水生植物根系對膨潤土防水毯滲透性能影響

萬娟，汪豪，謝曉靚，肖衡林*，何俊，趙宏博

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，武漢 430010)

近年來城市地下工程建設(shè)迅猛發(fā)展，導(dǎo)致地下水位大幅下降，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴重[1]。湖泊防滲能有效抑制地表水滲漏, 有助于緩解水資源供需緊張的狀況。傳統(tǒng)湖泊防滲主要采用水泥混凝土、土工膜、壓實黏土襯墊等防滲技術(shù)[2-4]。水泥混凝土與土工膜形成的防滲體雖然具有較為理想的抗?jié)B效果，但阻礙了湖泊水體與湖底的物質(zhì)交換，易引起水質(zhì)惡化，危害了湖泊生態(tài)功能。而黏土襯墊的抗?jié)B能力往往達不到預(yù)期效果。因此，尋求防滲效果佳又有利于生態(tài)環(huán)境的湖泊防滲材料成為本領(lǐng)域的當務(wù)之急。土工復(fù)合膨潤土防水毯(geosynthetic clay liner，GCL)作為一種將膨潤土顆粒夾封在兩層土工織物之間，通過針刺、粘結(jié)等工藝制成的新型防滲材料[5-6]。相較于土工膜和壓實黏土襯墊等防滲材料，GCL具有滲透系數(shù)低、自愈能力強、生態(tài)環(huán)保等特點，常被用于建造垃圾填埋場、渠道、湖泊工程的底部防滲層[7-8]。中外學者對各種因素影響下GCL的防滲性能展開了大量研究。除GCL自身性質(zhì)、滲濾液特征外，GCL破損也是GCL滲透系數(shù)變化的重要因素。Mazzieri等[9]和Babu等[10]利用柔性壁滲透儀對破損和原始狀態(tài)下的GCL進行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)當破損直徑小于30 mm,孔洞能自我愈合，破損試樣的滲透系數(shù)略微增大。陳水生等[11]對破損孔洞直徑大小為2.5 mm,4.5 mm膨潤土墊進行三軸透水試驗，當破損孔徑大小為2.5 mm時，相比原始GCL試樣，其滲透系數(shù)變化較小，當GCL破損孔徑增大至4.5 mm,滲透系數(shù)增至10-7cm/s。李憲[12]分析了不同破損孔徑對GCL滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)當孔徑大于10 mm時,其滲透系數(shù)較未破損的試樣的滲透系數(shù)增大了約兩個數(shù)量級。盛金昌等[13]通過滲流試驗發(fā)現(xiàn)，當破損孔徑小于10 mm, GCL滲透系數(shù)變化不明顯。以上研究表明GCL破損孔洞大小對GCL滲透系數(shù)有明顯影響。在實際工程中，植物根系是造成GCL破損的重要原因。在湖泊防滲工程中，湖泊生態(tài)環(huán)境較為復(fù)雜，為了生態(tài)效果和凈化水質(zhì)，常在湖泊種植水生植物。水生植物生長過程中其根系會穿透底部防滲層而影響GCL的防滲效果，特別植物根系枯萎后對GCL防滲性能的影響，中外研究甚少。因此，現(xiàn)通過室外模型試驗?zāi)M水生植物在GCL中的生長，取樣進行室內(nèi)滲透試驗，研究水生植物根系穿透率、根系狀態(tài)和根系種類對GCL滲透性能的影響規(guī)律，以期為完善GCL性能研究提供參考。

1 試驗材料

試驗材料包括GCL、黏土、水生植物。試驗選用的GCL是上海盈帆工程材料有限公司生產(chǎn)的顆粒狀鈉基膨潤土防水毯，如圖1所示。防水毯為兩層紡布夾封一層膨潤土，紡布與膨潤土之間通過針刺法縫合，單位面積質(zhì)量大于4.82 kg/m2，厚度為6 mm。夾封的膨潤土基本性質(zhì)如表1所示。黏土取自于湖北工業(yè)大學生態(tài)基地，其基本物理性質(zhì)如表2所示。水生植物選用再力花、香蒲、蘆葦3種常見挺水植物，具有生長速度快，抗逆性強、根系發(fā)達、適應(yīng)能力強等優(yōu)勢，對水質(zhì)具有一定的凈化能力。挺水植物種子均從武漢植物水培公司購置。

圖1 顆粒狀鈉基膨潤土防水毯

表1 膨潤土基本性質(zhì)

表2 黏土基本物理性質(zhì)

