改良土壤的渗透性能

马瑞艺 周圆兀 林志南 王家全 胡锋 吴炳辉

摘  要：为了研究改良土壤作为湿地公园湖底防渗材料的可行性，开展外加剂改良柳州市北部生态新区某湿地公园各类土样的室内击实试验和渗透试验.研究表明：①阻隔剂最优改良后杂填土，以及经石灰、粉煤灰最優改良后耕植土渗透系数最低仍达10-6数量级，因而，施工中杂填土、耕植土不能作为防渗垫层衬里材料;②阻隔剂改良风化页岩中，随着水玻璃与CaCl2比值增大至47%，渗透系数曲线呈抛物线，存在一个临界比值为27%，在该比值下其渗透系数最小;③黄粘土改良中，阻隔剂改良黄粘土最优掺量为10%;二灰改良建议采用10%粉煤灰与8.5%石灰进行组合，该组合下，防渗效果最理想;膨润土改良中，从经济与防渗效果综合考虑，推荐选用8%膨润土掺量.研究结果可为柳州市北部生态新区某湿地公园中湖底防渗工程提供数据参考.

关键词：改良土壤;击实特性;渗透性能;防渗材料

中图分类号：TV443          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.014

0    引言

近年来，“绿水青山就是金山银山”的可持续发展理念受到人们的高度重视.在兴建湿地公园等一系列绿化工程时，采用传统的混凝土防渗、复合土工膜、化学灌浆防渗等方法，具有二次污染、造价高、适用性不强、对工作人员的身体健康造成危害等不足.本项目基于柳州市北部生态新区某湿地公园建设工程，开展改良杂填土、风化页岩、黄粘土、耕植土的防渗机理研究.该工程位于柳州市北部生态新区，面积约5.84×106 m2，地质勘察发现场地属岩溶盆地地貌[1]，主要土层为碳酸盐岩经红土化作用后形成的粘土，下伏基岩为中石炭统大埔组灰质白云岩及下石炭统大塘阶页岩.从经济性、适用性，以及环保的角度出发考虑对场地土壤进行改良，达到防渗的要求.

通过查阅已有研究资料，发现传统湖底防渗垫层具有二次污染、完全阻隔生态交换、造价高、适用性不强、对工作人员的身体健康造成危害等不足.粘土垫层是近十几年我国发展起来的一种新型防渗材料，粘性土主要含蒙脱石这一粘土矿物[2]，并具有“上硬下软”的反剖面特性[3].国外研究[4-5]也表明粘土具有良好的防渗效果，将其作为工程防渗垫层材料具有可行性和现实意义，因此，工程界将改良粘土广泛应用于垃圾填埋场[6]、果园[7-8]、人工湖[9]、水渠、景观河的防渗垫层.郭浩磊[10]通过对比马兰黄土、红粘土以及二者混合的复合粘土的击实试验和渗透试验，对其作为马兰垃圾填埋场垫层的可行性进行研究.结果表明：压实马兰黄土防渗性能差，压实粘土、压实复合粘土渗透系数小，从经济环保的角度考虑最终选用复合粘土作为马兰垃圾填埋场垫层，推荐复合粘土的掺量为21%.刘志龙[11]利用粘土对深圳市福田河进行湖底防渗，粘土防渗不仅净化水质，还能实现生物与微生物的生态交换过程以及湖水与地下水的双向调节.常用于改良土壤的外加剂有：高分子羧甲基纤维素钠[12]、水泥[13]、二灰（粉煤灰+石灰）[14]、膨润土[15]、固化剂[16].然而对于改良粘土作为防渗垫层的认识存在一些不足：①大多数学者对于粘土作为防渗垫层材料只基于室内试验研究和理论分析，未结合实际工程项目，以致得到的参数或重要结论无法与工程实际相互验证;②学者们对改良后粘土研究内容主要集中在：抗剪强度、击实特性、加州承载比（CBR）、无侧限抗压强度指标方面，对其改良后的渗透性能研究较少，且大多数研究多集中在将红粘土作为垃圾填埋场进行可行性分析，而作为人工湖湖底防渗垫层的适用性研究相对较少;③由于粘土的地域性明显，学者们推荐改良粘土防渗效果较好的外加剂和掺量也不相同，对柳州地区粘土防渗效果较好的外加剂和掺量的研究还处于空白.

