鈉基膨潤土防水毯在滹沱河防洪整治中的試驗研究

張 潮，朱永濤，趙曉龍，趙偉鑫，朱向梅

（1.河北省水利科學研究院，石家莊050051；2.石家莊市水土保持工作總站，石家莊050051）

1 工程概況

滹沱河為海河水系的主要河流之一，發(fā)源于山西繁峙縣，流經(jīng)代縣、原平和忻定盆地之后，穿太行峽谷，流域總面積2.496萬km2，干流總長588km，河道寬度700～7000m2，是石家莊的主要水源地。滹沱河防洪綜合整治工程規(guī)劃治理范圍為黃壁莊水庫至藁城東界，全長70km。整體工程分三期實施，主要包括防洪工程、生態(tài)工程、井灌工程和配套工程四部分，總投資62.34億元。

20世紀70年代，石家莊市區(qū)河道陸續(xù)修建了護岸工程，河勢已基本得到控制，但在防洪建設(shè)方面仍處于滯后階段，整體的防洪標準偏低，當遭遇50年一遇洪水時，洪水面寬度可達2～5km，河道現(xiàn)有防洪工程措施與防洪需求之間的矛盾十分突出［1］。滹沱河的沿岸地區(qū)作為石家莊的重要組成部分和城市規(guī)劃重點發(fā)展區(qū)域，在未來社會經(jīng)濟中的地位不斷增強，因此，滹沱河迫切需要進行生態(tài)防洪整治建設(shè)，而防滲技術(shù)在防洪綜合整治中尤為突出重要。為解決滹沱河河道滲漏問題，整治工程中采用了一種新型環(huán)保防滲材料——鈉基膨潤土防水毯。鈉基膨潤土防水毯具有密實性好、柔韌性好、抗拉強度高、抗?jié)B性能強、抗凍性能穩(wěn)定、施工簡便和綠色環(huán)保等特點，廣泛應(yīng)用于土木、水利、環(huán)保等工程中［2-9］。

目前，國內(nèi)外學者針對影響膨潤土防滲性能的不同因素做了大量的試驗研究，但對于鈉基膨潤土防水毯應(yīng)用于渠道防滲的研究較少［14-18］。因此，結(jié)合滹沱河防洪綜合整治工程，選取合適場地建立鈉基膨潤土防水毯試驗?zāi)Ｐ?，著重研究不同的試驗水頭、水溫和天氣條件（溫度、風力）對鈉基膨潤土防水毯模型的滲水量、水分蒸發(fā)量及滲透系數(shù)的影響變化規(guī)律，并驗證鈉基膨潤土防水毯的高密度、高防水等特點，從而為鈉基膨潤土防水毯在滹沱河防洪工程的防滲應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，同時也推動了鈉基膨潤土防水毯在我國水利工程建設(shè)的發(fā)展。

2 簡介

鈉基膨潤土防水毯 （Geosynthetic Clay Liner，簡稱GCL）是一種新型的環(huán)保型土工合成材料，具有優(yōu)異的抗?jié)B、抗凍融、自密封強、儲水和涵養(yǎng)地下水等特性，同時又因其施工便捷、修補性強，主要用于土木工程、水利工程、環(huán)保工程中的防滲或密封項目，目前有三種型號，分別為針刺法鈉基膨潤土防水毯（表示代號為GCL-NP），針刺覆膜法鈉基膨潤土防水毯（表示代號為GCL-OF），膠粘法鈉基膨潤土防水毯（表示代號為GCL-AH），如圖1。

圖1 膨潤土防水毯型號

鈉基膨潤土防水毯的單位面積質(zhì)量分別為：4000，4500，5000，5500g/m2等。本次滹沱河防洪綜合整治工程中使用的鈉基膨潤土防水毯型號為針刺法鈉基膨潤土防水毯，表示代號為GCL-NP，防水毯的單位面積質(zhì)量5000g/m2。試驗對單位面積質(zhì)量5000g/m2的針刺法鈉基膨潤土防水毯進行物理力學性能檢測，結(jié)果如表1。

表1 針刺法鈉基膨潤土防水毯的物理力學性能指標

3 鈉基膨潤土防水毯模型試驗設(shè)計

3.1 模型建立

為減少鈉基膨潤土防水毯模型中的水面與大氣的接觸面、防止模型日曬和便于試驗操作，模型場地設(shè)在陰涼處，并以相關(guān)滲透材料裝置為基礎(chǔ)，采用垂直地面的圓柱體結(jié)構(gòu)。試驗分別以1.5，2.0，2.3，2.5，2.8，3.0m不同高度的水位水頭，測定24h的滲水量及同時間的蒸發(fā)量，并通過相關(guān)公式計算滲透系數(shù)。

