滹沱河生态修复工程膨润土防水毯在城市生态水体中的应用

文／周长兴 中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东日照 276826

1、膨润土防水毯概述

1.1 膨润土

膨润土（Bentonite）是由蒙脱石所组成的含水粘土矿物。由于蒙脱石在膨润性能、粘附强度、吸收功能、催化性能、触变性能、悬浮特性和阳离子交换性等方面均具有独特的性质,在防水领域中大多使用其膨润性能和辅助吸收功能。由于钙基膨润土的分布范围比天然钠基膨润土宽得多，因此除了天然钠基膨润土外，人造钠基膨润土也用于防水毯的应用。关于天然纳米膨润土和人工纳米膨润土的工程特性，有两种完全不同的观点：人工纳米膨润土中的人工纳米离子是自由的，在实际应用中特别容易造成阳离子的流失，失去了防水的工程特性；在人工纳米膨润土中，只要纳米技术合格，制备的膨润土的性能与天然纳米膨润土没有明显差异。

1.2 膨润土防水毯

覆盖防水膨润土是一种土工合成建筑材料，用于人工水域景观、垃圾填埋、地下车库、屋顶花园、游泳池、储油和化学品储存，以防止泄漏。它是一种膨润土屋顶重新安置缓冲器，由具有高膨胀特性的钠膨润土填充在特殊复合材料和非织造土工布材料之间。它能产生许多细小的纤维裂缝，使膨润土颗粒在遇水时能在衬垫中形成高均匀防水密度的胶体涂层，有效避免雨水流失。

膨润土防水工程毯具备了现场铺设作业简便,且价位基本适中的优点,广泛应用于水利工程、市政、园林等防渗施工中。

1.3 防水原理

膨润土的学名是蒙脱石。根据化学成分，自然界中膨润土主要包括钠和钙。膨润土具有遇水快速膨胀的特点。当普通膨润土钙快速膨胀时，其膨胀面积仅为其重量的三倍，而钠基膨润土遇水时吸收其重量的五倍，其体积也膨胀到其原始重量的15～17 倍以上。涂层防水膨润土是一种新型土工复合材料。将分级天然膨润土颗粒与适当的化学添加剂混合均匀，然后在特定的加工程序和设备后，均匀牢固地固定在双层土工布的中心，土层为钠基膨润土，具有数千纤维阻力和高膨胀力。膨润土颗粒随水膨胀，形成均匀分布的胶体系统。在双层土工布的约束下，膨润土由无序膨胀转变为有序膨胀。水的不断吸收和膨胀的结果是使膨润土层本身更加致密，从而产生防水效果。另外,还能够在防水毯上粘覆HDPE 薄膜,从而获得了较为理想的防渗效果。

2、工程概况

2.1 工程概述

滹沱河是子牙河流域两大水系之一，上游已建有岗南、黄壁庄两座大型水库和张河湾、郭庄等11 座中型水库工程。滹沱河自黄壁庄水库以下流经石家庄市区北部。本次工程范围起自正定灵寿界（桩号9+600），止于中华大街（桩号24+348），全长14.748km。本次工程建设任务包括：主槽岸坡防护工程，槽外输水渠，溪流水面工程，河槽疏浚平整工程，溢流堰工程，河道建筑渣土清理工程及景观绿化工程。

2.2 滹沱河正定段现状特点

滹沱河河床以中细砂为主，渗透性较强。为形成有效的水面景观，必须采取适当的减渗措施才能保证滹沱河河道内的生态水面，最大程度节约生态水量，同时控制减渗面积，保证主槽地下水入渗功能。正定段建设水域（蓄水补水）面积共计375 万m2，采取减渗措施的水域面积约208.8 万m2，防水毯减渗面积3 万m2。

2.3 工程实施的特点与难点

滹沱河生态环境修复三期工程，河槽整治中主槽疏浚和岸坡修整、防护施工，大多采用较为传统的成熟技术和工艺。但在河道防渗工程中，总面积达208.8 万m2的溪流区，回填建筑渣土和沙土，虽经过强夯和灌水水压措施，但回填材料湿陷性和自身的不密实性造成多年沉降量大。

3、溪流区防渗材料的选择

3.1 防渗设计要点

溪流区防渗区要求防渗材料具有以下特点：防渗功能好、对地形及沉降变形适应性强、自愈能力强，容易修复等特点。

3.2 人工防渗措施

（1）混凝土防渗

这种防渗措施更适用于水体规则、表面积小的人工湖工程。混凝土防渗主要形式可分为现浇混凝土和混凝土预制块拼装，使用寿命一般可达30 ～ 50年。混凝土防渗的优点是防渗、抗冲击性能好，耐久性强，但大规模应用的缺点是工程造价高。

