希德拉頓顆粒鋪蓋防滲性能試驗

梁 越，馬士謙，魏 琦，楊德宏，張宏杰

(1.重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074；3.長江水利水電開發(fā)集團有限公司，湖北 武漢 430000； 4.重慶諾為生態(tài)環(huán)境工程有限公司，重慶 404100)

據(jù)水利部統(tǒng)計[1]，我國共有水庫98 112座，其中大型水庫744座、中型水庫3 978座。很多水庫建于20世紀(jì)50—70年代，由于當(dāng)時填筑技術(shù)的不成熟及年久失修，導(dǎo)致土石壩出現(xiàn)各種隱患，滲漏便是土石壩常見的隱患之一[2]。滲漏不僅會導(dǎo)致水資源的流失，還可能通過內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致大壩潰決。因此，對土石壩滲漏進行探測和修補尤為重要。隨著高密度電阻率法[3-4]、瞬變電磁法[5-6]、流場法[7-8]和電阻率層析法[9-10]等大地物理探測方法在土石壩滲漏探測研究的迅速發(fā)展，用于預(yù)防和修復(fù)土石壩滲漏的結(jié)構(gòu)和材料也得到了廣泛的發(fā)展。目前，對于大壩加固防滲措施，常用的是在大壩臨水一面設(shè)置防滲透保護墻技術(shù)和灌漿加固水壩技術(shù)[11]。在設(shè)置防滲墻技術(shù)方面，我國在施工機具、固壁泥漿、施工工藝、混凝土材料等方面均取得了重大突破性創(chuàng)新。在一些典型技術(shù)域，如超深防滲墻技術(shù)、病險水庫防滲加固、圍堰防滲墻的特殊施工工藝等方面都有重大突破[12]，如郭成超等[13]對高聚物超薄防滲墻施工設(shè)備及工藝進行改進，保證了高聚物防滲墻的垂度及搭接完整性，提高了設(shè)備工作效率，加快了工程施工進度。雖然這些技術(shù)有其優(yōu)點，但也存在施工難度大、防滲材料容易老化破損等缺點。近年來，科研人員研究出一些新型防滲材料。如談葉飛等[14]利用微生物巴氏芽孢桿菌對尿素進行水解產(chǎn)生大量碳酸根離子，并和鈣鎂離子結(jié)合生成碳酸鈣沉積，可以用來堵塞壩體內(nèi)部孔隙。翟祝賀等[15]將新型防水防滲材料聚脲防水涂料應(yīng)用在回龍抽水蓄能電站工程中，使其滲漏量大大降低，驗證了聚脲防水涂料作為防滲材料的優(yōu)異性能。Jiang等[16]在實驗室通過使用不同粒度的砂-高嶺土混合物，檢驗了微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀(MICP)用于內(nèi)部侵蝕控制的適用性。試驗結(jié)果表明，土壤特性(如顆粒級配)對MICP是否適合防治壩體內(nèi)部侵蝕非常重要。Gao等[17]提出了一種基于MICP的土壤改良方法，并通過試驗證明經(jīng)過該生物處理的土壤抗?jié)B性遠遠高于未經(jīng)處理的土壤。該方法可用于控制砂質(zhì)土壤上修建的水庫的滲漏。以上這些材料及方法都有一定的局限性，需要較長的時間發(fā)揮其作用，且更適用于防治壩體內(nèi)部滲漏。

希德拉頓顆粒[18]是一種新型的防滲材料，由膨潤土、石英芯和聚合物黏合劑混合而成，內(nèi)核為石英，外層為干燥的有機礦物包裹層，遇水形成水合物并凝聚，就能起到防滲的作用。與天然黏土、HDPE膜等傳統(tǒng)的防滲材料相比，希德拉頓顆粒有極低的滲透率、更好的協(xié)調(diào)變性能力和自修復(fù)能力。這些優(yōu)點可使希德拉頓顆粒材料在堤壩、堤防滲漏修補等防滲工程中發(fā)揮良好的作用。本文通過堆建3座內(nèi)含不同滲漏隱患的土石壩模型，在壩面的滲漏進口處鋪蓋不同厚度和不同面積的希德拉頓顆粒，并統(tǒng)計滲漏流量隨時間的變化，以探討希德拉頓顆粒的防滲性能。

