土坝（堤）的几种防渗形式与应用

摘 要：土坝的防渗体是工程成功的关键，而弹模较低、可塑性强的防渗材料（或复合材料），在中低水头的设计中应用范围广、使用面积大。本文对我国水利工程设计中经常用到的防渗体形式进行了总结，列出了不同的性能指标和特点以及目前的应用情况，为工程设计和施工提供经验和借鉴。

关键词：土坝 防渗形式 性能 应用

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0072-02

我国正处于社会经济的快速发展期，城镇化进程加快，表现在城市流动性人口增加，建设规模越来越大，用水量急剧增加。而中小型水库及塘坝建设以及河道的堤防加固治理正在全面展开。结合这些小型土坝（堤）水利工程的特点，选择经济合理的防渗形式，是节省投资及检验工程方案成功的标志之一。本文总结几种防渗体的形式和特点，以期为工程应用提供借鉴。

1 复合土工膜

土工膜分为沥青和聚合物（合成高聚物）两大类，随着工程需要与科技的发展，又产生了复合土工膜。复合土工膜分为2种：（1）将织物和膜共同加热压合而成；（2）在织物上涂抹胶粘剂粘合聚合物膜形成2层或多层（俗称一布一膜等）的复合土工膜。具有以下特点。

（1）良好的化学稳定性和抗渗性，耐高低温，耐酸、碱、盐等多种强酸强碱化学介质腐蚀；渗透系数可达1×10-11～1×10-12cm/s。

（2）抗老化、抗紫外线、抗分解能力强，可裸露使用，材料使用寿命达50年至70年，采用的材料为无毒环保材料，防渗原理是普通物理变化。

（3）良好的机械强度和抗穿刺能力，断裂拉伸强度28 MPa，断裂延伸率700%，可以抵抗大部分植物根系的破坏。

（4）施工速度快，防渗膜有很高的灵活性，有多种规格多种铺设形式满足不同工程防渗要求，采用热熔焊接，焊缝强度高，焊接机焊接效果非常好，施工方便、快速健康。

迄今为止土工膜国外已有50多年的历史，最初应用于低水头的渠道防渗，西班牙1984年用于坝高97 m的某堆石坝中；应用土工膜防渗最高的是葡萄牙的paradela坝。我国沧州地区子牙新河深槽扬张阁闸（流量300 m3/s）首次应用复合土工膜防渗工程，其后得到快速发展。

2 土工合成材料膨润土垫（GCL）

土工合成材料膨润土垫（GCL）是在CCL（现场厚压实粘土防渗村垫）基础上发展起来的一种介于CCL和高分子材料土工膜之间的一种防渗衬垫。GCL是工厂制造的由一层膨润土或其他低渗透性材料外覆土工织物或土工膜，通过针刺、缝合或化学粘合的方法复合制成的一种复合材料；也有的产品只有一层土工膜，其上有用粘合剂粘合的一层薄薄的膨润土。其特点如下。

（1）极好的柔性，在张应变达到20%的情况下，其渗透率基本不变；用GCL作渠道衬垫，其挖方量显著减小；与CCL相比，GCL搭接方便，便于安装，施工速度快，工期短，节约了成本。

（2）有很强的自我愈合功能，由于膨润土的存在，它会使土工织物刺破处自我愈合。而且上下层土工织物在针刺或缝合纤维的作用下也约束了膨润土的移动，进一步提高了其自我愈合功能。

（3）抗张应变能力强，GCL产品具有较大的弹性和可塑性，它们能变形到抵抗5%甚至更大的应变而不会导致渗透系数的大幅提高，如果在其上覆盖一层厚土，GCL能承受的应变可达30%且渗透系数无明显变化。

（4）抗干湿循环能力强，GCL产品受热后会出现干缩现象，但当脱水后的产品重新注水后，出现的裂缝会再次愈合，其水力传导系数又会回到原先较低的数值。抗冻融循环能力强。

主要应用于环境工程中的废弃物填埋场、土石坝及堤防的防渗墙、渠道和储油罐的防渗衬垫等工程中。济南园博园景观湖工程采用了全断面整体防渗型式。主要分为湖底防渗和坝坡防渗两部分，正常蓄水位以下坝坡和湖底采用复合土工膜防渗，上部坝坡采用GCL（膨润土垫）防渗。

3 自凝灰浆

自凝灰浆材料是用水泥、膨润土、缓凝剂和水配制而成的一种浆液，是一种新型的防渗材料，其成份为水泥、膨润土、水、外加剂等，施工中将上述材料预先搅拌均匀，形成自凝灰浆，然后注入槽孔凝固成墙体。自凝灰浆常用的配合比可采用水泥∶膨润土∶水=0.267∶0.083∶1左右，也有加掺合料（如砂、粉煤灰、石粉等）的，缓凝剂一般可采用葡萄糖酸钠、焦磷酸钠、磷酸氢二钠或木质素磺酸盐等。

与常规混凝土防渗墙相比，自凝灰浆防渗墙具有弹模低、施工工艺简单、施工效率高、节约水泥、防渗效果好、造价低防渗可靠等特点，同时，还克服了混凝土防渗墙槽孔搭接问题，能适应较大变形。