对于有优质粘性土的地区具有投资省、工艺简便的特点，并且有利于生态的交换，使用年限一般为25年左右。粘土防渗所需的厚度较大，因而总工程量大，因此较适宜能就地取材的情况。滹沱河沿岸地区土源较为缺乏，南水北调石家庄市区段的弃土将大量用于筑堤、景观建设，因此获取满足防渗的优质粘土的成本较高。

粘性土防渗:粘性土防渗是一种传统的防渗方法。对于有优质粘性土的地区具有投资少、技术简单的特点，并有利于生态交换。使用寿命一般在25年左右。粘土防渗所要求的厚度较大，所以总工程量较大，所以更适合就地取材的情况。由于滹沱河沿岸缺乏土源，因此获取满足防渗的优质粘土的成本较高。

土工膜防渗：土工膜防渗具有渗透系数小、施工简便、工程造价低的特点，由于土工膜属于非降解材料，会完全切断水力联系，是不利于生态的防渗措施。另一方面，一旦土工膜的连接不牢固或在施工过程中有损坏，防渗效果得不到保证。

（2）膨润土防水毯（GCL）防渗

防水毯是采用针刺法制成的膨润土防渗垫，形成许多细小的纤维空间，遇水时在垫内形成均匀的高密度胶防水层，有效防止漏水。GCL 的防渗性能介于粘土防渗和高分子材料（土工膜）之间。GCL 使用钠基膨润土可以将钠基膨润土锁在两层土工合成材料中间，起保护和加固的作用，使GCL具有一定的整体抗剪强度。

3.3 GCL 防渗的特点

（1）密实性：钠基膨润土在水压状态下形成高密度横隔膜，厚度3mm 时，它的透水性为8×10-9cm/s 以下，既满足了防渗要求，又具有微渗性。

（2）持久性：由于钠基膨润土是一种天然无机材料，即便经过很长时间或在周围环境中发生变化，也不会出现老化或腐蚀现象，所以防水性能持久。

（3）柔软性：GCL在不同的地形和地基下均可发生变形，与其他防渗材料相比对不均匀沉降和拉应变的抵抗能力强。

（4）施工简便：与其他防水材料相比，GCL 施工相对简单，不需要加热与粘贴。只需用膨润土粉和钉子、垫圈等连接和固定即可。

（5）适应性强：GCL 在寒冷气候条件下也不会脆断，可耐零下32 度寒冷气温；GCL 在寒冷的气候条件下不会脆断，能承受零下32 度的寒冷温度;在高温受热干缩复水后裂缝可自动完备合。

（6）自我修复性：由于膨润土的吸水特性，直径小于2mm 的植物根系刺穿后可以自我修复。

（7）绿色环保性：膨润土是一种天然无机材料，对人体无害、无毒、对环境无特殊影响，具有良好的环保性能。 膨润土防水毯按重量可分为不同型号，以5000g/m2为例，主要指标见表1。

表1 膨润土防水毯技术指标表

滹沱河河道防渗工程具有工程范围大、地势条件复杂的特点。部分河段原有的采砂坑深度达10m 以上，回填材料除河床沙外不仅有部分建筑碴土，还有部分施工压碴土。砂坑填埋后的密实度与其他部分要小一些。根据各种防渗措施的优缺点，本设计推荐膨润土防水毯防渗与粘性土防渗相结合的方法。

4、防渗设计的影响因素及要点

4.1 主要影响因素选择

根据滹沱河河床通透性强、地下水埋藏深度大、基础均一性较差、对河流行洪时冲刷危害大等特征,为达到形成良好水域、湿地景观的目标,将处理好以下问题。

4.1.1 基础适应性

滹沱河天然渗透系数达10-2～10～3m/s 量级，渗透性较强。由于地下水位埋深差异较大，即使在洪水排放期间，也无法使河流表面的流速与地下水完全连通，使水力梯度在1附近垂直，这比正常的屋顶渗漏更困难。此外，屋顶墙基础有沉降河的天然砂，以及用于填充砂孔的河砂。在一些地方，有几年重现期的施工残留物，因此各地河流的变形能力差异很大。屋面渗水结构应具有较强的抗变化能力和适应性。

4.1.2 抗冲刷适应性

滹沱河上有黄地黄水电站。当洪水以不同标准排放时，应采用分级控制和处理原则，即：五a 一遇每秒400 立方米，10a 一遇每秒800 立方米，50a 一遇每秒330 平方米，50a以上不排放。根据控制和调节黄地黄水库流量的原则，滹沱河洪水的一般控制水平为50 a 重现期，最大抗鼠疫能力水平确定为50 a 重现期。当洪水流量达到50a 时，排入河道的洪水流量一般为2～3M company/s，虫害防治措施必须满足洪水流量要求。