模型的平臺尺寸大小為3.5m×3.5m×0.4m，用砂漿抹平外表。模型采用圓柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑1.70m，高4.0m的混凝土預(yù)制管作為模型主體。待模型平臺砂漿充分凝結(jié)干燥后，將預(yù)制水泥管放置在平臺中央，并架設(shè)腳手架以輔助試驗。在管底部留出水口，用橡皮泥封閉出水管與管壁之間的縫隙后，在管底及四壁作防水涂層。待防水涂層完全風干后，底部依次鋪厚50cm砂料墊層、鈉基膨潤土防水毯，兩者間的接觸處灌入聚硫密封膠。密封膠凝固后，對砂墊層及防水毯進行排氣處理。在緊貼管內(nèi)壁自防水毯至模型頂部安裝精度為1mm的鋼尺，監(jiān)測其水泥管內(nèi)的水位。為模擬施工現(xiàn)場條件，在防水毯上鋪一層厚5.0cm的砂層，并放置2層邊長為15cm的膠結(jié)砂試塊。試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2，模型截面積為2.27萬cm2。

圖2 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

3.2 模型特殊條件處理

3.2.1 砂墊層中空氣處理

用聚硫密封膠封閉管底防水毯與管壁，待完全干硬后，自出水口充水，使預(yù)制管內(nèi)的水位略高于防水毯（由于防水毯未處于較干燥狀態(tài)，防滲效果較差，所以水流較易穿過防水毯滲出），并保持一定高度，利用水流排出空氣。之后封閉出水口，從預(yù)制管上口處進水至0.5m深處，浸泡防水毯2d，使膨潤土可以充分吸水膨脹后形成防水層。

3.2.2 水分控制

為減少試驗中由于水分蒸發(fā)引起的試驗結(jié)果偏差，除采用垂直地面的模型結(jié)構(gòu)外，另在模型頂部覆蓋塑料薄膜，盡量減少水分蒸發(fā)，并且在試驗過程中當水位低于試驗水頭時，應(yīng)及時補水。

3.3 試驗步驟

（1）當鈉基膨潤土模型內(nèi)水位達0.5m時，保持水位不變，使砂、膠結(jié)砂和防水毯達到吸水飽和狀態(tài)，直至出水口滲出水。

（2）繼續(xù)蓄水至1.5m后，每隔2h測讀1次水位、水溫和出水管滲水量，當連續(xù)5次滲水量差值不大于5%時即可結(jié)束。經(jīng)過有關(guān)計算得到該水位24h防水毯單位面積的滲水量。

（3）在緊鄰模型旁邊放置1000mL量筒，測讀相同條件下的水分蒸發(fā)量。

（4）其他水位試驗方法同上。

4 試驗數(shù)據(jù)采集

4.1 滲水量數(shù)據(jù)采集

按照上述試驗步驟，對不同試驗水頭、水溫、天氣條件下，不同水位下24小時滲水量測量結(jié)果如表2。

表2 不同水位下24h滲水量測量結(jié)果

續(xù)表1

從表2試驗水頭與24h平均水位下降量的試驗數(shù)據(jù)中可以看出，隨著防水毯承壓水頭的增加，24h平均水位下降量（含當天的天然蒸發(fā)水量）也呈逐步增加的趨勢，這主要是由于水位增加后，滲透水流在水壓力的作用下加速了滲流速度，使單位時間內(nèi)的滲透水量增加的結(jié)果。同時，從同水頭情況下，不同時段測度的滲水量及換算出的24h水位下降量的試驗數(shù)據(jù)可以看出，防水毯的單位滲水量與測量時段的試驗水溫有明顯關(guān)系，當試驗水溫升高時，滲透水量會有所增加，主要是由于水溫升高后，水的動力粘滯系數(shù)變小，加速了水的滲流速度，也促使了單位時間內(nèi)的滲透水量增加。

4.2 蒸發(fā)量數(shù)據(jù)采集

按照試驗步驟，測得不同試驗水頭條件下24h滲水量測量結(jié)果如表3。

表3 24h蒸發(fā)量測量結(jié)果

根據(jù)表3中，24h水分蒸發(fā)導(dǎo)致的水位下降量與防水毯滲透引起的水位下降量之和可以得出，防水毯用于滹沱河防洪綜合整治工程后，在相似天氣情況下，每天水位的下降量應(yīng)在1.24～1.70cm之間。

