土壩（堤）的幾種防滲形式與應(yīng)用

摘 要：土壩的防滲體是工程成功的關(guān)鍵，而彈模較低、可塑性強(qiáng)的防滲材料（或復(fù)合材料），在中低水頭的設(shè)計(jì)中應(yīng)用范圍廣、使用面積大。本文對(duì)我國(guó)水利工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的防滲體形式進(jìn)行了總結(jié)，列出了不同的性能指標(biāo)和特點(diǎn)以及目前的應(yīng)用情況，為工程設(shè)計(jì)和施工提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

關(guān)鍵詞：土壩 防滲形式 性能 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0072-02

我國(guó)正處于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展期，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，表現(xiàn)在城市流動(dòng)性人口增加，建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，用水量急劇增加。而中小型水庫(kù)及塘壩建設(shè)以及河道的堤防加固治理正在全面展開(kāi)。結(jié)合這些小型土壩（堤）水利工程的特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)合理的防滲形式，是節(jié)省投資及檢驗(yàn)工程方案成功的標(biāo)志之一。本文總結(jié)幾種防滲體的形式和特點(diǎn)，以期為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 復(fù)合土工膜

土工膜分為瀝青和聚合物（合成高聚物）兩大類(lèi)，隨著工程需要與科技的發(fā)展，又產(chǎn)生了復(fù)合土工膜。復(fù)合土工膜分為2種：（1）將織物和膜共同加熱壓合而成；（2）在織物上涂抹膠粘劑粘合聚合物膜形成2層或多層（俗稱一布一膜等）的復(fù)合土工膜。具有以下特點(diǎn)。

（1）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗?jié)B性，耐高低溫，耐酸、堿、鹽等多種強(qiáng)酸強(qiáng)堿化學(xué)介質(zhì)腐蝕；滲透系數(shù)可達(dá)1×10-11～1×10-12cm/s。

（2）抗老化、抗紫外線、抗分解能力強(qiáng)，可裸露使用，材料使用壽命達(dá)50年至70年，采用的材料為無(wú)毒環(huán)保材料，防滲原理是普通物理變化。

（3）良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗穿刺能力，斷裂拉伸強(qiáng)度28 MPa，斷裂延伸率700%，可以抵抗大部分植物根系的破壞。

（4）施工速度快，防滲膜有很高的靈活性，有多種規(guī)格多種鋪設(shè)形式滿足不同工程防滲要求，采用熱熔焊接，焊縫強(qiáng)度高，焊接機(jī)焊接效果非常好，施工方便、快速健康。

迄今為止土工膜國(guó)外已有50多年的歷史，最初應(yīng)用于低水頭的渠道防滲，西班牙1984年用于壩高97 m的某堆石壩中；應(yīng)用土工膜防滲最高的是葡萄牙的paradela壩。我國(guó)滄州地區(qū)子牙新河深槽揚(yáng)張閣閘（流量300 m3/s）首次應(yīng)用復(fù)合土工膜防滲工程，其后得到快速發(fā)展。

2 土工合成材料膨潤(rùn)土墊（GCL）

土工合成材料膨潤(rùn)土墊（GCL）是在CCL（現(xiàn)場(chǎng)厚壓實(shí)粘土防滲村墊）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種介于CCL和高分子材料土工膜之間的一種防滲襯墊。GCL是工廠制造的由一層膨潤(rùn)土或其他低滲透性材料外覆土工織物或土工膜，通過(guò)針刺、縫合或化學(xué)粘合的方法復(fù)合制成的一種復(fù)合材料；也有的產(chǎn)品只有一層土工膜，其上有用粘合劑粘合的一層薄薄的膨潤(rùn)土。其特點(diǎn)如下。

（1）極好的柔性，在張應(yīng)變達(dá)到20%的情況下，其滲透率基本不變；用GCL作渠道襯墊，其挖方量顯著減?。慌cCCL相比，GCL搭接方便，便于安裝，施工速度快，工期短，節(jié)約了成本。

（2）有很強(qiáng)的自我愈合功能，由于膨潤(rùn)土的存在，它會(huì)使土工織物刺破處自我愈合。而且上下層土工織物在針刺或縫合纖維的作用下也約束了膨潤(rùn)土的移動(dòng)，進(jìn)一步提高了其自我愈合功能。