4.1.3 生态性

滹沱河生态保护恢复工程建设目标为形成相应范围的水域与湿地,应用于市政、公园、河流水工建筑物等。

4.2 防渗设计的要点

根据滹沱河河道砂层透水严重和湿陷性的特点，防渗采用基层、粘土防渗层、膨润土防渗毯防渗层和防渗毯压实保护层四部分。

（1）基层：对现有砂坑利用清理平整的河床开挖料进行回填层层夯实，使得防渗基础面以下相对密度达到0.70 以上。

（2）粘土防渗层：粘性土防渗通过对合格土料进行分层碾压的方式，取得相对密实的粘土防渗层，完工后的防渗层渗透系数应小于1×10-5cm/s，厚度1m，碾压密度要均匀。设计压实度不小于93%。

（3）膨润土防渗毯防渗层：采用钠基膨润土防水毯单位面积质量≥5000g/m2。

（4）防渗毯压实保护层：采用粘粒含量低的壤土50cm厚，作为压实层，减少膨润土遇水时纵向变形过大，影响其防渗效果。

4.3 防渗结构选择原则

根据滹沱河流域不同的地质需要，在满足这些目标和要求的基础上，建立了不同的防渗结构。

4.3.1 土—防水毯—胶结砂—生态砂结构

该结构适用于河底仍为原状砂的区域，但具有良好的稳定性和均匀性，以及河流流量大的区域。

（1）选择粘性土作为保护土，粘土浓度一般不低于15%。用作干砂和防水毯之间的垫层和过滤层。板材厚度一般为20～30cm。不仅便于施工车辆通行，而且提高了防渗效果。

（2）防水地毯重量为5000g/m2,选用厂家的成品纲基膨润土保温地毯材。

（3）胶结砂是用河床砂加少许水泥、粉煤灰后产生的胶结体。由于其使用的河道比天然砂成本低,只需要具备相应硬度,符合抗冲击条件即可。试验中采用了厚三十五厘米,硬度为5～10MPa。

（4）生态砂是指河流水位后的弃砂，平均厚度约30cm。目的是覆盖和保护致密胶结砂，并在进口后为水生生物提供栖息地。

4.3.2 土—防水毯—土—砂砾石—卵石结构

这种结构更适合砂井在床上基本倾覆，基本稳定性稍差的情况。防水毯下及上面的土壤应选用粘性土，粘土浓度不应小于15%，防水毯上及下面的土壤总厚度不应小于50cm。砂砾是粗砂和砾石的混合物，可直接从天然河流中的非建筑材料中提取。该层的厚度为15cm，最大粒径为2cm。砾石层密度为35cm，最大粒径一般为10～25cm，必须均匀级配，以提高抗冲稳定性。

4.3.3 土—防水毯—土—格宾石笼结构

此构件适合在岸边冲击力较强以及其他需要加固抗冲的地方。表层格宾石笼的厚度一般可用30cm 或50 厘米两种型式,笼中填充卵石,粒径大小一般10 ～25 厘米。

5、膨润土防水毯施工要求

5.1 膨润土防水毯铺设

膨润土防水毯的铺设应避免在水和雨中施工。防水毯铺设应根据上部土层施工计划相应安排进度，防水毯铺设结束后，立即进行上部土层的施工，避免铺设好的防水毯空置时间过长。每日完成的膨润土防水毯铺设量应与上部土层完成量一致。防水毯铺设时应进行外观检查，防水毯搭接处铺撒防水粉。铺设时，防水毯任何一面上禁止有明火或烟头的出现。

5.2 防水毯铺设后的固定

防水毯铺设采用顶部固定，在斜坡顶四周开挖锚固沟，锚固沟深宽度约600mm，把防水毯埋入沟底再用浆砌石覆盖压实。岸坡上的铺设须根据河坎防护施工图所示型式进行，并保证与河底、岸顶的衔接与固定。

外形奇异不规则部分的接缝除用膨润土粉加固外还需在接缝外表涂抹浆状膨润土加强。

两头终结部位均要用锚固杆方法固定。GCL 的锚杆部位要固定在水平面最上部，并要固定牢固。锚杆被水淹没并且倾斜度较大时，要用双层GCL 施工。锚杆部位宽度为15cm，深度为0.6m 以上，锚固杆底部把防水毯折叠后用回填土夯实到90%以上。

结语：

滹沱河生态环境修复工程，溪流区防渗施工过程中严格执行施工技术的要求，通过现场试验，各子项目均达到规范和设计要求，确保工程质量。对于北方砂性河道生态修复工程具有较高的经济效益和良好的推广价值。