天然钠基膨润土防水毯在渠道防渗工程上的应用研究

曹洪凯

（沈阳市浑北灌区管理处，辽宁 沈阳 110035）

1 概述

天然钠基膨润土形成于亿万年前火山爆发后喷发的火山灰，经长期积累作用或热水作用过程而形成，多埋藏于地下80～100 m深处以下的矿山下层。据统计，全国有26个省（区）都有矿床，20世纪80年代地质勘探部门估计吉林省天然钠基土储量130多亿t[1]，储量居全国之首。近几年，随着全国许多大、中城市实施地铁、垃圾填埋场、城市水系水景观等工程建设，对防渗提出了更高的要求，大量应用天然钠基膨润土及其深加工的防渗毯，防渗毯在目前中国市场的推广仅有3年多的时间。由于天然钠基膨润土开采难度大，开挖装备投入量巨大，形成生产能力缓慢，因此市场价格较昂贵。像辽宁凌源矿在日本侵华时已开挖至140 m深，因装备投入不足，早已停采[1]。

天然钠基膨润土属于纳米级无机材料，具有在吸水后可高度膨胀达到自身体积的20～28倍，并在水压力作用下，分子间发生穿插排列，内部空隙缩小形成致密的凝胶结构层，水压力越大其结构层密度越高，且具有不老化、不变质，天然、绿色、环保等特点。而天然钠基膨润土防水毯即是利用这些特点，将天然钠基膨润土颗粒填充于无纺土工布和有纺土工布之间，用特殊工艺和设备针刺方法连结而成的防渗体，是一项利用天然钠基膨润土与土工织物结合而成的新型技术。且该防渗体在制作过程中由于膨润土颗粒是多向流动，因此，在防渗体内全范围形成均匀的防水层。其防水效果最佳，且不老化、不变质，被广泛应用于地下建筑工程、垃圾填埋场、地铁工程、隧道、水库、引水渠道、景观湖等领域的防水和防渗、密封和隔离等。

2 天然钠基膨润土防水毯在渠道防渗工程中的应用

2.1 工程概况

浑北灌区南干渠位于沈阳市于洪区丁香地区，全长4.09 km，属灌、排两用渠道。渠道断面型式为梯形，渠底宽13～20 m不等，渠道比降1/3500，内坡系数1.5。正常引水流量22.53 m3/s，平均流速0.85 m/s。部分渠段地基为沙土和沙壤土，并且有老河道穿过渠底与丁香湖相连，渗漏损失十分严重。紧邻南干渠的丁香湖水面高程为36.50 m，渠道内正常流量水面高程为38.94 m，水位相差2.44 m，水量渗漏长年发生。造成水量、水费矛盾纠纷十分突出，直接影响农田灌溉工作正常进行，实施渠道防渗显得尤为必要和紧迫。此次工程改造，水面线以下采用10 cm厚的钢筋混凝土板护坡，护坡板长3.4～3.6 m，水平段长0.3 m插入土内，防止顶端土体滑坡造成混凝土板破坏；坡脚处设置0.35 m×0.5 m钢筋混凝土梁,渠底铺设5.5 kg/m2天然钠基膨润土防水毯，之上覆盖经压实达到60 cm厚的土层[2]。计划工期为40 d，要求在5月10日前完工。

2.2 应用设计与施工

1）设计型式。根据渠道底宽13～20 m不等的断面型式，结合运输、现场保管、吊装、铺设的要求，产品规格应采用幅宽6 m、长20 m的天然纳基膨润土防水毯。

2）容量指标设计。天然钠基膨润土属于天然纳米材料，它对发挥防水、防渗功能起决定作用。因此，选择每平米包含多少天然钠基膨润土是关键指标，它决定其他指标，如渗透系数、膨胀指数、吸蓝量、耐久性等。所以，选择每平方米包含不小于5 kg天然钠基膨润土的防水毯，经国家建材中心检测，渗透系数达到4.5×10-11cm/s量级，其空隙小于水分子直径。