（3）抗張應(yīng)變能力強(qiáng)，GCL產(chǎn)品具有較大的彈性和可塑性，它們能變形到抵抗5%甚至更大的應(yīng)變而不會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)的大幅提高，如果在其上覆蓋一層厚土，GCL能承受的應(yīng)變可達(dá)30%且滲透系數(shù)無(wú)明顯變化。

（4）抗干濕循環(huán)能力強(qiáng)，GCL產(chǎn)品受熱后會(huì)出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，但當(dāng)脫水后的產(chǎn)品重新注水后，出現(xiàn)的裂縫會(huì)再次愈合，其水力傳導(dǎo)系數(shù)又會(huì)回到原先較低的數(shù)值?？箖鋈谘h(huán)能力強(qiáng)。

主要應(yīng)用于環(huán)境工程中的廢棄物填埋場(chǎng)、土石壩及堤防的防滲墻、渠道和儲(chǔ)油罐的防滲襯墊等工程中。濟(jì)南園博園景觀湖工程采用了全斷面整體防滲型式。主要分為湖底防滲和壩坡防滲兩部分，正常蓄水位以下壩坡和湖底采用復(fù)合土工膜防滲，上部壩坡采用GCL（膨潤(rùn)土墊）防滲。

3 自凝灰漿

自凝灰漿材料是用水泥、膨潤(rùn)土、緩凝劑和水配制而成的一種漿液，是一種新型的防滲材料，其成份為水泥、膨潤(rùn)土、水、外加劑等，施工中將上述材料預(yù)先攪拌均勻，形成自凝灰漿，然后注入槽孔凝固成墻體。自凝灰漿常用的配合比可采用水泥∶膨潤(rùn)土∶水=0.267∶0.083∶1左右，也有加摻合料（如砂、粉煤灰、石粉等）的，緩凝劑一般可采用葡萄糖酸鈉、焦磷酸鈉、磷酸氫二鈉或木質(zhì)素磺酸鹽等。

與常規(guī)混凝土防滲墻相比，自凝灰漿防滲墻具有彈模低、施工工藝簡(jiǎn)單、施工效率高、節(jié)約水泥、防滲效果好、造價(jià)低防滲可靠等特點(diǎn)，同時(shí)，還克服了混凝土防滲墻槽孔搭接問(wèn)題，能適應(yīng)較大變形。

自凝灰漿凝固后，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.1～0.5 MPa；變形模量為40～300 MPa，無(wú)側(cè)限極限應(yīng)變?yōu)?.6%～1.0%；當(dāng)側(cè)限壓力為0.1～0.3 MPa時(shí)，極限應(yīng)變?yōu)?%～5%，與土層和砂礫石層十分接近。滲透系數(shù)在1×10-6～10-7cm/s之間。

自凝灰漿柔性墻體材料在20世紀(jì)60年代首先由法國(guó)地基公司開(kāi)發(fā)的。此后，在低水頭堤、壩基礎(chǔ)防滲和臨時(shí)圍堰防滲工程中得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用，國(guó)外自凝灰漿防滲墻最大墻深已達(dá)50 m。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)應(yīng)用較為緩慢，1985年，深圳大亞灣核電站做成了我國(guó)第一道自凝灰漿防滲墻。2002年，我國(guó)自主研發(fā)的自凝灰漿墻體材料，成功應(yīng)用于三峽圍堰工程，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 固化灰漿

固化灰漿是在自凝灰漿的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是在單元槽段造孔完畢后，向槽孔內(nèi)的泥漿中加入水泥等固化材料，砂、粉煤灰等摻合料以及水玻璃等固化劑和外加劑，經(jīng)機(jī)械攪拌或壓縮空氣攪拌后形成的防滲固結(jié)體。漿材固化工藝有原位置換法和攪拌法二種。置換法是通過(guò)泵送漿材將槽內(nèi)泥漿置換掉，該法不能充分利用槽內(nèi)既有泥漿，漿材配制成本高，泥漿浪費(fèi)嚴(yán)重，且槽段連接質(zhì)量差；攪拌法是采用泵吸反循環(huán)或壓縮空氣等方式實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)既有泥漿和后期灌注漿材混合的。

