钠基膨润土防水毯在滹沱河防洪整治中的试验研究

张 潮，朱永涛，赵晓龙，赵伟鑫，朱向梅

（1.河北省水利科学研究院，石家庄050051；2.石家庄市水土保持工作总站，石家庄050051）

1 工程概况

滹沱河为海河水系的主要河流之一，发源于山西繁峙县，流经代县、原平和忻定盆地之后，穿太行峡谷，流域总面积2.496万km2，干流总长588km，河道宽度700～7000m2，是石家庄的主要水源地。滹沱河防洪综合整治工程规划治理范围为黄壁庄水库至藁城东界，全长70km。整体工程分三期实施，主要包括防洪工程、生态工程、井灌工程和配套工程四部分，总投资62.34亿元。

20世纪70年代，石家庄市区河道陆续修建了护岸工程，河势已基本得到控制，但在防洪建设方面仍处于滞后阶段，整体的防洪标准偏低，当遭遇50年一遇洪水时，洪水面宽度可达2～5km，河道现有防洪工程措施与防洪需求之间的矛盾十分突出［1］。滹沱河的沿岸地区作为石家庄的重要组成部分和城市规划重点发展区域，在未来社会经济中的地位不断增强，因此，滹沱河迫切需要进行生态防洪整治建设，而防渗技术在防洪综合整治中尤为突出重要。为解决滹沱河河道渗漏问题，整治工程中采用了一种新型环保防渗材料——钠基膨润土防水毯。钠基膨润土防水毯具有密实性好、柔韧性好、抗拉强度高、抗渗性能强、抗冻性能稳定、施工简便和绿色环保等特点，广泛应用于土木、水利、环保等工程中［2-9］。

目前，国内外学者针对影响膨润土防渗性能的不同因素做了大量的试验研究，但对于钠基膨润土防水毯应用于渠道防渗的研究较少［14-18］。因此，结合滹沱河防洪综合整治工程，选取合适场地建立钠基膨润土防水毯试验模型，着重研究不同的试验水头、水温和天气条件（温度、风力）对钠基膨润土防水毯模型的渗水量、水分蒸发量及渗透系数的影响变化规律，并验证钠基膨润土防水毯的高密度、高防水等特点，从而为钠基膨润土防水毯在滹沱河防洪工程的防渗应用提供理论依据和技术支持，同时也推动了钠基膨润土防水毯在我国水利工程建设的发展。

2 简介

钠基膨润土防水毯 （Geosynthetic Clay Liner，简称GCL）是一种新型的环保型土工合成材料，具有优异的抗渗、抗冻融、自密封强、储水和涵养地下水等特性，同时又因其施工便捷、修补性强，主要用于土木工程、水利工程、环保工程中的防渗或密封项目，目前有三种型号，分别为针刺法钠基膨润土防水毯（表示代号为GCL-NP），针刺覆膜法钠基膨润土防水毯（表示代号为GCL-OF），胶粘法钠基膨润土防水毯（表示代号为GCL-AH），如图1。

图1 膨润土防水毯型号

钠基膨润土防水毯的单位面积质量分别为：4000，4500，5000，5500g/m2等。本次滹沱河防洪综合整治工程中使用的钠基膨润土防水毯型号为针刺法钠基膨润土防水毯，表示代号为GCL-NP，防水毯的单位面积质量5000g/m2。试验对单位面积质量5000g/m2的针刺法钠基膨润土防水毯进行物理力学性能检测，结果如表1。

表1 针刺法钠基膨润土防水毯的物理力学性能指标

3 钠基膨润土防水毯模型试验设计

3.1 模型建立

为减少钠基膨润土防水毯模型中的水面与大气的接触面、防止模型日晒和便于试验操作，模型场地设在阴凉处，并以相关渗透材料装置为基础，采用垂直地面的圆柱体结构。试验分别以1.5，2.0，2.3，2.5，2.8，3.0m不同高度的水位水头，测定24h的渗水量及同时间的蒸发量，并通过相关公式计算渗透系数。

模型的平台尺寸大小为3.5m×3.5m×0.4m，用砂浆抹平外表。模型采用圆柱体结构，内径1.70m，高4.0m的混凝土预制管作为模型主体。待模型平台砂浆充分凝结干燥后，将预制水泥管放置在平台中央，并架设脚手架以辅助试验。在管底部留出水口，用橡皮泥封闭出水管与管壁之间的缝隙后，在管底及四壁作防水涂层。待防水涂层完全风干后，底部依次铺厚50cm砂料垫层、钠基膨润土防水毯，两者间的接触处灌入聚硫密封胶。密封胶凝固后，对砂垫层及防水毯进行排气处理。在紧贴管内壁自防水毯至模型顶部安装精度为1mm的钢尺，监测其水泥管内的水位。为模拟施工现场条件，在防水毯上铺一层厚5.0cm的砂层，并放置2层边长为15cm的胶结砂试块。试验模型结构示意图如图2，模型截面积为2.27万cm2。

图2 试验模型结构

3.2 模型特殊条件处理

3.2.1 砂垫层中空气处理

用聚硫密封胶封闭管底防水毯与管壁，待完全干硬后，自出水口充水，使预制管内的水位略高于防水毯（由于防水毯未处于较干燥状态，防渗效果较差，所以水流较易穿过防水毯渗出），并保持一定高度，利用水流排出空气。之后封闭出水口，从预制管上口处进水至0.5m深处，浸泡防水毯2d，使膨润土可以充分吸水膨胀后形成防水层。

3.2.2 水分控制

为减少试验中由于水分蒸发引起的试验结果偏差，除采用垂直地面的模型结构外，另在模型顶部覆盖塑料薄膜，尽量减少水分蒸发，并且在试验过程中当水位低于试验水头时，应及时补水。

