土工膜和GCL防滲結(jié)構(gòu)缺陷滲漏量試驗研究

彭 濤

（中國大唐集團有限公司，北京 100033）

1 研究背景

隨著防滲技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外廢水池或蒸發(fā)塘常采用土工膜防滲技術(shù)，即將土工膜或土工膜與其它土工合成材料作為防滲層，進行滲漏控制。因此，防滲結(jié)構(gòu)的性能研究對于控制廢水池或蒸發(fā)塘的滲漏有著重要的意義。傳統(tǒng)防滲結(jié)構(gòu)的隔水層常采用高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡稱HDPE）土工膜，其具有良好的耐久性和低滲透性等優(yōu)點。土工合成材料膨潤土墊（Geosynthetic Clay Liner，簡稱GCL）也是常用的隔滲材料，主要的優(yōu)勢是透水性小，并且能夠在不大幅度提高滲透系數(shù)的前提下，承受較強的可塑性，多用作土工膜的底部襯墊[1]。GCL有著很強的自我修復(fù)能力[2-3]，當GCL發(fā)生小的戳破或者缺陷時，GCL中的鈉基膨潤土能夠很有效的進行自我閉合[4]，從而使樣本破壞后的水力傳導(dǎo)性不會發(fā)生明顯的變化。甚至在缺陷直徑達到30 mm時，GCL中膨潤土對缺陷的完全修復(fù)也只需要一個很短的時間（15天）[5]。GCL還可以在保持低水力傳導(dǎo)性的情況下承受由于地面沉降和張力裂縫引起的變形和破壞[6-7]。但是，GCL在未充分水化前易于導(dǎo)水，并且內(nèi)置的膨潤土可能會與溶液發(fā)生離子交換作用，從而導(dǎo)致較高滲透性[5]。

制造和施工過程中產(chǎn)生的缺陷是造成HDPE土工膜滲漏的主要原因，其中施工破壞約占97%[8]。影響復(fù)合土工膜防滲層滲漏量的因素很多，主要有[9-10]：（1）土工膜的類型和厚度；（2）土工膜缺陷孔徑的大小和形狀；（3）土工膜上覆蓋層；（4）土工膜底部襯墊的性質(zhì)；（5）土工膜與底部襯墊之間接觸情況；（6）土工膜上壓力水頭大小。

目前國內(nèi)外土工膜的缺陷滲漏量研究常用的方法有室內(nèi)試驗法，理論計算法、數(shù)值模擬方法和野外觀測法等。劉鳳茹等[9]應(yīng)用自行設(shè)計的復(fù)合土工膜滲漏試驗裝置，研究了缺陷滲漏量與加載水頭和缺陷孔徑的關(guān)系。Weber和Zornberg[10]通過試驗測試方法，定量的測試了高水頭情況下缺陷HDPE土工膜的滲漏量，發(fā)現(xiàn)HDPE+GCL防滲結(jié)構(gòu)可以有效地減小土工膜的缺陷滲漏量。Saidi等[11]數(shù)值模擬了復(fù)合土工膜中兩個相鄰方形缺陷的滲漏情況。分析法、經(jīng)驗公式法和數(shù)值模擬法是目前常見的幾種計算缺陷滲漏量的理論方法。然而，F(xiàn)oose等[12]指出，現(xiàn)有的方程和分析模型都有一定的限制性，沒有一個通用的土工膜缺陷滲漏量計算方法。因此開展缺陷滲漏試驗是確定防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計、評估防滲結(jié)構(gòu)滲漏量的有效方法。

在理想條件下，GCL能夠很好的阻滯污染物通過對流的形式透過隔離層，但是對于阻滯污染物的彌散擴散方面，HDPE土工膜作用更為突出?？紤]到土工膜的防滲性能和抗腐蝕性以及GCL遇到破壞后的高效自我修復(fù)能力，土工膜防滲層和土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在不同因素影響下所表現(xiàn)出的防滲性能也存在差異。

