土工膜和GCL防渗结构缺陷渗漏量试验研究

彭 涛

（中国大唐集团有限公司，北京 100033）

1 研究背景

随着防渗技术的发展，目前国内外废水池或蒸发塘常采用土工膜防渗技术，即将土工膜或土工膜与其它土工合成材料作为防渗层，进行渗漏控制。因此，防渗结构的性能研究对于控制废水池或蒸发塘的渗漏有着重要的意义。传统防渗结构的隔水层常采用高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，简称HDPE）土工膜，其具有良好的耐久性和低渗透性等优点。土工合成材料膨润土垫（Geosynthetic Clay Liner，简称GCL）也是常用的隔渗材料，主要的优势是透水性小，并且能够在不大幅度提高渗透系数的前提下，承受较强的可塑性，多用作土工膜的底部衬垫[1]。GCL有着很强的自我修复能力[2-3]，当GCL发生小的戳破或者缺陷时，GCL中的钠基膨润土能够很有效的进行自我闭合[4]，从而使样本破坏后的水力传导性不会发生明显的变化。甚至在缺陷直径达到30 mm时，GCL中膨润土对缺陷的完全修复也只需要一个很短的时间（15天）[5]。GCL还可以在保持低水力传导性的情况下承受由于地面沉降和张力裂缝引起的变形和破坏[6-7]。但是，GCL在未充分水化前易于导水，并且内置的膨润土可能会与溶液发生离子交换作用，从而导致较高渗透性[5]。

制造和施工过程中产生的缺陷是造成HDPE土工膜渗漏的主要原因，其中施工破坏约占97%[8]。影响复合土工膜防渗层渗漏量的因素很多，主要有[9-10]：（1）土工膜的类型和厚度；（2）土工膜缺陷孔径的大小和形状；（3）土工膜上覆盖层；（4）土工膜底部衬垫的性质；（5）土工膜与底部衬垫之间接触情况；（6）土工膜上压力水头大小。

目前国内外土工膜的缺陷渗漏量研究常用的方法有室内试验法，理论计算法、数值模拟方法和野外观测法等。刘凤茹等[9]应用自行设计的复合土工膜渗漏试验装置，研究了缺陷渗漏量与加载水头和缺陷孔径的关系。Weber和Zornberg[10]通过试验测试方法，定量的测试了高水头情况下缺陷HDPE土工膜的渗漏量，发现HDPE+GCL防渗结构可以有效地减小土工膜的缺陷渗漏量。Saidi等[11]数值模拟了复合土工膜中两个相邻方形缺陷的渗漏情况。分析法、经验公式法和数值模拟法是目前常见的几种计算缺陷渗漏量的理论方法。然而，Foose等[12]指出，现有的方程和分析模型都有一定的限制性，没有一个通用的土工膜缺陷渗漏量计算方法。因此开展缺陷渗漏试验是确定防渗结构设计、评估防渗结构渗漏量的有效方法。

在理想条件下，GCL能够很好的阻滞污染物通过对流的形式透过隔离层，但是对于阻滞污染物的弥散扩散方面，HDPE土工膜作用更为突出。考虑到土工膜的防渗性能和抗腐蚀性以及GCL遇到破坏后的高效自我修复能力，土工膜防渗层和土工膜+GCL防渗结构在不同因素影响下所表现出的防渗性能也存在差异。

本次研究考虑施工过程中可能对土工膜和GCL防渗结构产生的损坏，基于试验装置，开展了土工膜防渗层和土工膜+GCL防渗结构在不同缺陷组合条件下的渗漏量试验，对比了两种防渗结构的渗漏量，并对渗漏量的影响规律进行了研究，从而给防渗结构设计和施工提供有益参考。

2 缺陷渗漏试验仪器与试验方案

2.1 试验仪器本次试验利用改造后的垂直渗透仪（如图1所示），针对不同试验工况下土工膜与土工膜+GCL防渗结构的缺陷特征开展试验。本次试验装置主要包括垂直渗透仪主体，进、出水口，土工膜及砂层试样，上下游测压管等。

图1 缺陷渗漏试验仪器示意图（单位：mm）

渗透仪侧壁为有机玻璃，内壁直径为18.6 cm。选取该数值较大的直径，可以有效降低尺寸效应影响下的侧壁渗漏对于渗漏量以及渗透系数测量的影响，并且较大内径的仪器更利于试件的安装与密封。仪器顶端与底部分别设置进水孔与出水孔，用于通过加载水头以达到对上下游施加不同水头差的目的。在距离仪器顶部46 cm处，布设一厚度为30 cm的砂层，并于其顶部设置土工膜或土工膜+GCL防渗结构（图1）。土工膜等防渗材料直径略大于渗透仪内径，置于渗透仪上下两部分接口处，且土工膜等防渗材料的上、下方均放置“O”形圈（图2），并在装样后用不锈钢法兰盘固定，从而保证密封效果，防止侧壁渗漏。防渗结构上游与下游分别设置了测压管，对其上下游水头进行实时测量。