3）施工设计。在施工组织设计中，最关键的两项内容：一是与齿墙的连接及与护坡的锚固，这项工艺是决定能否达到整体防渗作用、无漏点、密封渠道最重要的环节。在施工前须进行图纸作业。二是回填土层的设计与施工。根据《天然钠基膨润土防水毯（GCL）使用规范》，回填土压实后厚度不小于30 cm，此工程是覆盖经压实达到60 cm厚的土层，满足要求。回填土密实度须在85%以上，要求压力达到1.4～2.0 kPa。通常用填土或覆盖保护层来解决。使其与回填的保护层紧密结合，在这种空间密闭压力下，使天然钠基膨润土遇水膨胀后发生穿插排列，填充上下层微孔隙，共同形成耐久性整体防渗层 。

4）集中采购，统一标准、规格。主要是市场上存在大量的人工钠化膨润土，其防水毯的市场价不足10元/m2。遇水后，其先期指标也能达到天然钠基膨润土防水毯的指标。但是，碱溶化流失，带走钙基，寿命一般为1～3年。诸多失败的案例证明，修复代价将是原造价的5～10倍。因此，建设单位实行集中招标采购，确保施工达到统一标准，统一质量，以避免各标段施工企业自行采购造成防水毯质量问题。统一规格，是为施工铺装时裁剪用料达到最省。

3 应用分析

3.1 技术分析

3.1.1 天然钠基膨润土防水毯与土工膜、无纺布等防渗材料对比

1）自保水性、能永久发挥防渗能力的功能。因具有独有的膨胀力，能渗透到发生裂纹内部、追迹细微孔隙的能力，在水压力下形成高密度凝胶层，厚度为3 mm时，相当于100倍的30 cm厚度粘土的密实度,透水性达到10-11cm/s量级。而且，时间的变化和周围物质的影响对其化学性质的影响很小，不老化、不变质。

2）施工简单，适应性强。人工铺设简单快捷，没有加热和粘贴等作业，对人体无害；不受天气和施工环境影响，在寒冷、潮湿环境中可直接施工。对地基含水量和平整度要求低，即使土壤潮湿，也可铺设；在搭接处撒上天然纳基膨润土粉，遇水后防水毯即能够自行搭接，是目前唯一用水来启动防渗功能的材料。在现有防水材料中，施工工期最短，操作最容易。

3）自我修补能力强，施工质量保障程度高。以往的防渗材料施工，由于渠线长、铺设面积大，施工质量不好控制，很难保证一点破损都没有，既不易被发现，还容易被忽视，往往因为粘贴不牢固，或针尖大的孔洞破坏，后期在高水位长时间的水压力运行下会撕开大口子，在土工材料与基土之间形成水层，产生流动，基土被淘刷，运行2～3年全线防渗功能被破坏[1]。天然钠基膨润土防水毯与防渗对象的一体化，使天然钠基膨润土遇水时，具有20～28倍的膨胀能力，即使混凝土结构物发生震动和沉降，膨润土也能马上修补2 mm以内混凝土表面的裂纹；即使直径大到30 mm的穿孔，15 d内便可完全恢复。

3.1.2 渗漏损失分析

1）渗漏量。天然钠基膨润土防水毯渗透系数达4.5×10-11cm/s，因此渠底渗漏损失量近似为0。根据《渠道防渗工程技术》[3]，混凝土防渗按平均渗漏量 0.021 m3/（m2·d），混凝土板面积A=28626.6 m2，以2009年平水年的灌溉历时 114 d，渗漏量为 68532 m3。

2）减少的渗漏损失。按照灌区多年统计平均值，泡插期干渠输水渗漏损失12.3%，补水期损失11.6%，以2009年为典型年，总渗漏损失437万m3。渠道防渗后渗漏损失减少 430.15 万 m3。

