標準，統(tǒng)一質(zhì)量，以避免各標段施工企業(yè)自行采購造成防水毯質(zhì)量問題。統(tǒng)一規(guī)格，是為施工鋪裝時裁剪用料達到最省。

3 應(yīng)用分析

3.1 技術(shù)分析

3.1.1 天然鈉基膨潤土防水毯與土工膜、無紡布等防滲材料對比

1）自保水性、能永久發(fā)揮防滲能力的功能。因具有獨有的膨脹力，能滲透到發(fā)生裂紋內(nèi)部、追跡細微孔隙的能力，在水壓力下形成高密度凝膠層，厚度為3 mm時，相當于100倍的30 cm厚度粘土的密實度,透水性達到10-11cm/s量級。而且，時間的變化和周圍物質(zhì)的影響對其化學性質(zhì)的影響很小，不老化、不變質(zhì)。

2）施工簡單，適應(yīng)性強。人工鋪設(shè)簡單快捷，沒有加熱和粘貼等作業(yè)，對人體無害；不受天氣和施工環(huán)境影響，在寒冷、潮濕環(huán)境中可直接施工。對地基含水量和平整度要求低，即使土壤潮濕，也可鋪設(shè)；在搭接處撒上天然納基膨潤土粉，遇水后防水毯即能夠自行搭接，是目前唯一用水來啟動防滲功能的材料。在現(xiàn)有防水材料中，施工工期最短，操作最容易。

3）自我修補能力強，施工質(zhì)量保障程度高。以往的防滲材料施工，由于渠線長、鋪設(shè)面積大，施工質(zhì)量不好控制，很難保證一點破損都沒有，既不易被發(fā)現(xiàn)，還容易被忽視，往往因為粘貼不牢固，或針尖大的孔洞破壞，后期在高水位長時間的水壓力運行下會撕開大口子，在土工材料與基土之間形成水層，產(chǎn)生流動，基土被淘刷，運行2～3年全線防滲功能被破壞[1]。天然鈉基膨潤土防水毯與防滲對象的一體化，使天然鈉基膨潤土遇水時，具有20～28倍的膨脹能力，即使混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生震動和沉降，膨潤土也能馬上修補2 mm以內(nèi)混凝土表面的裂紋；即使直徑大到30 mm的穿孔，15 d內(nèi)便可完全恢復。

3.1.2 滲漏損失分析

1）滲漏量。天然鈉基膨潤土防水毯滲透系數(shù)達4.5×10-11cm/s，因此渠底滲漏損失量近似為0。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)》[3]，混凝土防滲按平均滲漏量 0.021 m3/（m2·d），混凝土板面積A=28626.6 m2，以2009年平水年的灌溉歷時 114 d，滲漏量為 68532 m3。

2）減少的滲漏損失。按照灌區(qū)多年統(tǒng)計平均值，泡插期干渠輸水滲漏損失12.3%，補水期損失11.6%，以2009年為典型年，總滲漏損失437萬m3。渠道防滲后滲漏損失減少 430.15 萬 m3。

3.2 經(jīng)濟分析

3.2.1 投資比較

為了達到最佳的防滲效果，根據(jù)《遼寧省沈陽市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)渾北中型灌區(qū)節(jié)水配套改造一期工程初步設(shè)計報告》[2]，推薦南干渠防滲方案：一是鋼筋混凝土板護坡與天然鈉基膨潤土防水毯護底；二是鋼筋混凝土板護坡、護底。由于護坡板、齒墻結(jié)構(gòu)型式一樣，所以主要是比較渠底部分防滲工程投資。方案一：現(xiàn)狀渠底開挖，鋪設(shè)天然鈉基膨潤土防水毯，采用渠底原土回填、壓實至設(shè)計渠底；方案二：清除渠底現(xiàn)狀淤泥平均厚60 cm，外購土回填壓實，鋪設(shè)10 cm厚鋼筋混凝土板。根據(jù)《初步設(shè)計報告》渠底工程量及造價核算，方案一投資356.07萬元，方案二投資585.87萬元。根據(jù)沈陽地區(qū)灌溉渠道施工經(jīng)驗和運行管理實踐證明，鋼筋混凝土板在北方寒冷地區(qū)運行2～3年，容易產(chǎn)生凍脹破壞，需采用新技術(shù)，增加渠底的防護措施，進一步增加投資。因此，按照節(jié)省投資的效果，初步選定第一方案。