4.3 滲透系數(shù)計算

依據(jù)SL/T235—1999 《土工合成材料測試規(guī)程》中土工織物垂直滲透試驗的滲透系數(shù)計算方法：

式中 k20為20 ℃時試樣的滲透系數(shù) （cm/s）；W為滲透水量（cm3）；δ為試樣厚度（cm）；A為試樣過水面積（cm2）；Δh為上下面水位差（cm）；t為通過水量W的歷時（s）；ηt為試驗水溫T（℃）時水的動力粘滯系數(shù)（kPa·s）；η20為20 ℃時水的動力粘滯系數(shù)（kPa·s）。

根據(jù)式（1）計算出鈉基膨潤土防水毯在不同試驗水頭下的滲透系數(shù)，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同水位的滲透系數(shù)結(jié)果

從表4中的不同水位下滲透系數(shù)值可以看出，隨著水頭的增加，防水毯的滲透系數(shù)反而偏小，究其原因是防水毯以2mm膨潤土顆粒填充在無紡織布之間制成的。在試驗水頭增加的情況下，膨潤土顆粒在水壓的作用下吸水膨脹后，填充顆粒之間的縫隙形成的防水層，在一定的空間內(nèi)，水壓力越大，膨潤土膨脹后防水層越密實，滲透系數(shù)反而會降低，防水效果逐漸增強。

5 試驗結(jié)果分析

對模型試驗結(jié)果進行系統(tǒng)的匯總，如表5。由表5中試驗水頭與20 ℃時試樣的滲透系數(shù)關(guān)系得出以下關(guān)系曲線，如圖3。

表5 不同水位的試驗結(jié)果匯總

圖3 水頭—滲透系數(shù)關(guān)系

從表5和圖3可知，在滹沱河生態(tài)防洪工程中應(yīng)用的鈉基膨潤土防水毯，其滲透系數(shù)與水頭所成關(guān)系為：y=6.97x-0.49，相關(guān)系數(shù)為R=-0.9481。

6 結(jié)語

（1）鈉基膨潤土防水毯在不同水壓下，吸水量逐漸增大，使膨潤土膨脹后更密實，滲透系數(shù)反而會逐漸減小，增強了鈉基膨潤土防水毯的防滲效果。

（2）在鈉基膨潤土防水毯模型中，膨潤土防水毯在不同試驗水頭、天氣條件和水溫中得到滲水量隨著水頭的增加而增加，滲透系數(shù)反而越小，鈉基膨潤土防水毯滲透系數(shù)與水頭成非線性關(guān)系：y=6.97x-0.49，相關(guān)系數(shù)為R=-0.9481。

（3）根據(jù)表3中，24h水分蒸發(fā)導(dǎo)致的水位下降量與防水毯滲透引起的水位下降量之和可以得出，防水毯用于滹沱河防洪綜合整治工程后，在相似天氣情況下，每天水位的下降量應(yīng)在1.24～1.70cm之間。

［1］王學廣，王澤秀.滹沱河石家莊市區(qū)段河道人工湖防滲技術(shù)研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2009，7（3）：38-41.

［2］周長江.膨潤土防水毯在水利工程中的應(yīng)用［J］.福建建材，2011（6）：73-74.

［3］鞠建英.防滲膨潤土的研究及其在工程中的應(yīng)用［J］.水利水電科技進展，2000，20（5）：27-29，63.

［4］趙連強，晏發(fā)明，陳濟美，等.鈉化膨潤土作為防水材料的試驗研究［J］.資源環(huán)境與工程，2010，24（1）：82-84.

［5］高莉.膨潤土防水毯在地下防水工程中的應(yīng)用［J］.安陽工學院學報，2010（4）：81-82.

［6］巴圖.膨潤土防水毯特性測試及對其防滲性能影響的研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2011.

［7］JG/T 193—2006，膨潤土防水毯的行業(yè)標準［S］.

［8］周春生，史海濱，于健，等.GCL用于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)渠道防滲的適用性研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2010，31（2）：253-257.

［9］Lee J M，Shackelford C D，Benson C H，et al.Correlating index properties and hydraulic Conductivity of geosynthetic clay liners［J］.Journal of Geoteehnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（11）：1319-1329.