3.2 经济分析

3.2.1 投资比较

为了达到最佳的防渗效果，根据《辽宁省沈阳市农业综合开发浑北中型灌区节水配套改造一期工程初步设计报告》[2]，推荐南干渠防渗方案：一是钢筋混凝土板护坡与天然钠基膨润土防水毯护底；二是钢筋混凝土板护坡、护底。由于护坡板、齿墙结构型式一样，所以主要是比较渠底部分防渗工程投资。方案一：现状渠底开挖，铺设天然钠基膨润土防水毯，采用渠底原土回填、压实至设计渠底；方案二：清除渠底现状淤泥平均厚60 cm，外购土回填压实，铺设10 cm厚钢筋混凝土板。根据《初步设计报告》渠底工程量及造价核算，方案一投资356.07万元，方案二投资585.87万元。根据沈阳地区灌溉渠道施工经验和运行管理实践证明，钢筋混凝土板在北方寒冷地区运行2～3年，容易产生冻胀破坏，需采用新技术，增加渠底的防护措施，进一步增加投资。因此，按照节省投资的效果，初步选定第一方案。

3.2.2 投资评价

由于天然钠基膨润土防水毯与土工膜、无纺布等防渗材料相比，具有较高的市场价格的缺陷，因此，需开展经济指标评价，以确定工程投资在国民经济方面的可行性。

1）设计水平年选取2010年，现状灌溉水利用系数为0.49，毛灌溉定额 1.65×104m3/hm2。

2）年效益。 根据《建设项目经济评价方法与参数》[4]，按照“有无对比”的经济评价原则，按照节水430.15万m3、毛灌溉定额1.65×104m3/hm2计算，相当于新增灌溉面积260.67 hm2；分灌溉前和灌溉后增加工程措施，按灌溉工程效益分摊系数0.48～0.5之间，取0.49计算，灌溉前粮食产量400 kg、灌溉后600 kg，粮食增产200 kg核算，节水灌溉效益为1470 kg/hm2，总计粮食增产383180 kg；按市场价格确定水稻的影子价格为3.0元/kg。年效益为1149540元；

3）工程经济投资。项目建设期为2个月，扣除税金，经济投资为842.64万元。

4）工程年运行费。按照沈阳地区农业水费价格偏低的实际情况，不提取折旧费和流动资金。主要包括管理人员费用、动力费、运行维护费，合计是20.5万元。

5）经济指标。根据《建设项目经济评价方法与参数》[4]，计算期按21年取、社会折现率按 8%取，经计算，经济净现值ENPV为59.77万元 ，大于0；内部收益率EIRR为9.01%，大于6% ；经济效益费用比RBC为1.80，大于1。

根据以上计算，选择防水毯方案，评价指标较好，工程在国民经济上可行。

3.2.3 节省的成本

1）缩短工期，节约成本。防水毯的铺装是南干渠防渗工程建设工期控制的关键环节。在铺装时，只需由人工迅速平摊展开，按顺水流方向，上游面搭接在下游面上即可，铺装快捷简单，功效十分显著。并且防水毯本身具有较大的自重和一定的厚度，只要不是雨天，即使大风天气，也能正常铺装，大大缩短工期，显著降低施工成本。经测算，工期至少可提前5 d以上。

2）节约费用。由于没有加热和粘贴作业，不需要设置发电组等临时动力。并且不需要二次加工连接防水毯，使整体铺装费用大大下降。同时，由于防水毯柔性好，对地基平整度要求不高，适应性强，也降低了渠底整形的施工费用。经测算，每平米铺设可降低成本5元。

3）施工质量保障程度高，节省后期运行管理费用。由于防水毯本身具有较大的自重和一定的厚度，除非人为故意破坏，否则不会出现漏洞和漏点。即使出现，也很容易检测和确认，修补简单。并且天然钠基土具有永久不变质、不老化的特点，不发生冻胀破坏等问题，永久发挥防渗功能，节省了后期运行管理费用，避免了重复建设。

4 主要施工工艺程序和注意事项

4.1 施工程序[5]

1）施工排水。作为灌溉引水渠道，地下水位较高，进行疏干排水，排空渠道地表水后，对渠道进行2～3 d晾晒，保证渠道表面干燥。

2）进行渠底基面处理。在渠底开挖达到设计要求后，清除尖石和土块，去除施工碎片及其他有可能损害防水毯的异物，并按设计要求进行基础压实，铺设回填土垫层。然后用压实机将基面压实，基面夯实达到85%以上,确保地基表面平整。