2 試驗方法

2.1 模型試驗

在湖北工業(yè)大學生態(tài)基地設(shè)置6組模型試驗池，分別種植再立花，蘆葦與香蒲3種水生植物。水生植物在生長過程中由于季節(jié)更替或外部環(huán)境會引起植株及其根部干枯腐爛。根系干枯腐爛前后根系分別稱為正常根系與枯萎根系。每種植物分為A、B兩個試驗池，A試驗池研究正常根系，B試驗池研究枯萎根系。模型試驗現(xiàn)場圖如圖2所示，模型試驗編號如表3所示。模型試驗采用底部直徑為1 m、高為1 m的圓桶模擬。單個模型試驗材料鋪設(shè)順序依次為：10 cm厚壓實黏土、直徑1 m的GCL、10 cm厚壓實黏土、20 cm種植土。材料鋪設(shè)完成后，每個試驗池對應(yīng)稱重20 g植物種子播種，澆水施肥，保證土壤水分充足和植物所需養(yǎng)分，待植物出芽后生長至一定高度，各試驗池加入適量的水達到相同水位。

表3 模型試驗編號

圖2 模型試驗現(xiàn)場圖

當植物生長180 d趨于穩(wěn)定，將6組試驗池的水清空。A組試驗池除去植物莖葉和覆土，保留根系穿透GCL部分，選取6個代表根系，記錄植物根系直徑，待做正常根系穿透的GCL滲透試驗。B組試驗池除去植物莖葉，記錄植物初始根系直徑，再套上遮光膜，待植物根系枯萎后取出根系穿透GCL部分，記錄根系枯萎直徑，待做枯萎根系下的GCL滲透試驗。

2.2 滲透試驗

滲透試驗采用 GDS全自動環(huán)境巖土滲透儀，該儀器由滲透壓力室、壓力控制器、電腦 GDSLAB 測試軟件組成，參照ASTM D6766-12[14]試驗。為了避免溶液離子影響GCL滲透系數(shù)，滲透液采用去離子水。滲透試驗儀器如圖3所示。

圖3 滲透試驗裝置

(1)試驗材料制備。從A、B組試驗?zāi)Ｐ徒M取出植物根系完全穿透GCL部分，將穿透部分的GCL裁剪成直徑為300 mm×300 mm的方形材料，將70 mm直徑的環(huán)刀放置在GCL試樣上，沿環(huán)刀邊緣裁剪GCL試樣，除去植物根系穿透多余部分并上下封以502膠水，防止水從根系穿過影響測試結(jié)果。

(2)把裁剪完成的帶根GCL試樣，按照透水石、過濾紙、GCL試樣、過濾紙、透水石的次序放置于玻璃容器中進行預(yù)水化處理24 h。

(3)取出試樣放置滲透倉中，滲透倉圍壓分別設(shè)置為35、50、75、100、150 kPa。上水頭壓力30 kPa，下水頭壓力15 kPa，待壓力穩(wěn)定后進行滲透試驗。為減少溫度對滲透試驗造成影響，試驗均在20 ℃恒溫條件下進行。

3 試驗結(jié)果及分析

試驗中穿透GCL試樣根系均為1根，水生植物根系穿透GCL試樣如圖4所示。為表達實際工程中多根根系穿透GCL，用根系穿透率表示根系橫截面面積與試樣面積之比。

圖4 根系穿透GCL試樣

A組試驗池(正常根系組)每種水生植物取6個代表根系，根系直徑與根系穿透率如表4所示。B組試驗池(枯萎根系組)每種水生植物取6個代表根系，根系枯萎前后直徑與根系穿透率如表5所示?？梢钥闯觯悼菸笾睆铰孕∮诳菸爸睆?。這里的根系穿透率是根系枯萎前原始橫截面面積與試樣面積之比。

表4 A組試驗池根系直徑與根系穿透率

表5 B組試驗池根系直徑與根系穿透率

3.1 根系穿透率對滲透系數(shù)影響

不同圍壓下GCL滲透系數(shù)與根系穿透率的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，3種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即隨著圍壓增大，三種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)均減小。當圍壓從35 kPa增大至150 kPa時，再力花根系穿透作用下GCL最大滲透系數(shù)從4.13×10-8m/s減小至4.10×10-9m/s，減小了10.3倍。在35 kPa下，蘆葦、香蒲根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為9.62×10-8、1.05×10-7m/s，當圍壓增至150 kPa，蘆葦、香蒲根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為5.17×10-8、4.13×10-8m/s，減小了1.68倍、2.54倍。這是因為GCL中膨潤土在低圍壓條件下孔隙比較大，隨著圍壓增大，孔隙比逐漸減小，GCL防滲能力增強。