鉴于此，从造价、适用性、环保方面考虑，本课题开展某湿地公园库区生态抗渗阻隔技术研究，对现场土壤进行改良，改变土颗粒结构，使土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，并填充土体孔隙，形成抗渗阻隔层，取代了防渗土工膜，达到有效防渗、提高土体强度、易操作、降低造价的目的;并配合铺设砾石砂层加强水体过滤，以及种植水生植物以净化水质，真正达到建设生态湖底的效果.具体包括：阻隔剂改良杂填土，水玻璃、膨润土改良风化页岩，阻隔剂改良风化页岩和黄粘土，二灰改良黄粘土，膨润土改良黄粘土，二灰改良耕植土.利用改良土体在可控范围内的渗透率，不完全隔绝生态交换过程，避免了死水的形成，令人工湖达到一个自然的生态循环系统，使景观水质不易恶化，保持良好的观赏性.相较传统的复合土工膜防渗、混凝土防渗、化学灌浆防渗、生物防渗等，该防渗阻隔剂具有就地取材、节约成本、施工过程中无污染、绿色环保、适用性更强的优势.因此，本研究对工程实践中土壤改良的防渗处理具有重要工程价值.由于这种方法在防渗效果和生态环保二者需求之间有较好的协调性，因此前景广阔.

1    试验过程及方法

1.1   材料选取

试验选用的土样取自柳州市北部生态新区某湿地公园，依据《土工试验方法标准》（GB /T 50123—1999）和《公路土工试验规程》（JTG E40—2007），求得各类土样的密度、天然含水率、风干含水率，如表1所示.

从表1中可知，土的密度在1.41～2.12 g·cm-3，紫粘土、红粘土、黄粘土、湖底淤泥的天然含水率分别为30.85%、37.34%、29.75%、27.05%，比杂填土和耕植土的含水率大，说明在自然状态下，这几类土的持水性能即水稳定性较好.

水玻璃具有成本低、无毒、适用性强、粘结能力好的特点，硅酸凝胶能堵塞土颗粒间的孔隙并在颗粒表面形成连续封闭膜，因而具有很好的抗渗性.水玻璃和氯化钙通过物理化学反应产生的硅酸凝胶，在水的介质下，在土粒间和表面形成胶凝膜，胶结土体并充满土中的孔隙，从而提高土体的强度，因此，被广泛应用于红粘土的改良中.膨润土主要矿物为蒙脱石，具有吸水膨胀、失水收缩的特性，其膨胀后体积高达干土体积的30倍，因此，被广泛应用于红粘土的改良中.石灰、粉煤灰是工业废渣，其矿物成分是SiO2、Fe2O3、MgO、CaO等，二灰中这些具有活性的矿物成分能与红粘土中的粘粒发生反应，从而改善红粘土的物理性质.

1.2   击实试验

为了使改性剂在土中均匀分布，试验的所有试样均采用一边通过喷雾喷入干后经碾细的土样，一边充分拌和的方式.闷料24 h后，按照《土工试验方法标准》（ GB /T 50123—1999） 采用分层击实法进行击实试验，求得最优含水率，进而针对最大干密度的土样取环刀样进行渗透试验，获得该土样的渗透系数.击实后获得的圆柱体土样如图1所示.通过公式（1）求干密度：

其中：ω为含水量，%;ρ为湿密度，g·cm-3;ρd为干密度，g·cm-3.各类土的最大干密度和最优含水率如表2所示.

土体处于最优含水率时，击实土的干密度最大，孔隙比最小，土颗粒镶嵌得最密实，加之胶凝材料水化产物对土颗粒的包裹作用以及对空隙的填充作用，使得试件的整体性较强，所以CBR值也较高.从表2中可以看出，红粘土、黄粘土能在最大干密度与最优含水率之间保持较好的平衡，而杂填土、风化页岩则不能在最大干密度与最优含水率之间保持较好的平衡.试验所得的最优含水率为施工中碾压含水率提供数据参考.

1.3   变水头渗透试验

由于粘性土渗透系数较小，经过压实后透水性较弱，常水头试验不易准确测定，须采用变水头试验.试验按照《土工试验规程（SL237—2019）》中的要求进行制备.试验仪器为TST-55型渗透仪.根据式（2）计算渗透系数：

2    结果与分析

对柳州市北部生态新区某湿地公园所取的各类土壤开展一系列外加剂改良下的室内渗透试验，各个因素对渗透性能的影响分析如下.

2.1   阻隔剂改良杂填土

如图2所示，水玻璃与CaCl2比值为30%，相比于25%渗透系数减小了79.36%;水玻璃与CaCl2比值从30%增大到35%时，其渗透系数反而增大，存在一个临界值为30%，此时土体防渗性能最好.该现象归结为：水玻璃和CaCl2比值从25%增大到30%过程中，杂填土中硅酸钠与CaCl2反应生成的硅酸钙沉淀含量不断提高，填充土颗粒之间的空隙，令土体更加紧密，水稳性能提高;同时，硅酸钠经过物理作用生成硅酸凝胶使土样更加密实.但随着水玻璃和CaCl2比值从30%增大到35%过程中，水玻璃中原本有一定的含水率，故杂填土中含水率不断提高，导致相同击实功下土体压实度下降，因而渗透系数提高.