本次研究考慮施工過程中可能對土工膜和GCL防滲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損壞，基于試驗裝置，開展了土工膜防滲層和土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在不同缺陷組合條件下的滲漏量試驗，對比了兩種防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量，并對滲漏量的影響規(guī)律進行了研究，從而給防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供有益參考。

2 缺陷滲漏試驗儀器與試驗方案

2.1 試驗儀器本次試驗利用改造后的垂直滲透儀（如圖1所示），針對不同試驗工況下土工膜與土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的缺陷特征開展試驗。本次試驗裝置主要包括垂直滲透儀主體，進、出水口，土工膜及砂層試樣，上下游測壓管等。

圖1 缺陷滲漏試驗儀器示意圖（單位：mm）

滲透儀側(cè)壁為有機玻璃，內(nèi)壁直徑為18.6 cm。選取該數(shù)值較大的直徑，可以有效降低尺寸效應(yīng)影響下的側(cè)壁滲漏對于滲漏量以及滲透系數(shù)測量的影響，并且較大內(nèi)徑的儀器更利于試件的安裝與密封。儀器頂端與底部分別設(shè)置進水孔與出水孔，用于通過加載水頭以達到對上下游施加不同水頭差的目的。在距離儀器頂部46 cm處，布設(shè)一厚度為30 cm的砂層，并于其頂部設(shè)置土工膜或土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)（圖1）。土工膜等防滲材料直徑略大于滲透儀內(nèi)徑，置于滲透儀上下兩部分接口處，且土工膜等防滲材料的上、下方均放置“O”形圈（圖2），并在裝樣后用不銹鋼法蘭盤固定，從而保證密封效果，防止側(cè)壁滲漏。防滲結(jié)構(gòu)上游與下游分別設(shè)置了測壓管，對其上下游水頭進行實時測量。

圖2 防止側(cè)壁滲漏措施

2.2 試驗方案影響復(fù)合土工膜防滲層滲漏量的因素很多，如土工膜的類型和厚度、土工膜缺陷孔的大小和形狀、土工膜上壓力水頭大小等。因此，試驗方案設(shè)計中考慮了不同影響因素的體現(xiàn)形式以及差異性，設(shè)計底部襯墊條件不變，通過設(shè)置其他可變影響因素的對照工況，開展?jié)B漏量試驗，以研究各因素對于防滲結(jié)構(gòu)性能的影響特征。

為了對比分析土工膜下鋪設(shè)GCL的效果，試驗設(shè)置了土工膜和土工膜+GCL兩類防滲結(jié)構(gòu)。其中土工膜為1.5 mm厚的HDPE膜。為了分析GCL水化的影響，針對土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)還考慮了GCL水化和未水化兩種工況，具體見表1。受試驗時間的限制，試驗中GCL水化工況是將GCL按設(shè)計位置放置后，加水使GCL飽和，且待GCL完全飽和后，再靜放24 h。GCL鋪設(shè)時，上部一般需要鋪設(shè)一定厚度的土壓重。在廢液蒸發(fā)塘土工膜+GCL的防滲結(jié)構(gòu)中，GCL一般當作土工膜的底部襯墊[1]，土工膜上方鋪設(shè)一定厚度的保護層。本次試驗的主要目的是研究防滲結(jié)構(gòu)的滲漏特性，為避免保護層的影響，在試驗過程中土工膜上方未設(shè)置保護層，而是直接施加了指定的水頭。