图2 防止侧壁渗漏措施

2.2 试验方案影响复合土工膜防渗层渗漏量的因素很多，如土工膜的类型和厚度、土工膜缺陷孔的大小和形状、土工膜上压力水头大小等。因此，试验方案设计中考虑了不同影响因素的体现形式以及差异性，设计底部衬垫条件不变，通过设置其他可变影响因素的对照工况，开展渗漏量试验，以研究各因素对于防渗结构性能的影响特征。

为了对比分析土工膜下铺设GCL的效果，试验设置了土工膜和土工膜+GCL两类防渗结构。其中土工膜为1.5 mm厚的HDPE膜。为了分析GCL水化的影响，针对土工膜+GCL防渗结构还考虑了GCL水化和未水化两种工况，具体见表1。受试验时间的限制，试验中GCL水化工况是将GCL按设计位置放置后，加水使GCL饱和，且待GCL完全饱和后，再静放24 h。GCL铺设时，上部一般需要铺设一定厚度的土压重。在废液蒸发塘土工膜+GCL的防渗结构中，GCL一般当作土工膜的底部衬垫[1]，土工膜上方铺设一定厚度的保护层。本次试验的主要目的是研究防渗结构的渗漏特性，为避免保护层的影响，在试验过程中土工膜上方未设置保护层，而是直接施加了指定的水头。

表1 试验工况组合

为了模拟多种情况下的缺陷渗漏量值，本次试验考虑了2.8 mm、5 mm和10 mm三种缺陷孔径，以对比研究不同情况下所造成的缺陷孔径对防渗结构性能的影响。并且针对水化和未水化条件下的GCL，还分别设置了开孔和不开孔两种情况（见表1）。GCL开孔代表土工膜和GCL共同存在缺陷。不开孔代表仅土工膜存在缺陷，而GCL保持完整，即相当于单GCL起主要防渗作用，该情况主要用于分析单GCL起主要防渗条件下GCL水化与否对渗漏量的影响，从而表明水化的作用。在土工膜+GCL防渗结构的实际施工和运行中，GCL和土工膜缺陷位置重叠的情况相对较少，而受下伏垫层、施工等偶然因素的影响，GCL和土工膜往往会分别受不利因素的影响而各自产生缺陷。实际使用过程中难以确定GCL和土工膜缺陷位置的距离分布情况，且受试验仪器直径的限制，也难以室内试验模拟两者缺陷位置的距离。因此在试验过程中，针对土工膜和GCL共同存在缺陷的工况，采取了两者缺陷位置重叠的情况，该情况下的缺陷渗漏量相比缺陷位置不重叠的会偏大，可以看作渗漏量的上限值。

土工膜上方的加载水头是影响渗漏量的主要因素之一，本次试验中针对每一种组合情况，分级加载的试验水头分别为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m。

3 试验结果分析

3.1 防渗结构对比分析

图3为土工膜防渗结构在不同缺陷孔径条件下的渗漏量。图4为土工膜+未水化GCL防渗结构在不同缺陷条件下的渗漏量，其中图4（a）为仅土工膜存在缺陷，图4（b）为土工膜和GCL均存在缺陷。为了更好的对比两种防渗结构的防渗性能，针对土工膜+GCL防渗结构，分别就仅土工膜缺陷和土工膜和GCL均存在缺陷两种工况下的渗漏量与土工膜防渗结构的缺陷渗漏量进行了对比，图5为具体的渗漏量比值关系。对比图3和图4中不同防渗结构在不同条件下的渗漏量及两者的渗漏量比值关系（图5），可以看出：