综上，在阻隔剂改良杂填土中，最优配比下，土体渗透系数最低仍达10-6数量级，因而阻隔剂改良杂填土不能满足防渗垫层衬里的要求.

2.2   水玻璃、膨润土改良风化页岩

水玻璃、膨润土共同改良风化页岩试验中，先将膨润土与风化页岩均匀拌和，在击实试验制备土柱添土至最后一层时均匀喷洒水玻璃溶液，再按规范击实达到一定击数.30%水玻璃浓度下，膨润土含量为15%时的渗透系数仅有膨润土含量为5%的4%.究其原因为：加入水玻璃、膨润土后，土体相互联结，颗粒胶结性增强，胶结作用使得形成土体致密性结构，因而大大削弱风化页岩渗透系数，如表3所示.

[土体种类 膨润土含量/% 渗透系数/ （cm·s-1） 风化页岩 0 1.82E-06 5 5.95E-08 15 2.33E-09 ]

2.3   阻隔剂改良风化页岩

如图3所示：阻隔剂改良风化页岩试验中，逐渐增大水玻璃与CaCl2比值至27%的过程中渗透系数逐渐降低，但当水玻璃与CaCl2比值超过27%时，其渗透系数反而升高，因此，存在一个临界比值为27%，在该比值下其渗透系数最小.究其原因：硅酸钠溶液和CaCl2反应生成硅酸钙以及胶结作用生成硅酸凝胶.硅酸凝胶是一种致密性的胶体，包裹土颗粒，填充土样，堵塞土体孔隙，令土体密实.但当水玻璃与CaCl2比值从27%增大至40%过程中，水玻璃中原本有一定的含水率，令杂填土中含水率不断提高，导致相同击实功下土体压实度下降，因而渗透系数提高.

综上，风化页岩在水玻璃与CaCl2改良下的防渗效果优于水玻璃与膨润土，建议北部生态新区风化页岩地层的外加剂选用比值为0.27的水玻璃与CaCl2组合，该组合下改良效果最优.

2.4   阻隔剂改良黄粘土

如图4所示，阻隔剂改良黄粘土试验中，水玻璃与CaCl2比值在10%、15%、25%变化，水玻璃与CaCl2比值增大到10%过程中其渗透系数逐渐减小.但当水玻璃与CaCl2比值从10%到25%时，其渗透系数又有所提高，存在一个临界比值为10%，在该比值下渗透系数最小.因而，在使用阻隔剂改良黄粘土时，应严格控制水玻璃与CaCl2的比值，其最优比值为10%.

2.5   粉煤灰、二灰改良黄粘土

如图5所示，粉煤灰改良黄粘土时，在一定范围内增大粉煤灰含量到15%时其渗透系数降低.该过程中黄粘土与粉煤灰主要发生离子交换作用和硬凝反应，离子交换作用令土颗粒迅速凝结，硬凝反应生成的水化硅酸钙凝胶体、水化铝酸钙凝胶体填充黄粘土孔隙结构，形成致密性土体.但当粉煤灰含量从15%增大到30%时其渗透系数反而升高，15%粉煤灰掺量的渗透系数仅为30%粉煤灰掺量渗透系数的87.4%.粉煤灰存在一个临界掺量为15%.但粉煤灰对土体可塑性具有降低作用[17]，因而粉煤灰掺量不宜过高.

如图6所示，二灰改良黄粘土时，粉煤灰含量为10%，逐渐增大石灰掺量至8.5%過程中，渗透也随之降低.其原因是：在该过程中，通过石灰与粘土中的粘粒发生一系列物理化学反应，石灰与粘粒反应生成凝胶物质填充孔隙，石灰、粉煤灰与粘粒反应生成物质的“化学填充”作用以及胶结作用使土粒间的联结力更强，粉煤灰硬凝反应生成水化硅酸钙、水化硅酸铝凝胶体，填充红粘土孔隙结构，从而增强土体的抗渗性能.然而，当石灰掺量从8.5%增大至10.0%时渗透系数反而提高，石灰含量存在一个临界值8.5%，换言之，当粉煤灰掺量为10.0%，石灰掺量为8.5%时土体的改良效果最好.其原因是石灰掺量小于8.5%时，石灰主要起稳定作用，粉煤灰削弱了土体的可塑性、膨胀性、吸水量，使土体的密实度提高，从而改善水理性;但超过8.5%这一临界值后，土体不易压实，因而防渗效果较差.

综上，在施工中粉煤灰改良黄粘土时，推荐粉煤灰掺量为15%;二灰改良黄粘土中，建议采用10.0%的粉煤灰与8.5%石灰组合，该组合下防渗效果最理想.