表1 試驗工況組合

為了模擬多種情況下的缺陷滲漏量值，本次試驗考慮了2.8 mm、5 mm和10 mm三種缺陷孔徑，以對比研究不同情況下所造成的缺陷孔徑對防滲結(jié)構(gòu)性能的影響。并且針對水化和未水化條件下的GCL，還分別設(shè)置了開孔和不開孔兩種情況（見表1）。GCL開孔代表土工膜和GCL共同存在缺陷。不開孔代表僅土工膜存在缺陷，而GCL保持完整，即相當于單GCL起主要防滲作用，該情況主要用于分析單GCL起主要防滲條件下GCL水化與否對滲漏量的影響，從而表明水化的作用。在土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的實際施工和運行中，GCL和土工膜缺陷位置重疊的情況相對較少，而受下伏墊層、施工等偶然因素的影響，GCL和土工膜往往會分別受不利因素的影響而各自產(chǎn)生缺陷。實際使用過程中難以確定GCL和土工膜缺陷位置的距離分布情況，且受試驗儀器直徑的限制，也難以室內(nèi)試驗?zāi)M兩者缺陷位置的距離。因此在試驗過程中，針對土工膜和GCL共同存在缺陷的工況，采取了兩者缺陷位置重疊的情況，該情況下的缺陷滲漏量相比缺陷位置不重疊的會偏大，可以看作滲漏量的上限值。

土工膜上方的加載水頭是影響滲漏量的主要因素之一，本次試驗中針對每一種組合情況，分級加載的試驗水頭分別為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 防滲結(jié)構(gòu)對比分析

圖3為土工膜防滲結(jié)構(gòu)在不同缺陷孔徑條件下的滲漏量。圖4為土工膜+未水化GCL防滲結(jié)構(gòu)在不同缺陷條件下的滲漏量，其中圖4（a）為僅土工膜存在缺陷，圖4（b）為土工膜和GCL均存在缺陷。為了更好的對比兩種防滲結(jié)構(gòu)的防滲性能，針對土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)，分別就僅土工膜缺陷和土工膜和GCL均存在缺陷兩種工況下的滲漏量與土工膜防滲結(jié)構(gòu)的缺陷滲漏量進行了對比，圖5為具體的滲漏量比值關(guān)系。對比圖3和圖4中不同防滲結(jié)構(gòu)在不同條件下的滲漏量及兩者的滲漏量比值關(guān)系（圖5），可以看出：

圖3 土工膜不同缺陷孔徑條件下的滲漏量

圖4 土工膜+GCL不同缺陷孔徑條件下的滲漏量

圖5 土工膜+GCL與土工膜缺陷滲漏量比值

（1）土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量遠低于單土工膜防滲結(jié)構(gòu)。相同缺陷孔徑和水頭條件下，當土工膜防滲層存在缺陷時，2.8 mm缺陷孔徑的滲漏量介于0.16～1.41 ml/s之間，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔徑的滲漏量介于2.0～12.0 ml/s之間（圖3）。土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中，當僅土工膜存在缺陷時，滲漏量最高為單土工膜缺陷滲漏量的13.3%（圖5（a）），且在水頭不大于1m的條件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔徑幾乎沒有滲漏產(chǎn)生（圖4（a））。土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中，相同條件下土工膜與GCL均存在缺陷時的滲漏量約為僅土工膜缺陷時的4倍左右，且最高滲漏量為1.3 ml/s（圖4（b））。5.0 mm和10.0 mm缺陷孔徑下，土工膜與GCL均存在缺陷時的土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)滲漏量約比土工膜防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量低一個數(shù)量級，如果土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中僅土工膜存在缺陷時，其滲漏量更低（圖5）。這表明在土工膜下方鋪設(shè)GCL可以大幅度的降低缺陷條件下的滲漏量。

（2）2.8 mm缺陷孔徑下，水頭越高，土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)比土工膜防滲結(jié)構(gòu)的防滲效果越明顯。在2.8 mm缺陷孔徑下，有滲漏產(chǎn)生后，隨著水頭的提高，土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在僅土工膜缺陷和土工膜與GCL均存在缺陷時的滲漏量比值均隨水頭的增加而呈近直線狀降低（圖5），其中僅土工膜缺陷的滲漏量比值由1.5 m水頭下的13.3%降低至2.5 m水頭下的7.8%，土工膜與GCL均存在缺陷時的滲漏量比值由0.5 m水頭下的41.9%降低至2.5 m水頭下的23.4%。