3.2.2 投資評價

由于天然鈉基膨潤土防水毯與土工膜、無紡布等防滲材料相比，具有較高的市場價格的缺陷，因此，需開展經(jīng)濟指標評價，以確定工程投資在國民經(jīng)濟方面的可行性。

1）設(shè)計水平年選取2010年，現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)為0.49，毛灌溉定額 1.65×104m3/hm2。

2）年效益。 根據(jù)《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》[4]，按照“有無對比”的經(jīng)濟評價原則，按照節(jié)水430.15萬m3、毛灌溉定額1.65×104m3/hm2計算，相當于新增灌溉面積260.67 hm2；分灌溉前和灌溉后增加工程措施，按灌溉工程效益分攤系數(shù)0.48～0.5之間，取0.49計算，灌溉前糧食產(chǎn)量400 kg、灌溉后600 kg，糧食增產(chǎn)200 kg核算，節(jié)水灌溉效益為1470 kg/hm2，總計糧食增產(chǎn)383180 kg；按市場價格確定水稻的影子價格為3.0元/kg。年效益為1149540元；

3）工程經(jīng)濟投資。項目建設(shè)期為2個月，扣除稅金，經(jīng)濟投資為842.64萬元。

4）工程年運行費。按照沈陽地區(qū)農(nóng)業(yè)水費價格偏低的實際情況，不提取折舊費和流動資金。主要包括管理人員費用、動力費、運行維護費，合計是20.5萬元。

5）經(jīng)濟指標。根據(jù)《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》[4]，計算期按21年取、社會折現(xiàn)率按 8%取，經(jīng)計算，經(jīng)濟凈現(xiàn)值ENPV為59.77萬元 ，大于0；內(nèi)部收益率EIRR為9.01%，大于6% ；經(jīng)濟效益費用比RBC為1.80，大于1。

根據(jù)以上計算，選擇防水毯方案，評價指標較好，工程在國民經(jīng)濟上可行。

3.2.3 節(jié)省的成本

1）縮短工期，節(jié)約成本。防水毯的鋪裝是南干渠防滲工程建設(shè)工期控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在鋪裝時，只需由人工迅速平攤展開，按順水流方向，上游面搭接在下游面上即可，鋪裝快捷簡單，功效十分顯著。并且防水毯本身具有較大的自重和一定的厚度，只要不是雨天，即使大風天氣，也能正常鋪裝，大大縮短工期，顯著降低施工成本。經(jīng)測算，工期至少可提前5 d以上。

2）節(jié)約費用。由于沒有加熱和粘貼作業(yè)，不需要設(shè)置發(fā)電組等臨時動力。并且不需要二次加工連接防水毯，使整體鋪裝費用大大下降。同時，由于防水毯柔性好，對地基平整度要求不高，適應(yīng)性強，也降低了渠底整形的施工費用。經(jīng)測算，每平米鋪設(shè)可降低成本5元。

3）施工質(zhì)量保障程度高，節(jié)省后期運行管理費用。由于防水毯本身具有較大的自重和一定的厚度，除非人為故意破壞，否則不會出現(xiàn)漏洞和漏點。即使出現(xiàn)，也很容易檢測和確認，修補簡單。并且天然鈉基土具有永久不變質(zhì)、不老化的特點，不發(fā)生凍脹破壞等問題，永久發(fā)揮防滲功能，節(jié)省了后期運行管理費用，避免了重復建設(shè)。

4 主要施工工藝程序和注意事項

4.1 施工程序[5]

1）施工排水。作為灌溉引水渠道，地下水位較高，進行疏干排水，排空渠道地表水后，對渠道進行2～3 d晾曬，保證渠道表面干燥。

2）進行渠底基面處理。在渠底開挖達到設(shè)計要求后，清除尖石和土塊，去除施工碎片及其他有可能損害防水毯的異物，并按設(shè)計要求進行基礎(chǔ)壓實，鋪設(shè)回填土墊層。然后用壓實機將基面壓實，基面夯實達到85%以上,確保地基表面平整。

3）制定施工方案和技術(shù)交底。在開展前述工作的同時，制定具體的施工方案。主要包括機械吊裝、人工鋪設(shè)、搭接、與齒墻連接、修補等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)說明，特別是與齒墻的連接須進行設(shè)計圖紙作業(yè)。防水毯生產(chǎn)廠家負責提供經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員，對現(xiàn)場工人進行技術(shù)培訓和實地演練，確保施工人員完全掌握施工技術(shù)和細節(jié)操作。