2.6   膨润土改良黄粘土

如图7所示，膨润土改良黄粘土试验中，当含水率一定，膨润土逐渐增大至15%时，其渗透系数逐渐降低.该过程的机理为：利用膨润土细度大以及吸水膨胀（膨胀倍数可达10～30倍）的特性，物理填充黄粘土的孔隙结构，加入纳米膨润土后，相互联结增多，结构致密性增强，从而削弱渗透率.膨润土含量越高，其防渗效果越好，但是，在实际施工中，过高的膨润土掺量会导致改良方案不经济.

如图8所示，膨润土含量为15%时，当含水率逐渐增大至25%时，其渗透系数逐渐减弱，但当含水率从25%增大至55%过程中，其渗透率反而提高.该现象的原因在于：随着含水率增大，土体颗粒间自由水增多，土颗粒被自由水包围分散，同时将土颗粒包围形成结合水膜，提高了孔隙水压力，削弱颗粒间的联结力，导致土体防渗性能减弱，含水率过高，因而形成的骨架不够密实，导致渗透系数提高.

综上，用阻隔剂、粉煤灰、二灰、膨润土分别改良黄粘土，其最优改良后的渗透效果均达10-7数量级，满足防渗层衬里的要求，从施工难度、可操作性、经济、环保角度考虑，推荐黄粘土地层选用8%膨润土，大约25%含水率压实，改良效果最理想.

2.7   石灰、粉煤灰改良耕植土

从表4中可以看出，粉煤灰改良耕植土试验中，粉煤灰含量为20%时的渗透系数约为粉煤灰含量为10%时渗透系数的48%，究其原因为耕植土与粉煤灰之间发生了化学反应，“物理填充”作用改善了土的水稳定性.但是，在实际工程中，粉煤灰含量不宜过大，含量过大会导致强度下降，且过剩的粉煤灰残留在土体表面，容易导致扬尘污染空气.粉煤灰改良耕植土中，在改良效果最优的状态下渗透系数最低仍达10-6数量级，不满足防渗层衬里的要求.

如图9所示，石灰改良耕植土中，当石灰含量逐渐增大至16%时，其渗透系数是减小的，原因是该过程中石灰与土体发生一系列物理化学反应，生成凝胶物质填充孔隙;石灰的胶结作用使土粒间的连接更为紧密，因而提高土体的抗冲蚀性能.但当石灰含量从16%增大至30%时，其渗透系数反而增高，存在一个临界值，该临界值下耕植土渗透系数最小但仍达10-6数量级.其原因是：石灰是一种无机的胶结材料，石灰含量从10%增大至16%过程中，石灰主要起稳定作用，削弱了土体可塑性、吸水能力，从而改善土体的密实度、水理性，但超过16%这一临界值后，土体不易压实，因而，防渗效果较差.

综上所述，在一定范围内，提高石灰、粉煤灰含量会降低耕植土的渗透系数，提高其抗渗性能.但是，耕植土在石灰或粉煤灰改良效果最佳的情况下渗透系数最低仍达10-6数量级，因而改良耕植土不满足防渗垫层衬里要求.

3    结论与建议

通过对柳州市北部生态新区某在建湿地公园现场所取各类土样改良后进行一系列室内渗透试验，得到如下结论：

1）在阻隔剂改良杂填土中，最优配比下，土体渗透系数最低仍达10-6数量级，因而阻隔剂改良杂填土不能满足防渗垫层衬里的要求.

2）阻隔剂改良风化页岩中，逐渐增大水玻璃与CaCl2比值至27%的过程中，渗透系数逐渐降低，但当水玻璃与CaCl2比值超过27%时，其渗透系数反而升高，存在一个临界比值为27%，在该比值下其渗透系数最小，达到防渗要求，推荐施工中选用27%最优比值对风化页岩改良.

3）阻隔剂改良黄粘土中，随着水玻璃与CaCl2比值的提高，渗透曲线呈抛物线，存在一个临界值为10%.因而，工程中推荐选用水玻璃与CaCl2比值为10%改良黄粘土.

4）黄粘土改良中，二灰改良建议采用10%粉煤灰与8.5%石灰进行组合，该组合下，防渗效果最理想.膨润土改良中，膨润土含量越高，其防渗效果越好，但从经济与防渗效果综合考虑，推荐选用8%膨润土掺量.

5） 经石灰、粉煤灰改良效果最好后耕植土的渗透系数最低达10-6数量级，不满足防渗层衬里的要求.施工中不宜选用改良耕植土作为防渗材料.

6） 外加剂改良后的各类土壤的防渗性能研究中，阻隔剂最优改良风化页岩以及阻隔剂、粉煤灰、二灰、膨润土分别改良黄粘土后的渗透系数均达10-7数量级，满足防渗层衬里的要求，从施工难度、可操作性、经济、环保角度考虑，推荐选用掺8%膨润土的红粘土压实作为柳州市北部生态新区某湿地公园衬垫.

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