1 模型試驗方案

1.1 模型設(shè)計

試驗在混凝土槽內(nèi)進行，模型槽內(nèi)部凈空尺寸(長×寬×高)為3.6 m×1.0 m×0.8 m。為防止試驗過程中墻面滲水引起較大誤差，壩體與混凝土槽四周接觸帶處均進行了防水處理。試驗設(shè)計3種不同堤壩滲漏類型，分別為接觸帶滲漏、集中滲漏和庫底滲漏。接觸帶滲漏模型與集中滲漏模型如圖1、圖2所示，其壩高均為0.70 m，壩頂寬0.20 m，上下游坡腳距離2.30 m，上下游坡比均為 1∶1.5，其中接觸帶滲漏模型預(yù)設(shè)的滲漏帶厚50 mm、寬0.6 m、長1.7 m；集中滲漏模型的滲漏帶采用長1.7 m、直徑20 mm的 PVC管模擬，管中填充卵石。其滲漏中心軸線距離壩底均為0.2 m。庫底滲漏模型如圖3所示，壩高為0.4 m，壩頂寬為0.3 m，上下游坡腳距離為1.5 m，滲漏帶的進水口和出水口采用PVC管模擬，內(nèi)部預(yù)設(shè)的滲漏帶厚100 mm，寬0.6 m，長1.1 m。

圖1 接觸帶滲漏模型示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of contact leakage model(Unit：mm)

圖2 集中滲漏模型示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of concentrated leakage model(Unit：mm)

圖3 庫底滲漏模型示意圖(單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of reservoir bottom leakage model(Unit：mm)

1.2 試驗材料

建造土壩所用的土料天然密度為2.43 g/cm3，天然含水率為1.76%，飽和密度為2.72 g/cm3，土粒比重Gs為2.71。通過篩分法得到粒徑級配并繪出顆粒級配累計曲線，算出不均勻系數(shù)Cu=17.3和曲率系數(shù)Cc=1.56，由此可知試驗材料級配良好，適合作為土壩填筑材料。滲漏帶填充材料采用粒徑為8～10 mm的卵石。防滲材料采用希德拉頓顆粒如圖4所示，顆粒外觀整體呈灰白色，散粒狀。其基本物理性質(zhì)為：天然密度ρ松裝為1.308 2 g/cm3，密裝為1.486 1 g/cm3；干密度ρd松裝為1.274 7 g/cm3，密裝為1.448 0 g/cm3，天然容重γ松裝為12.820 4 kN/m3，密裝為14.563 8 kN/m3；干容重γd松裝為12.492 1 kN/m3，密裝為14.190 4 kN/m3；飽和容重γsat松裝為17.522 4 kN/m3，密裝為18.570 0 kN/m3；孔隙比e松裝為1.055 5，密裝為0.808 7；比重Gs為2.620；自由膨脹率δef為20%；內(nèi)摩擦角φu為27.57°；黏聚力cu為30.95 kPa[18]。φu和cu是用水合希德拉頓顆粒測試的。

圖4 希德拉頓顆粒Fig.4 Photograph of the Sidraton particles

1.3 試驗流程與試驗工況

試驗主要包括3個步驟：①將希德拉頓顆粒鋪蓋在壩面滲漏處，向下游加水至剛好與滲漏口中心線平齊，向上游加水至預(yù)定水位，此時水流經(jīng)滲漏帶流向下游。維持上游水位高度不變，直至下游集水口有水流出，維持上下游水頭差不變，開始測量。②每次測量連續(xù)進行4組，每組測量進行30 s，測量時用量桶收集所流出的水量，計算滲漏流量，視情況每隔5～20 min測量一次，直至流量為0或一段時間內(nèi)流量變化不明顯。③測量完成后，排出水槽中的水，清理壩面的希德拉頓顆粒，鋪蓋下一工況的希德拉頓顆粒，并重復(fù)步驟①②。

