膨润土防水毯在滹沱河生态环境工程中的应用

孙金龙，齐益达，石亚竹

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

石家庄市滹沱河生态修复工程范围重点为南水北调中线总干渠与机场路之间区域，河段全长23km。治理前的河道以砂坑、垃圾、荒地为主，治理目标是在改善河道行洪条件前提下，通过对主河槽进行疏浚平整、填埋砂坑，使河道内形成湿地、水面等，生态环境修复区总面积700万m2。

1 膨润土防水毯的内涵

膨润防水毯是一种专门用于人工湖泊水景、垃圾填埋场、地下车库、楼顶花园、水池、油库及化学品堆场等防渗漏的土工合成材料。它是由高膨胀性的钠基膨润土填充在特制的复合土工布和无纺布之间，用针刺法制成的膨润土防渗垫，可形成许多小的纤维空间，使膨润土颗粒遇水时在垫内形成均匀高密度的胶状防水层，有效防止水的渗漏。

膨润土防水毯具有现场铺设操作简单，价格基本适中的特点，广泛应用于水利、市政、园林等防渗工程中。

2 膨润土防水毯性能

2.1 膨润土

膨润土（Bentonite）也称为斑脱岩、皂土或膨土岩，是以蒙脱石为主的含水粘土矿。蒙脱石在膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性及阳离子交换性方面都有特殊的性质。在防水领域主要利用其膨润性和辅助吸附性。

膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型，应用最广泛的有钠基膨润土、钙基膨润土。钠基膨润土的稳定性、膨胀性优于钙基膨润土。但钙基膨润土的分布远广于钠基膨润土，因此在制作防水毯的应用中除了使用天然钠基膨润土外，亦使用人工纳化膨润土。

天然纳基膨润土和人工纳化膨润土的性能存在两种不同的观念：人工纳化膨润土中的纳离子处于游离状态，使用中特别容易造成阳离子流失，从而失去其防水性；人工纳化膨润土只要纳化工艺合格，制作的膨润土性能与天然纳基膨润土并无明显区别。

2.2 防水毯特性

2.2.1 密实性

钠基膨润土在水压状态下形成高密度横隔膜，厚度3mm时，渗透系数为5×10-11m/s以下，相当于100倍的30cm厚度粘土的密实度，具有很强的自保水性能。

2.2.2 永久防水性

钠基膨润土经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象，因此防水性能持久。

2.2.3 应用方便性

与其他防水材料比较，施工简单，不需要加热和粘贴。只需用膨润土粉末和钉子、垫圈等进行连接和固定。

2.2.4 一体性

钠基膨润土遇水时，具有20～28倍的膨胀能力，即使防护体结构物发生震动和沉降，防水毯内的膨润土也能修补2mm以内的表面裂纹、孔洞。

2.2.5 绿色环保性

膨润土为天然无机材料，对人体无害无毒，对环境没有特别的影响，具有良好的环保性能。

膨润土防水毯按重量可分为不同型号，以5000g/m2为例，主要指标见表1。

表1 膨润土防水毯技术指标表

3 防渗结构

3.1 主要影响因素选择

针对滹沱河河床渗透性强、地下水埋深大、基础均一性差、河道行洪时冲刷影响大等特点，为实现形成水面、湿地景观的目标，应解决如下问题。

3.1.1 基础适应性

滹沱河河床自然渗透系数达到10-2～10-3m/s量级，渗透性极强，且由于地下水位埋深大，即使在行洪时也不能形成河床地表径流与地下水的联通，因此垂直水力梯度接近1，比一般的防渗难度更大。

此外，防渗基础既有天然沉积河床砂，也有对采砂坑进行回填的河床砂，部分区域还有回填年限不等的建筑渣土，因此不同区域的河床变形能力相差较大。防渗结构应具有较强的抗变形适应能力。

3.1.2 抗冲刷适应性

滹沱河上游有黄壁庄水库控制，遇不同标准洪水采用分级控泄调度原则，5a一遇限泄400m3/s，10a一遇限泄800m3/s，50a一遇限泄3300m3/s，超50a一遇不限泄。

根据黄壁庄水库控泄调度原则，加之滹沱河整体防洪标准50a一遇，防冲刷最大标准确定50a一遇。50a一遇洪水时河槽行洪流速一般2～3m/s，防冲刷措施应适应行洪要求。

3.1.3 生态性

滹沱河生态环境修复工程总体目标是形成一定区域的水面和湿地，广泛应用于市政、园林、河道水工建筑等。

3.2 防渗结构选择

根据滹沱河不同的地质条件，在满足上述目标要求原则下，制定不同的防渗结构。

3.2.1 土—防水毯—胶结砂—生态砂结构

此结构适应于河床基础为原状砂，稳定性和均匀性较好，河道流速较大的地段。

（1）保护土层采用粘性土，粘粒含量不低于15%，作为河床砂与防水毯之间的垫层和过渡层，垫层厚度一般20～30cm。既方便了施工车辆的通行，也具有强化防渗效果的作用。

（2）防水毯重量5000g/m2，采用厂家成品纲基膨润土防水毯材料。

（3）胶结砂为利用河床砂加少量水泥、粉煤灰形成的胶结体。因其利用河道天然砂成本低，只需具有一定强度，满足抗冲刷要求即可。试验采用厚度35cm，强度5～10MPa。

（4）生态砂为河床平整后的弃砂，厚度为30cm。其目的是覆盖并保护碾压好的胶结砂，并为蓄水后的水中生物提供栖息地。

3.2.2 土—防水毯—土—砂砾石—卵石结构

此结构适应于河床基础为回填砂坑，基础稳定性稍差的情况。

防水毯以下、以上的土层要求采用粘性土，粘粒含量不低于15%，防水毯上、下土层总厚度不少于50cm。砂砾石为粗砂与砾石的混合体，可直接取自天然河道中的非建筑材料，层厚15cm，最大粒径2cm。卵石层厚35cm，粒径一般10～25cm，要求级配均匀，以增强抗冲稳定性。

3.2.3 土—防水毯—土—格宾石笼结构

此结构适应于岸边冲刷能力较强或其他需要加强防冲的区域。

表层格宾石笼厚度采用30cm或50cm两种型号，笼内填装卵石，粒径一般10～25cm。

4 工程实例

滹沱河4号水面区于2009年汛后建成蓄水，该区域蓄水面积150万m2，蓄水深0.93～1.27m，由水文部门进行正规短期观测。在没有日常水源补充的情况下，10d内蓄水位下降90mm，其中期内水面蒸发量42.5mm，降水0.9mm，渗漏损失48.4mm，折合日渗透损失4.84mm。详见表2。

表2 滹沱河4号水面区损失观测成果

滹沱河1号水面于2010年建成，蓄水面积250万m2，最大蓄水深2m。通过蓄水后的长期观测，日平均蒸发渗透损失9mm，扣除蒸发降水因素后的日平均净渗透损失5mm。

基于滹沱河1、4号水面的实际观测，在整治前大型砂坑、地下水埋深达40m、基础强透水等不利条件下，采取防渗措施达到了预期防水效果。

5 结语

滹沱河是一条天然行洪河道，河道长期断流、采砂形成大型砂坑、河床荒漠化等都成为生态环境恶化的标志，加之地下水埋深疏干至40m以下，因此通过人工措施形成蓄水水面的难度较大。

利用膨润土防水毯并结合不同的保护和防冲结构，在滹沱河生态环境整治工程实践中获得了良好的效果，对于类似条件下的生态环境修复工程提供了可供借鉴的范例。

［1］王伟中.城市河流生态修复手册［K］.北京：社会科学文献出版社，2008.

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