3）制定施工方案和技术交底。在开展前述工作的同时，制定具体的施工方案。主要包括机械吊装、人工铺设、搭接、与齿墙连接、修补等关键环节的技术说明，特别是与齿墙的连接须进行设计图纸作业。防水毯生产厂家负责提供经验丰富的技术人员，对现场工人进行技术培训和实地演练，确保施工人员完全掌握施工技术和细节操作。

4）吊装运输。采用机械吊装，按铺设方向输送到渠底。

5）铺设安装。由人工迅速平摊展开,空间方向是无纺布面要朝上。并检查有无漏洞、漏点及破损处，在其上均匀撒上1 cm厚膨润土颗粒，裁剪充分大的防水毯覆盖即可，完成防水毯铺装工作。然后，迅速回填土覆盖防水毯。

4.2 关键工序和工艺

1）搭接部位处理[5]。防水毯的搭接方式是按顺水流方向，上游面压在下游面上，搭接宽度为30 cm。在重叠的宽度内边缘15 cm内均匀撒放膨润土颗粒，最小用量为0.45 kg/m。并保证搭接处一定无渣土或其他材料，保证干净。

2）与齿墙连接。在回填土覆盖防水毯时，要预留出齿墙的位置，齿墙以下防水毯之上填筑10～20 cm回填土，作为齿墙支撑面。防水毯经齿墙底绕到堤坡处齿墙立面，锚固在模板内侧。模板拆除后，防水毯用钢钉或细钢筋头每隔1 m锚固在堤坡上，之上浇筑混凝土护坡板。

3）回填土施工。铺装完成防水毯后，必须于当天完成回填土施工。并且达到回填土密实度在85%以上，检测压力达到2.0 kPa的规范要求。目的是使其达到必要的空间密闭压力。

4.3 施工中应注意的问题

天然钠基膨润土防水毯应在无雨天气下施工，防止膨润土提前水化；机械输送实行三点吊装，确保平衡。千万不能用钢丝绳、铁线等吊装防水毯，必须用柔性吊装带。避免磨损破坏防水毯；在铺装过程中，平面不能有任何弯曲或褶皱；天然钠基膨润土防水毯的市场价格较高，由于渠道底宽不等，很容易出现裁减剩余或增加幅宽，需要统一调配，避免浪费。

5 结语

1）天然钠基膨润土防水毯具有天然、优异的防水防渗功能，显著减少渠道渗漏损失。并且从施工方法展现上，证明施工快捷简单、适应性强、施工质量保障程度高等优点，能有效缩短工期。该工程自2011年4月8日开工建设，至5月8日完工，实际完成渠道防渗长度3.98 km。共铺设天然钠基膨润土防水毯56361 m2，这在沈阳市水利工程上首次应用，取得了良好效果。经省水利厅农水处认定，在全省灌区改造中属首次应用，值得在渠道防渗工程中推广应用。

2）用天然钠基膨润土防水毯实施防渗工程，经济评价指标较好，在国民经济方面是可行的。并且由于缩短了工期，大大降低了施工成本，而且节省后期运行管理费用。实现了社会效益与经济效益的良性循环。

3）由于首次应用天然钠基膨润土防水毯，从减少渗漏损失、实际节水效果方面，需进一步观测以验证防渗效果；在施工方法上，由于工期紧、铺装面积大，需进一步进行系统的探讨和研究，以便完善。

［1］鞠建英.景观湖渠及农业用水库渠耐久性防渗技术要点［S］.

［2］沈阳市水利建筑勘测设计院.辽宁省沈阳市农业综合开发浑北中型灌区节水配套改造一期工程初步设计报告［R］.

［3］SL18-2004，渠道防渗工程技术规范［S］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［4］国家发展改革委建设部.建设项目经济评价方法与参数（第三版）［M］.北京：中国计划出版社，2006.

［5］天然钠基膨润土防水毯（GCL）使用规范［S］.长春：吉林刘房子膨润土科技有限公司.