自凝灰浆凝固后，28d无侧限抗压强度为0.1～0.5 MPa；变形模量为40～300 MPa，无侧限极限应变为0.6%～1.0%；当侧限压力为0.1～0.3 MPa时，极限应变为3%～5%，与土层和砂砾石层十分接近。渗透系数在1×10-6～10-7cm/s之间。

自凝灰浆柔性墙体材料在20世纪60年代首先由法国地基公司开发的。此后，在低水头堤、坝基础防渗和临时围堰防渗工程中得到了较为广泛的推广应用，国外自凝灰浆防渗墙最大墙深已达50 m。国内开发应用较为缓慢，1985年，深圳大亚湾核电站做成了我国第一道自凝灰浆防渗墙。2002年，我国自主研发的自凝灰浆墙体材料，成功应用于三峡围堰工程，具有广泛的应用前景。

4 固化灰浆

固化灰浆是在自凝灰浆的基础上发展起来的，它是在单元槽段造孔完毕后，向槽孔内的泥浆中加入水泥等固化材料，砂、粉煤灰等掺合料以及水玻璃等固化剂和外加剂，经机械搅拌或压缩空气搅拌后形成的防渗固结体。浆材固化工艺有原位置换法和搅拌法二种。置换法是通过泵送浆材将槽内泥浆置换掉，该法不能充分利用槽内既有泥浆，浆材配制成本高，泥浆浪费严重，且槽段连接质量差；搅拌法是采用泵吸反循环或压缩空气等方式实现槽内既有泥浆和后期灌注浆材混合的。

固化灰浆具有凝结时间可控性好，固结体具有较好的防渗性能和抗侵蚀性能以及其他的性能特点，如：抗压强度和弹性模量适宜、与地基变形协调能力强、对环境无污染、现场配制方便、不受成槽时间限制、能充分利用槽孔内废泥浆成本低等。一般采用粘土浆或膨润土浆作为固化灰浆防渗墙，其墙体28d抗压强度0.5～1.5 MPa，弹性模量50～800 MPa，单位吸水率W=10-8 m/s（相当于渗透系数为H>10-6～10-8 cm/s）。

目前为止我国仅在四川铜街子、湖北王甫州等少数工程采用固化灰浆作防渗墙体材料。湖北的王甫州水利枢纽围堰防渗墙采用原位风搅法施工，即在抓斗挖槽完毕后，向槽内加入固化剂和水泥砂浆，用空气压缩机的高压风搅拌均匀后静置硬化成墙。

5 砼连续墙

根据材料组成不同分为砼连续墙和塑性砼连续墙；根据成墙方式又分为液压抓斗法、深层搅拌法、振动切槽法、振动沉模法、锯槽法以及射水法振动射冲成槽建造砼防渗墙等。

砼连续墙是很成功的一种防渗技术；塑性砼是用粘土、膨润土等混合材料取代普通混凝土中大部分水泥而形成的一种柔性墙体材料，塑性混凝土抗压强度的设计值一般不大于5 MPa，早期强度增长较慢，后期增长速率较高，通常60d和180d强度可达28d强度的1.5和1.8倍；抗拉强度一般为抗压强度的1/7～1/12。塑性混凝土的变形模量一般不超过2000 MPa，与抗压强度基本上呈直线关系；其无侧限极限应变可达到0.33%～0.70%；其破坏渗透比降可达300以上；渗透系数随时间的增长而降低。评价塑性混凝土配合比设计的标准是：在强度一定的条件下，弹性模量与抗压强度的比值越小越好。

塑性混凝土的水泥用量为80～150 kg/m3，膨润土用量不宜小于40 kg/m3，胶凝材料总用量（包括土料、粉煤灰等）不宜小于240 kg/m3，砂率不宜小于45%；一般采用一级配骨料，当采用二级配骨料时，小石与中石的用量比不宜小于1.0。

国内多家单位对塑性混凝土墙体材料进行研究和开发并取得了丰硕的成果。山东省在曲阜尼山大型水库、乳山市院里中型水库、胶州大王邑小型水库、枣庄大鲍庄水库、新泰桃花峪水库、等工程采用塑性混凝土防渗墙。表1是尼山与院里水库的配合比及性能表。

6 结语

（1）土坝（堤）的防渗体是工程成功的关键，而弹模较低、可塑性强的防渗材料（或复合材料）在中低水头中应用范围广、使用面积大。本文列举了几种低弹模的防渗形式，供设计时参考。

（2）复合土工膜技术应用技术较为成熟，土工合成材料膨润土垫、自凝灰浆、固化灰浆、塑性混凝土等墙体材料有适宜的强度、较低的弹性模量、与地基有较好的变形协调性、良好的抗渗性能、较好的抗侵蚀性能及凝结时间可控性好等方向发展，具有良好的推广应用价值。

（3）水利工程的防渗性是区别于其它工程的特点之一，因此，在工程设计中应结合工程的具体条件，经综合比较确定合理可行的防渗方案。