3.3 试验步骤

（1）当钠基膨润土模型内水位达0.5m时，保持水位不变，使砂、胶结砂和防水毯达到吸水饱和状态，直至出水口渗出水。

（2）继续蓄水至1.5m后，每隔2h测读1次水位、水温和出水管渗水量，当连续5次渗水量差值不大于5%时即可结束。经过有关计算得到该水位24h防水毯单位面积的渗水量。

（3）在紧邻模型旁边放置1000mL量筒，测读相同条件下的水分蒸发量。

（4）其他水位试验方法同上。

4 试验数据采集

4.1 渗水量数据采集

按照上述试验步骤，对不同试验水头、水温、天气条件下，不同水位下24小时渗水量测量结果如表2。

表2 不同水位下24h渗水量测量结果

续表1

从表2试验水头与24h平均水位下降量的试验数据中可以看出，随着防水毯承压水头的增加，24h平均水位下降量（含当天的天然蒸发水量）也呈逐步增加的趋势，这主要是由于水位增加后，渗透水流在水压力的作用下加速了渗流速度，使单位时间内的渗透水量增加的结果。同时，从同水头情况下，不同时段测度的渗水量及换算出的24h水位下降量的试验数据可以看出，防水毯的单位渗水量与测量时段的试验水温有明显关系，当试验水温升高时，渗透水量会有所增加，主要是由于水温升高后，水的动力粘滞系数变小，加速了水的渗流速度，也促使了单位时间内的渗透水量增加。

4.2 蒸发量数据采集

按照试验步骤，测得不同试验水头条件下24h渗水量测量结果如表3。

表3 24h蒸发量测量结果

根据表3中，24h水分蒸发导致的水位下降量与防水毯渗透引起的水位下降量之和可以得出，防水毯用于滹沱河防洪综合整治工程后，在相似天气情况下，每天水位的下降量应在1.24～1.70cm之间。

4.3 渗透系数计算

依据SL/T235—1999 《土工合成材料测试规程》中土工织物垂直渗透试验的渗透系数计算方法：

式中 k20为20 ℃时试样的渗透系数 （cm/s）；W为渗透水量（cm3）；δ为试样厚度（cm）；A为试样过水面积（cm2）；Δh为上下面水位差（cm）；t为通过水量W的历时（s）；ηt为试验水温T（℃）时水的动力粘滞系数（kPa·s）；η20为20 ℃时水的动力粘滞系数（kPa·s）。

根据式（1）计算出钠基膨润土防水毯在不同试验水头下的渗透系数，计算结果如表4所示。

表4 不同水位的渗透系数结果

从表4中的不同水位下渗透系数值可以看出，随着水头的增加，防水毯的渗透系数反而偏小，究其原因是防水毯以2mm膨润土颗粒填充在无纺织布之间制成的。在试验水头增加的情况下，膨润土颗粒在水压的作用下吸水膨胀后，填充颗粒之间的缝隙形成的防水层，在一定的空间内，水压力越大，膨润土膨胀后防水层越密实，渗透系数反而会降低，防水效果逐渐增强。

5 试验结果分析

对模型试验结果进行系统的汇总，如表5。由表5中试验水头与20 ℃时试样的渗透系数关系得出以下关系曲线，如图3。

表5 不同水位的试验结果汇总

图3 水头—渗透系数关系

从表5和图3可知，在滹沱河生态防洪工程中应用的钠基膨润土防水毯，其渗透系数与水头所成关系为：y=6.97x-0.49，相关系数为R=-0.9481。

6 结语

（1）钠基膨润土防水毯在不同水压下，吸水量逐渐增大，使膨润土膨胀后更密实，渗透系数反而会逐渐减小，增强了钠基膨润土防水毯的防渗效果。

（2）在钠基膨润土防水毯模型中，膨润土防水毯在不同试验水头、天气条件和水温中得到渗水量随着水头的增加而增加，渗透系数反而越小，钠基膨润土防水毯渗透系数与水头成非线性关系：y=6.97x-0.49，相关系数为R=-0.9481。

（3）根据表3中，24h水分蒸发导致的水位下降量与防水毯渗透引起的水位下降量之和可以得出，防水毯用于滹沱河防洪综合整治工程后，在相似天气情况下，每天水位的下降量应在1.24～1.70cm之间。

［1］王学广，王泽秀.滹沱河石家庄市区段河道人工湖防渗技术研究［J］.南水北调与水利科技，2009，7（3）：38-41.

［2］周长江.膨润土防水毯在水利工程中的应用［J］.福建建材，2011（6）：73-74.

［3］鞠建英.防渗膨润土的研究及其在工程中的应用［J］.水利水电科技进展，2000，20（5）：27-29，63.

［4］赵连强，晏发明，陈济美，等.钠化膨润土作为防水材料的试验研究［J］.资源环境与工程，2010，24（1）：82-84.

［5］高莉.膨润土防水毯在地下防水工程中的应用［J］.安阳工学院学报，2010（4）：81-82.

［6］巴图.膨润土防水毯特性测试及对其防渗性能影响的研究［D］.内蒙古：内蒙古农业大学，2011.

［7］JG/T 193—2006，膨润土防水毯的行业标准［S］.

［8］周春生，史海滨，于健，等.GCL用于内蒙古河套灌区渠道防渗的适用性研究［J］.内蒙古农业大学学报，2010，31（2）：253-257.

［9］Lee J M，Shackelford C D，Benson C H，et al.Correlating index properties and hydraulic Conductivity of geosynthetic clay liners［J］.Journal of Geoteehnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131（11）：1319-1329.