（3）滲漏量與水頭的關(guān)系受到防滲結(jié)構(gòu)破壞形式的影響。三種條件下的滲漏量均隨水頭的增加而增加，其中土工膜防滲結(jié)構(gòu)缺陷條件下和土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中土工膜與GCL均存在缺陷條件下的滲漏量與水頭基本成線性（圖3和圖4（b））。土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在僅土工膜缺陷條件下的滲漏量與水頭的關(guān)系呈非線形，初始只有在水頭達到一定高度后，才開始有滲漏產(chǎn)生（圖4（a）），這與GCL鈉基膨潤土的吸附作用及滲流啟動比降等因素有關(guān)。隨著水頭的增加，土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量增量與水頭增量的比值關(guān)系降低，這表明水頭對滲漏量的影響作用降低。

（4）滲漏量比值及滲漏量與水頭的關(guān)系均表明在高水頭條件下土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)會比土工膜展現(xiàn)出更好的防滲效果，防滲性能更加突出。

3.2 GCL水化的影響GCL為由土工織物包裹膨潤土而形成的防水材料，其防滲主要是靠膨潤土遇水膨脹膠結(jié)形成隔水層。鑒于土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在僅土工膜缺陷條件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔徑只有在水頭超過一定高度才會產(chǎn)生滲漏（圖4（a）），因此為了便于對比，選用10.0 mm缺陷孔徑分析了GCL水化的滲漏量的影響。圖6為GCL不同水化條件下的土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)滲漏量，從中可以看出10.0 mm缺陷孔徑條件下水化條件的作用受到缺陷形式及水頭的影響。

圖6 10.0mm缺陷孔徑條件下水化條件對土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)滲漏量的影響

圖6（a）表明，當僅土工膜存在缺陷時，在低水頭條件下GCL的水化條件對滲漏量的影響不大，但隨著水頭的不斷增加，當水頭超過1 m后，GCL未水化條件下的滲漏量開始大于水化條件下的滲漏量，并且兩者差距隨著水頭的增加而不斷增加，最大比值可以達到7倍。這是因為低水頭條件下，滲漏水的流速較慢，會在滲漏過程中被未水化的GCL吸附。高水頭條件下，滲漏流速較快，雖然未水化的GCL會吸附一部分滲漏水，但還是會有一大部分滲出。當GCL水化后，其膨潤土膠結(jié)，滲透系數(shù)降低，可以有效的攔截土工膜缺陷導(dǎo)致的滲漏量。圖6（a）中GCL水化可以顯著降低滲漏量，這也間接表明了本試驗方案中的GCL已經(jīng)水化到一定程度，并展現(xiàn)出良好的防滲效果。

在土工膜和GCL均存在缺陷時，低水頭條件下水化GCL的滲漏量略大于未水化GCL的滲漏量（見圖6（b））。這是因為GCL存在缺陷時，穿過土工膜的滲漏水會直接經(jīng)水化GCL的缺陷處滲出，而未水化的GCL可以吸附一部分滲漏水。隨著水頭的增大，GCL水化條件對滲漏量的影響降低，在2.5 m水頭條件下，GCL水化與未水化條件下的滲漏量基本相同。這是因為高水頭條件下滲漏水流速較快，而未水化GCL的吸附量相對偏小，故GCL水化條件對整體滲漏量的影響不明顯。

3.3 水頭影響分析在土工膜防滲條件下，對比圖3中不同缺陷孔徑條件下的滲漏量與水頭的關(guān)系可以看出：（1）0.5 m水頭條件下，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔徑的滲漏量相近，但超過2.8 mm缺陷孔徑的10倍，這表明低水頭條件下的滲漏量主要取決于缺陷孔徑，而水頭的影響相對較小。（2）同一缺陷孔徑的滲漏量與所施加的水頭壓力基本成正比，且該比值隨著缺陷孔徑的增大而增大。在2.8 mm缺陷孔徑下滲漏量與水頭壓力的比值為0.63 ml/s.m，10.0 mm缺陷孔徑下該比值增長到5.00 ml/s.m，約提升8倍。