图3 土工膜不同缺陷孔径条件下的渗漏量

图4 土工膜+GCL不同缺陷孔径条件下的渗漏量

图5 土工膜+GCL与土工膜缺陷渗漏量比值

（1）土工膜+GCL防渗结构的渗漏量远低于单土工膜防渗结构。相同缺陷孔径和水头条件下，当土工膜防渗层存在缺陷时，2.8 mm缺陷孔径的渗漏量介于0.16～1.41 ml/s之间，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔径的渗漏量介于2.0～12.0 ml/s之间（图3）。土工膜+GCL防渗结构中，当仅土工膜存在缺陷时，渗漏量最高为单土工膜缺陷渗漏量的13.3%（图5（a）），且在水头不大于1m的条件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔径几乎没有渗漏产生（图4（a））。土工膜+GCL防渗结构中，相同条件下土工膜与GCL均存在缺陷时的渗漏量约为仅土工膜缺陷时的4倍左右，且最高渗漏量为1.3 ml/s（图4（b））。5.0 mm和10.0 mm缺陷孔径下，土工膜与GCL均存在缺陷时的土工膜+GCL防渗结构渗漏量约比土工膜防渗结构的渗漏量低一个数量级，如果土工膜+GCL防渗结构中仅土工膜存在缺陷时，其渗漏量更低（图5）。这表明在土工膜下方铺设GCL可以大幅度的降低缺陷条件下的渗漏量。

（2）2.8 mm缺陷孔径下，水头越高，土工膜+GCL防渗结构比土工膜防渗结构的防渗效果越明显。在2.8 mm缺陷孔径下，有渗漏产生后，随着水头的提高，土工膜+GCL防渗结构在仅土工膜缺陷和土工膜与GCL均存在缺陷时的渗漏量比值均随水头的增加而呈近直线状降低（图5），其中仅土工膜缺陷的渗漏量比值由1.5 m水头下的13.3%降低至2.5 m水头下的7.8%，土工膜与GCL均存在缺陷时的渗漏量比值由0.5 m水头下的41.9%降低至2.5 m水头下的23.4%。

（3）渗漏量与水头的关系受到防渗结构破坏形式的影响。三种条件下的渗漏量均随水头的增加而增加，其中土工膜防渗结构缺陷条件下和土工膜+GCL防渗结构中土工膜与GCL均存在缺陷条件下的渗漏量与水头基本成线性（图3和图4（b））。土工膜+GCL防渗结构在仅土工膜缺陷条件下的渗漏量与水头的关系呈非线形，初始只有在水头达到一定高度后，才开始有渗漏产生（图4（a）），这与GCL钠基膨润土的吸附作用及渗流启动比降等因素有关。随着水头的增加，土工膜+GCL防渗结构的渗漏量增量与水头增量的比值关系降低，这表明水头对渗漏量的影响作用降低。

（4）渗漏量比值及渗漏量与水头的关系均表明在高水头条件下土工膜+GCL防渗结构会比土工膜展现出更好的防渗效果，防渗性能更加突出。

3.2 GCL水化的影响GCL为由土工织物包裹膨润土而形成的防水材料，其防渗主要是靠膨润土遇水膨胀胶结形成隔水层。鉴于土工膜+GCL防渗结构在仅土工膜缺陷条件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔径只有在水头超过一定高度才会产生渗漏（图4（a）），因此为了便于对比，选用10.0 mm缺陷孔径分析了GCL水化的渗漏量的影响。图6为GCL不同水化条件下的土工膜+GCL防渗结构渗漏量，从中可以看出10.0 mm缺陷孔径条件下水化条件的作用受到缺陷形式及水头的影响。

图6 10.0mm缺陷孔径条件下水化条件对土工膜+GCL防渗结构渗漏量的影响

图6（a）表明，当仅土工膜存在缺陷时，在低水头条件下GCL的水化条件对渗漏量的影响不大，但随着水头的不断增加，当水头超过1 m后，GCL未水化条件下的渗漏量开始大于水化条件下的渗漏量，并且两者差距随着水头的增加而不断增加，最大比值可以达到7倍。这是因为低水头条件下，渗漏水的流速较慢，会在渗漏过程中被未水化的GCL吸附。高水头条件下，渗漏流速较快，虽然未水化的GCL会吸附一部分渗漏水，但还是会有一大部分渗出。当GCL水化后，其膨润土胶结，渗透系数降低，可以有效的拦截土工膜缺陷导致的渗漏量。图6（a）中GCL水化可以显著降低渗漏量，这也间接表明了本试验方案中的GCL已经水化到一定程度，并展现出良好的防渗效果。

在土工膜和GCL均存在缺陷时，低水头条件下水化GCL的渗漏量略大于未水化GCL的渗漏量（见图6（b））。这是因为GCL存在缺陷时，穿过土工膜的渗漏水会直接经水化GCL的缺陷处渗出，而未水化的GCL可以吸附一部分渗漏水。随着水头的增大，GCL水化条件对渗漏量的影响降低，在2.5 m水头条件下，GCL水化与未水化条件下的渗漏量基本相同。这是因为高水头条件下渗漏水流速较快，而未水化GCL的吸附量相对偏小，故GCL水化条件对整体渗漏量的影响不明显。