依照上述步驟進行試驗，通過改變鋪蓋厚度和鋪蓋面積，研究希德拉頓顆粒鋪蓋的防滲效果。針對不同滲漏類型，共設(shè)計18種工況，詳細試驗方案見表1。

表1 希德拉頓顆粒鋪蓋防滲性能試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接觸帶滲漏模型試驗

在進行接觸帶滲漏模型的希德拉頓顆粒鋪蓋防滲試驗時，不同鋪蓋條件下所測滲漏流量Q隨水化時間T的變化如圖5所示。

圖5 希德拉頓顆粒對接觸帶滲漏模型防滲性能影響Fig.5 Influence of Sidraton particles on anti-seepage characteristics of contact leakage model

在圖5(a)中，T=0時，雖然希德拉頓顆粒的鋪蓋厚度不同，但由于希德拉頓顆粒剛接觸水沒有立即膨脹，且希德拉頓顆粒層的滲透系數(shù)較大，因此不同厚度的希德拉頓顆粒層對滲漏的阻擋效果十分接近，滲漏流量均在78.5 mL/s左右。隨著水化的進行，希德拉頓顆粒的鋪蓋厚度對防滲效果的影響逐漸顯現(xiàn)。隨著厚度的增加，滲漏流量的減小速率增大。其中A1、A2組鋪蓋厚度對防滲效果的影響差別不大，A3組防滲效果對比A1、A2組明顯更好，滲漏流量曲線下降最快且達到最優(yōu)防滲效果的時間最短。試驗結(jié)束時3組試驗滲漏流量均在1mL/s以下。試驗結(jié)束后，將希德拉頓顆粒從壩體表面清除時，可以明顯看到有水流從下游壩面流出，表明希德拉頓顆粒很好地將滲透水流阻隔在上游。綜上所述，對于接觸帶滲漏模型的防滲，希德拉頓顆粒鋪蓋防滲效果十分顯著，且鋪蓋厚度越大，防滲效果越好。

在圖5(b)中，B3組的試驗效果在前30 min不如B1、B2組，但在30 min之后產(chǎn)生了比B1組更好的效果。B2組的防滲效果始終較B1和B3組更好(在經(jīng)過3組重復(fù)試驗后，仍得到相同結(jié)果)，表明希德拉頓顆粒在接觸帶滲漏模型的鋪蓋防滲試驗中，鋪蓋面積并非越大越好，在鋪蓋面積超過一定范圍后，防滲效果反而變?nèi)酢?/p>

2.2 集中滲漏模型試驗

集中滲漏模型的希德拉頓顆粒鋪蓋防滲試驗，不同鋪蓋條件下Q隨T的變化如圖6所示。

圖6 希德拉頓顆粒對集中滲漏模型防滲性能影響Fig.6 Influence of Sidraton particles on anti-seepage characteristics of concentrated leakage model

在圖6(a)中，T=0時，集中滲漏較為嚴重，滲漏流量達35 mL/s。鋪蓋希德拉頓顆粒之后，隨著水化的進行，3組試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的差別。在前20 min時C1組比C2組的防滲效果好，20 min之后C2組的防滲效果明顯優(yōu)于C1組。C3組在整個試驗過程中防滲效果明顯優(yōu)于C1、C2組。由于集中滲漏的滲漏面積較小，因此在鋪蓋面積不變的情況下，希德拉頓顆粒鋪蓋效果隨鋪蓋厚度的增大而提高，厚度最大的C3組達到最優(yōu)防滲效果的時間最短。不同鋪蓋厚度下希德拉頓顆粒的防滲效果不同，說明鋪蓋厚度對于集中滲漏的防滲有一定的影響，且防滲效果隨著厚度的增加而提高。在圖6(b)中3條曲線在開始前20 min變化大致相同，在20 min之后鋪蓋面積最小的D1組防滲效果較差，D2組的防滲效果最好，達到最優(yōu)防滲效果的時間最短。表明希德拉頓顆粒在集中滲漏模型的鋪蓋防滲試驗中，并非鋪蓋面積越大防滲效果越好，鋪蓋面積超過一定值后，防滲效果反而變?nèi)酢?/p>