固化灰漿具有凝結(jié)時(shí)間可控性好，固結(jié)體具有較好的防滲性能和抗侵蝕性能以及其他的性能特點(diǎn)，如：抗壓強(qiáng)度和彈性模量適宜、與地基變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、現(xiàn)場(chǎng)配制方便、不受成槽時(shí)間限制、能充分利用槽孔內(nèi)廢泥漿成本低等。一般采用粘土漿或膨潤(rùn)土漿作為固化灰漿防滲墻，其墻體28d抗壓強(qiáng)度0.5～1.5 MPa，彈性模量50～800 MPa，單位吸水率W=10-8 m/s（相當(dāng)于滲透系數(shù)為H>10-6～10-8 cm/s）。

目前為止我國(guó)僅在四川銅街子、湖北王甫州等少數(shù)工程采用固化灰漿作防滲墻體材料。湖北的王甫州水利樞紐圍堰防滲墻采用原位風(fēng)攪法施工，即在抓斗挖槽完畢后，向槽內(nèi)加入固化劑和水泥砂漿，用空氣壓縮機(jī)的高壓風(fēng)攪拌均勻后靜置硬化成墻。

5 砼連續(xù)墻

根據(jù)材料組成不同分為砼連續(xù)墻和塑性砼連續(xù)墻；根據(jù)成墻方式又分為液壓抓斗法、深層攪拌法、振動(dòng)切槽法、振動(dòng)沉模法、鋸槽法以及射水法振動(dòng)射沖成槽建造砼防滲墻等。

砼連續(xù)墻是很成功的一種防滲技術(shù)；塑性砼是用粘土、膨潤(rùn)土等混合材料取代普通混凝土中大部分水泥而形成的一種柔性墻體材料，塑性混凝土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值一般不大于5 MPa，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，后期增長(zhǎng)速率較高，通常60d和180d強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的1.5和1.8倍；抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/7～1/12。塑性混凝土的變形模量一般不超過(guò)2000 MPa，與抗壓強(qiáng)度基本上呈直線關(guān)系；其無(wú)側(cè)限極限應(yīng)變可達(dá)到0.33%～0.70%；其破壞滲透比降可達(dá)300以上；滲透系數(shù)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。評(píng)價(jià)塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是：在強(qiáng)度一定的條件下，彈性模量與抗壓強(qiáng)度的比值越小越好。

塑性混凝土的水泥用量為80～150 kg/m3，膨潤(rùn)土用量不宜小于40 kg/m3，膠凝材料總用量（包括土料、粉煤灰等）不宜小于240 kg/m3，砂率不宜小于45%；一般采用一級(jí)配骨料，當(dāng)采用二級(jí)配骨料時(shí)，小石與中石的用量比不宜小于1.0。

國(guó)內(nèi)多家單位對(duì)塑性混凝土墻體材料進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)并取得了豐碩的成果。山東省在曲阜尼山大型水庫(kù)、乳山市院里中型水庫(kù)、膠州大王邑小型水庫(kù)、棗莊大鮑莊水庫(kù)、新泰桃花峪水庫(kù)、等工程采用塑性混凝土防滲墻。表1是尼山與院里水庫(kù)的配合比及性能表。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）土壩（堤）的防滲體是工程成功的關(guān)鍵，而彈模較低、可塑性強(qiáng)的防滲材料（或復(fù)合材料）在中低水頭中應(yīng)用范圍廣、使用面積大。本文列舉了幾種低彈模的防滲形式，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

（2）復(fù)合土工膜技術(shù)應(yīng)用技術(shù)較為成熟，土工合成材料膨潤(rùn)土墊、自凝灰漿、固化灰漿、塑性混凝土等墻體材料有適宜的強(qiáng)度、較低的彈性模量、與地基有較好的變形協(xié)調(diào)性、良好的抗?jié)B性能、較好的抗侵蝕性能及凝結(jié)時(shí)間可控性好等方向發(fā)展，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（3）水利工程的防滲性是區(qū)別于其它工程的特點(diǎn)之一，因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合工程的具體條件，經(jīng)綜合比較確定合理可行的防滲方案。