3.3 水头影响分析在土工膜防渗条件下，对比图3中不同缺陷孔径条件下的渗漏量与水头的关系可以看出：（1）0.5 m水头条件下，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔径的渗漏量相近，但超过2.8 mm缺陷孔径的10倍，这表明低水头条件下的渗漏量主要取决于缺陷孔径，而水头的影响相对较小。（2）同一缺陷孔径的渗漏量与所施加的水头压力基本成正比，且该比值随着缺陷孔径的增大而增大。在2.8 mm缺陷孔径下渗漏量与水头压力的比值为0.63 ml/s.m，10.0 mm缺陷孔径下该比值增长到5.00 ml/s.m，约提升8倍。

土工膜+GCL防渗结构中，对比图4（a）中仅土工膜缺陷条件下的渗漏量与水头的关系可以看出：（1）0.5 m水头条件下不同缺陷孔径的渗漏量基本相近，1.0 m水头条件下2.8 mm和5.0 mm缺陷孔径的渗漏量相近，而10.0 mm缺陷孔径的渗漏量大幅增加。这同样表明低水头条件下的渗漏量主要取决于缺陷孔径，而受水头的影响相对较小。（2）水头超过1.0 m后，三个缺陷孔径的渗漏量均明显增加，但三者渗漏量随水头增加变化的趋势相同，均呈非线形，并且5.0 mm和10.0 mm缺陷孔径的渗漏量接近。这表明高水头条件下，初始渗漏量会大幅增加，但很快趋于平缓，这是因为缺陷土工膜下方GCL完整条件下的隔渗作用所致，同样也说明水头对渗漏量的影响偏小。

对比图4（b）中土工膜和GCL均存在缺陷条件下的渗漏量与水头的关系可以看出，渗漏量受水头的影响较大，基本呈线性变化。

通过图4中土工膜+GCL防渗结构在不同缺陷形式下的渗漏量可以看出，该结构条件下水头对渗漏量的影响主要取决于缺陷的形式，如果仅土工膜存在缺陷时，受GCL的隔渗作用影响，水头条件对渗漏量的影响偏小，如果土工膜和GCL均存在缺陷时，水头条件的影响较大。

4 结语

本研究针对不同缺陷孔径的土工膜及土工膜+GCL组成的防渗结构，采用施加不同水头进行渗漏试验的方法，研究了不同缺陷孔径条件、GCL水化情况、水头等因素对于其防渗性能的影响特征，并得出如下规律与结论：

（1）相同缺陷和水头试验条件下，相比土工膜防渗层，土工膜+GCL防渗结构可以显著降低渗漏量。在仅土工膜缺陷条件下，土工膜+GCL防渗结构的渗漏量比值不超过13.3%，且在水头不大于1 m的条件下，2.8 mm和5.0 mm缺陷孔径几乎没有渗漏产生。在土工膜与GCL均存在缺陷时，5.0 mm和10.0 mm缺陷孔径的渗漏量比值基本位于10%左右，2.8 mm缺陷孔径的渗漏量比值最高为41.9%。

（2）土工膜+GCL防渗结构中，在土工膜与GCL均存在缺陷条件下，低水头条件下GCL水化的渗漏量略大于GCL未水化的渗漏量，但两者之差随水头的增加而降低；在2.5 m水头条件下，GCL水化与未水化条件下的渗漏量基本相同。而在仅土工膜缺陷时，水头不超过1.0 m时，GCL水化与否影响不大；水头超过1.0 m后，GCL水化对降低渗漏量的效果随着水头的增加而增加，最高可降低约6倍。

（3）防渗结构的渗漏量会随着水头的增加而增加，但具体渗漏量与水头的关系受到防渗结构型式与缺陷状况的影响。土工膜防渗层缺陷条件下的渗漏量与水头基本成线性关系，而土工膜+GCL防渗结构中为“S”形关系，表明在高水头条件下土工膜+GCL防渗结构的防渗性能更加突出。

（4）根据试验结果，在废液贮放等对渗漏控制有严格要求的防渗系统设计中，选用土工膜+GCL的防渗结构防渗效果更显著。虽然GCL水化后的渗漏量显著偏低，但水化后的GCL会发生胶结，柔性降低，易在施工过程中因非均匀受力等外界因素影响，而产生裂缝等缺陷，从而破坏水化GCL的完整性，故现场施工中GCL水化与否应结合实际施工与运行情况慎重选择。