4）吊裝運輸。采用機械吊裝，按鋪設(shè)方向輸送到渠底。

5）鋪設(shè)安裝。由人工迅速平攤展開,空間方向是無紡布面要朝上。并檢查有無漏洞、漏點及破損處，在其上均勻撒上1 cm厚膨潤土顆粒，裁剪充分大的防水毯覆蓋即可，完成防水毯鋪裝工作。然后，迅速回填土覆蓋防水毯。

4.2 關(guān)鍵工序和工藝

1）搭接部位處理[5]。防水毯的搭接方式是按順水流方向，上游面壓在下游面上，搭接寬度為30 cm。在重疊的寬度內(nèi)邊緣15 cm內(nèi)均勻撒放膨潤土顆粒，最小用量為0.45 kg/m。并保證搭接處一定無渣土或其他材料，保證干凈。

2）與齒墻連接。在回填土覆蓋防水毯時，要預(yù)留出齒墻的位置，齒墻以下防水毯之上填筑10～20 cm回填土，作為齒墻支撐面。防水毯經(jīng)齒墻底繞到堤坡處齒墻立面，錨固在模板內(nèi)側(cè)。模板拆除后，防水毯用鋼釘或細鋼筋頭每隔1 m錨固在堤坡上，之上澆筑混凝土護坡板。

3）回填土施工。鋪裝完成防水毯后，必須于當天完成回填土施工。并且達到回填土密實度在85%以上，檢測壓力達到2.0 kPa的規(guī)范要求。目的是使其達到必要的空間密閉壓力。

4.3 施工中應(yīng)注意的問題

天然鈉基膨潤土防水毯應(yīng)在無雨天氣下施工，防止膨潤土提前水化；機械輸送實行三點吊裝，確保平衡。千萬不能用鋼絲繩、鐵線等吊裝防水毯，必須用柔性吊裝帶。避免磨損破壞防水毯；在鋪裝過程中，平面不能有任何彎曲或褶皺；天然鈉基膨潤土防水毯的市場價格較高，由于渠道底寬不等，很容易出現(xiàn)裁減剩余或增加幅寬，需要統(tǒng)一調(diào)配，避免浪費。

5 結(jié)語

1）天然鈉基膨潤土防水毯具有天然、優(yōu)異的防水防滲功能，顯著減少渠道滲漏損失。并且從施工方法展現(xiàn)上，證明施工快捷簡單、適應(yīng)性強、施工質(zhì)量保障程度高等優(yōu)點，能有效縮短工期。該工程自2011年4月8日開工建設(shè)，至5月8日完工，實際完成渠道防滲長度3.98 km。共鋪設(shè)天然鈉基膨潤土防水毯56361 m2，這在沈陽市水利工程上首次應(yīng)用，取得了良好效果。經(jīng)省水利廳農(nóng)水處認定，在全省灌區(qū)改造中屬首次應(yīng)用，值得在渠道防滲工程中推廣應(yīng)用。

2）用天然鈉基膨潤土防水毯實施防滲工程，經(jīng)濟評價指標較好，在國民經(jīng)濟方面是可行的。并且由于縮短了工期，大大降低了施工成本，而且節(jié)省后期運行管理費用。實現(xiàn)了社會效益與經(jīng)濟效益的良性循環(huán)。

3）由于首次應(yīng)用天然鈉基膨潤土防水毯，從減少滲漏損失、實際節(jié)水效果方面，需進一步觀測以驗證防滲效果；在施工方法上，由于工期緊、鋪裝面積大，需進一步進行系統(tǒng)的探討和研究，以便完善。

［1］鞠建英.景觀湖渠及農(nóng)業(yè)用水庫渠耐久性防滲技術(shù)要點［S］.

［2］沈陽市水利建筑勘測設(shè)計院.遼寧省沈陽市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)渾北中型灌區(qū)節(jié)水配套改造一期工程初步設(shè)計報告［R］.

［3］SL18-2004，渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［4］國家發(fā)展改革委建設(shè)部.建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)（第三版）［M］.北京：中國計劃出版社，2006.

［5］天然鈉基膨潤土防水毯（GCL）使用規(guī)范［S］.長春：吉林劉房子膨潤土科技有限公司.