2.3 庫底滲漏模型試驗

庫底滲漏模型的希德拉頓顆粒鋪蓋防滲試驗，不同鋪蓋條件下Q隨T的變化如圖7所示。

圖7 希德拉頓顆粒對庫底滲漏模型防滲性能影響Fig.7 Influence of Sidraton particles on anti-seepage characteristics of reservoir bottom leakage model

在圖7(a)中，隨著厚度的不斷增加，滲漏流量的減小速率越大，3組試驗結(jié)果差別越明顯。在開始的前55 min，希德拉頓顆粒鋪蓋效果隨鋪蓋厚度的增大而提高，55～65 min，E2組的防滲效果更好。試驗結(jié)束時，E3組的防滲效果比E1、E2組更好，其滲漏流量最小。不同鋪蓋厚度下希德拉頓顆粒的防滲效果不同，說明鋪蓋厚度影響庫底滲漏模型的防滲效果，防滲性能隨著厚度的增加而提高。圖7(b)中3條曲線在開始的前30 min變化大致相同，其防滲效果隨鋪蓋面積的增大會有細微區(qū)別。35 min之后，鋪蓋面積最小的F1組的防滲效果明顯劣于F2、F3組，F(xiàn)2、F3組的防滲效果大致相同。表明希德拉頓顆粒在庫底滲漏的鋪蓋防滲試驗中，鋪蓋面積對防滲效果并不起決定作用，鋪蓋面積達到一定值時防滲性能不再增強。

3 討 論

a.在接觸帶滲漏模型試驗過程中，每次試驗后會對膨脹的希德拉頓顆粒進行清理。改變鋪蓋厚度試驗后，在維持壩體不變的條件下，對壩體表面希德拉頓顆粒進行清理，同時對接觸帶表面的卵石進行清洗替換，導(dǎo)致改變鋪蓋面積試驗所測的初始流量較之前大。

b.在接觸帶滲漏模型和集中滲漏模型改變鋪蓋面積的試驗過程中，鋪蓋面積增大防滲效果反而變差。原因可能是鋪蓋面積過大，導(dǎo)致希德拉頓顆粒鋪蓋整體質(zhì)量過大。在重力的作用下，沿著迎水坡面向下滑移，而由于希德拉頓顆粒表面的有機礦物包裹層具有黏性，會攜帶土壩表層的黏土一同向下移動，反而使得滲漏處周圍的土層變薄，水更易流過，因此導(dǎo)致防滲效果變差。

4 結(jié) 論

a.試驗所測得滲漏流量都隨水化時間呈指數(shù)下降，對于接觸帶滲漏破壞，滲漏流量受希德拉頓顆粒鋪蓋的影響最為明顯，滲漏流量產(chǎn)生急劇下降，表明希德拉頓顆粒更好地適用于接觸帶滲漏類型。

b.試驗所測得滲漏流量都在試驗開始時變化較大，45 min后皆形成一種緩慢的減小趨勢，該趨勢隨著鋪蓋條件的不同而產(chǎn)生細微的變化，最終滲漏流量趨近于0，表明希德拉頓顆粒充分水化約需45 min。

c.鋪蓋希德拉頓顆粒厚度越大，防滲效果越明顯，但鋪蓋面積并非越大越好。在實際應(yīng)用中，鋪蓋面積的選擇需進行試驗對比分析，選擇合適的鋪蓋面積有利于達到最優(yōu)的防滲效果。

d.希德拉頓顆粒具有良好的防滲性能，而且這一性能不受施工含水量的影響。該材料可作為修建土石壩的防滲材料，且希德拉頓顆粒有很高的抗沖蝕性能，可以減小反濾層的壓力，節(jié)省費用，簡化施工。