圖5 不同圍壓下植物根系穿透率對GCL滲透系數(shù)影響

在圍壓一定條件下，當再力花、香蒲根系穿透率小于1%時，GCL滲透系數(shù)變化較小，滲透系數(shù)仍小于10-9m/s；當香蒲根系穿透率小于1.34%時GCL滲透系數(shù)均小于10-8m/s。但當再力花根系穿透率從約1%增至約2.5%，蘆葦與香蒲根系穿透率從約1.35%增至約3%時，滲透系數(shù)曲線斜率突增，GCL最大滲透系數(shù)到達10-8m/s數(shù)量級，GCL抗?jié)B性能逐漸失效。這是因為當植物根系穿透GCL，在相同圍壓下，根系對GCL起到支撐作用，使得根系遠端GCL處于高應(yīng)力區(qū)，根系近端GCL為低應(yīng)力區(qū)。由于應(yīng)力集中，GCL中膨潤土從高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致遠端GCL膨潤土厚度減小，近端GCL膨潤土厚度增大。由于應(yīng)力作用，膨潤土從GCL與根系間空隙擠出。隨著根系穿透率增大，近端GCL所受應(yīng)力越小，膨潤土擠出量增多，遠端GCL進一步減薄，GCL滲透系數(shù)增大。當根系達到一定直徑后，GCL滲透系數(shù)增大明顯，致使?jié)B透系數(shù)出現(xiàn)斜率突變現(xiàn)象。B組試驗池有類似的規(guī)律。

3.2 根系狀態(tài)對滲透系數(shù)影響

在圍壓50 kPa時正常狀態(tài)與枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)與根系穿透率的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，當根系穿透率小于1%，根系穿透率增大，再力花、蘆葦不同根系狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)無明顯變化；當根系穿透率小于1%時，根系穿透率增大，香蒲不同根系狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)亦無明顯變化，均維持在10-9m/s數(shù)量級。這是因為植物根系穿透GCL形成破損，在滲透試驗中根系穿透試樣水化時破損周圍的膨潤土膨脹使破損部分逐漸愈合，破損直徑減小。當破損直徑較小時，水化后能完全愈合，致使?jié)B透系數(shù)無明顯變化[15]。

圖6 不同根系狀態(tài)下植物根系穿透率與GCL滲透系數(shù)關(guān)系

當根系穿透率約為1%、2.5%，在相同根系穿透率條件下，再力花根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的1.6倍、1.53倍；當根系穿透率約為1.5%、3%，在相同條件下，蘆葦根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的1.26倍、1.34倍；當根系穿透率約為1.5%、3%，香蒲根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的3.13倍、1.36倍。因此，當根系穿透率大于1%，在相同條件下，3種植物根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)均大于正常狀態(tài)，為正常狀態(tài)下的1.26～3.13倍。

這是因為植物根系枯萎分解轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，促使土體中的團聚體結(jié)構(gòu)增加，降低了土壤容重；同時，植物根系在膨潤土中枯萎分解后形成的孔道，增加了非毛管孔隙的數(shù)量，增大了膨潤土透水性，使得根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)較正常狀態(tài)下明顯增大。其他圍壓作用下有類似規(guī)律。

3.3 根系種類對滲透系數(shù)影響

在圍壓50 kPa時根系種類對GCL滲透系數(shù)影響如圖7所示。

由圖7可知，當根系穿透率小于1.5%，香蒲、再力花、蘆葦根系作用下GCL滲透系數(shù)均小于10-8m/s。說明穿透率較小時，根系類型對GCL滲透系數(shù)影響不明顯。當植物根系穿透率大于2.5%，再力花根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為2.91×10-8m/s，香蒲、蘆葦根系作用GCL最大滲透系數(shù)接近10-7m/s，說明再力花根系穿透對GCL防滲性能影響小于香蒲、蘆葦。

圖7 不同根系種類下植物根系穿透率與GCL滲透系數(shù)的關(guān)系

當枯萎根系穿透率小于1%，根系類型對GCL滲透系數(shù)影響也較小，但隨著根系穿透面積增大，再力花枯萎根系作用下GCL最大滲透系數(shù)遠小于香蒲、蘆葦。不同水生植物在生長過程需要不等的養(yǎng)分，當植物根系深入GCL中時會吸收其中膨潤土元素，使得相同直徑穿透下GCL滲透系數(shù)存在差異。在相似根系直徑條件下，3種挺水植物對GCL滲透性能影響程度表現(xiàn)為：香蒲、蘆葦根系對GCL滲透性能影響程度相當，再力花根系對GCL滲透性影響較小。因此，可以將再力花作為生態(tài)防滲工程的首選植物。

4 結(jié)論

通過對再力花、蘆葦與香蒲根系作用下的GCL滲透試驗，得出以下結(jié)論。

(1)在相同圍壓，3種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)隨根系穿透率增大而增大。再力花、蘆葦和香蒲根系穿透率小于1%時，GCL最大滲透系數(shù)小于10-8m/s，依然保持較好的防滲能力。但隨著植物根系穿透率繼續(xù)增大，膨潤土自愈能力逐漸減弱，3種植物根系作用下GCL最大滲透系數(shù)達到10-7數(shù)量級，GCL防滲能力開始失效。

(2)圍壓為50 kPa時，當植物根系穿透率大于1%，在相同條件下，3種植物枯萎根系GCL滲透系數(shù)較正常狀態(tài)下增大了1.26～3.13倍。

(3)對比3種植物根系作用下對GCL滲透性影響，再力花在不同根系狀態(tài)下，對GCL抗?jié)B性能影響程度小于蘆葦、香蒲。