土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中，對比圖4（a）中僅土工膜缺陷條件下的滲漏量與水頭的關(guān)系可以看出：（1）0.5 m水頭條件下不同缺陷孔徑的滲漏量基本相近，1.0 m水頭條件下2.8 mm和5.0 mm缺陷孔徑的滲漏量相近，而10.0 mm缺陷孔徑的滲漏量大幅增加。這同樣表明低水頭條件下的滲漏量主要取決于缺陷孔徑，而受水頭的影響相對較小。（2）水頭超過1.0 m后，三個缺陷孔徑的滲漏量均明顯增加，但三者滲漏量隨水頭增加變化的趨勢相同，均呈非線形，并且5.0 mm和10.0 mm缺陷孔徑的滲漏量接近。這表明高水頭條件下，初始滲漏量會大幅增加，但很快趨于平緩，這是因為缺陷土工膜下方GCL完整條件下的隔滲作用所致，同樣也說明水頭對滲漏量的影響偏小。

對比圖4（b）中土工膜和GCL均存在缺陷條件下的滲漏量與水頭的關(guān)系可以看出，滲漏量受水頭的影響較大，基本呈線性變化。

通過圖4中土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)在不同缺陷形式下的滲漏量可以看出，該結(jié)構(gòu)條件下水頭對滲漏量的影響主要取決于缺陷的形式，如果僅土工膜存在缺陷時，受GCL的隔滲作用影響，水頭條件對滲漏量的影響偏小，如果土工膜和GCL均存在缺陷時，水頭條件的影響較大。

4 結(jié)語

本研究針對不同缺陷孔徑的土工膜及土工膜+GCL組成的防滲結(jié)構(gòu)，采用施加不同水頭進行滲漏試驗的方法，研究了不同缺陷孔徑條件、GCL水化情況、水頭等因素對于其防滲性能的影響特征，并得出如下規(guī)律與結(jié)論：

（1）相同缺陷和水頭試驗條件下，相比土工膜防滲層，土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)可以顯著降低滲漏量。在僅土工膜缺陷條件下，土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量比值不超過13.3%，且在水頭不大于1 m的條件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔徑幾乎沒有滲漏產(chǎn)生。在土工膜與GCL均存在缺陷時，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔徑的滲漏量比值基本位于10%左右，2.8 mm缺陷孔徑的滲漏量比值最高為41.9%。

（2）土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中，在土工膜與GCL均存在缺陷條件下，低水頭條件下GCL水化的滲漏量略大于GCL未水化的滲漏量，但兩者之差隨水頭的增加而降低；在2.5 m水頭條件下，GCL水化與未水化條件下的滲漏量基本相同。而在僅土工膜缺陷時，水頭不超過1.0 m時，GCL水化與否影響不大；水頭超過1.0 m后，GCL水化對降低滲漏量的效果隨著水頭的增加而增加，最高可降低約6倍。

（3）防滲結(jié)構(gòu)的滲漏量會隨著水頭的增加而增加，但具體滲漏量與水頭的關(guān)系受到防滲結(jié)構(gòu)型式與缺陷狀況的影響。土工膜防滲層缺陷條件下的滲漏量與水頭基本成線性關(guān)系，而土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)中為“S”形關(guān)系，表明在高水頭條件下土工膜+GCL防滲結(jié)構(gòu)的防滲性能更加突出。

（4）根據(jù)試驗結(jié)果，在廢液貯放等對滲漏控制有嚴格要求的防滲系統(tǒng)設(shè)計中，選用土工膜+GCL的防滲結(jié)構(gòu)防滲效果更顯著。雖然GCL水化后的滲漏量顯著偏低，但水化后的GCL會發(fā)生膠結(jié)，柔性降低，易在施工過程中因非均勻受力等外界因素影響，而產(chǎn)生裂縫等缺陷，從而破壞水化GCL的完整性，故現(xiàn)場施工中GCL水化與否應(yīng)結(jié)合實際施工與運行情況慎重選擇。