鈉基膨潤土防水毯在桑干河治理工程中應用

常桂龍，楊林中，蕭 威，沈承秀，羅光明，駱祥君

（1.河北省張家口市涿鹿縣水務局，河北 張家口075600；2.北京萬方程科技有限公司，北京100038）

1 桑干河概況

桑干河發源于山西省北部寧武縣的管涔山分水嶺村，源子河發源于山西省左云縣的截口山，靠近長城。桑干河流經朔州市、大同市，至陽高縣尉家小堡村，于固定橋入冊田水庫，冊田水庫下游進入河北省境內。經宣化，涿鹿到懷來縣朱官廳屯附近與洋河匯合流入官廳水庫。

桑干河上的主要支流有黃水河、 渾河、 御河等。全長700多km，涿鹿縣境內流徑長度47.2km。縣境以上流域面積24341km2，縣境內1232km2。河北省、懷涿盆地，在涿鹿縣的保莊村東與洋河匯合，直入官廳水庫。

桑干河流域氣候冬季寒冷少雨雪。春季偏北或偏西北風盛行，氣溫回升快、蒸發量大，形成干旱雨少天氣。夏季氣溫暖濕，是一年中的主要降雨季節，但雨量較少，多年平均降雨量350～450mm，年水面平均蒸發量1343mm。區域內地形復雜多樣，植被稀少，土壤侵蝕較為嚴重。桑干河全流域多年平均輸砂量608萬m3。春秋季節風沙肆虐，氣候和生態環境惡劣，河北省涿鹿作為北京擋風沙、 阻污染的重要門戶之一，加強生態環境治理尤為重要。

2 桑干河綜合治理工程

2.1 桑干河治理項目

桑干河工程以提高河道防洪標準為主，結合蓄水形成景觀水面，是一項綜合利用的水利工程項目，河道景觀水面工程包括行洪河槽及防滲、防沖措施，由兩岸堤防、河道灘地、親水平臺、河道防護、跌水、橡膠壩等組成。主要建筑物抗洪標準20年一遇，為IV等工程，堤防工程4級。

2.2 防滲形式

根據地質勘探分析，渠基主要為卵、礫石層和部分壤土層，卵、礫石滲透系數為1.2×10-1cm/s，具強透水性。本工程防滲形式，采取3個方案。

2.2.1 黏土防滲方案

河底和邊坡采用含黏粒量大于20%的重粉質壤土壓實防滲，滲透系數不大于1×10-6cm/s，鋪設厚度0.8m，回填土分層鋪筑壓實。鋪設后日均滲漏量1262m3/d。其優點是防滲效果好、接近自然生態環境，地上水和地下水可以交互聯系，適當互為補充，并可以提高河道的自凈能力。適用于地下水位高的河段。缺點是施工難度大，投資大，造價高。

2.2.2 膨潤土防水毯防滲

河底和邊坡采用膨潤土防水毯防滲，由于河段為卵石基礎，為使防水毯充分發揮防滲效果，防水毯上下各鋪設20cm厚壤土，并壓實。防水毯采用鈉基膨潤土防水毯，單位面積質量大于等于5000g/m2，滲透系數小于等于5.0×10-9cm/s。其優點是防滲效果好，且接近自然生態環境，地上水和地下水可交互聯系，有利于河道自我凈化，施工簡單易行； 缺點是投資偏大，不適合地下水位偏高的河段。

2.2.3 復合土工膜防滲

河底和邊坡采用土工膜防滲，膜厚0.3mm，單位質量400g/m2，膜上澆筑0.15m厚C20素混凝土防護，日均滲漏量46m3/d。防滲效果一般，管理維護簡單，但割斷了地表水與地下水的聯系，不利于水豐年補充地下水，不適用于高地下水位河道。

從工程施工、運行管理、投資渠道、地下水位等多方比選、論證，最終決定對地下水位較高水位河段采用黏土防滲方案； 對于地下水位較低河段采用膨潤土防水毯防滲方案。

3 地下水位低河段防滲材料選用

桑干河地處干旱少雨的華北地區，夏季極易發生洪水災害。根據地區特點，為確保防滲效果，選擇更加理想的防滲新材料，保證河道建成后，在不滲漏的基礎上，實現地上地下水的交互融通、河道水質自我凈化能力的形成和提升，本工程選擇了防滲較好的鈉基膨潤土防水毯。

4 鈉基膨潤土防水毯

1987年，德國諾威公司首創防水毯，其后伴隨著工程應用，防水毯得以不斷改進，逐步取代傳統防滲材料。國內北京萬方程科技有限公司最早開始研究防水毯技術，并于2010年申請并獲國家發明專利。后來陸續在奧運龍形水系、鄭州鄭東新區如意湖、河北省滹沱河生態治理等重點工程中應用。2016年由北京萬方程科技有限公司牽頭制定了CECS457—2016《鈉基膨潤土防水毯應用技術規程》行業標準，對防水毯生產、施工、管理、市場等方面起到了指導、規范化作用。

膨潤土具有遇水膨脹的特性，鈣基膨潤土膨脹時，其膨脹僅為自身體積3倍，而鈉基膨潤土遇水時吸附自身重量5倍的水，體積膨脹到原來的20倍以上，將鈉基膨潤土鎖在兩層土工合成材料中間，起保護和加固作用，使防滲襯墊具有一定的整體抗剪強度。鈉基膨潤土防水毯具有以下特性。

4.1 密實性

鈉基膨潤土在水壓狀態下形成高密度、 凝膠狀橫隔膜，厚度3mm時，相當于100倍的30cm厚度黏土的密實度，具有很強的自保水性能。

4.2 耐久性

鈉基膨潤土系天然無機材料，即使經過很長時間或周圍環境發生變化，也不會發生老化或腐蝕現象，因此防水性能持久，具有永久的防水性能。

4.3 便捷性

與其他防水材料比較，施工相對比較簡單，工期縮短。施工后不需要特別的檢查，如果發現防水缺陷也容易維修。

4.4 耐寒性

不受施工期間氣溫影響，在寒冷氣候條件下也不會脆斷，不會發生冬季凍裂導致漏水現象。

4.5 自愈性

防水材料和對象的一體化，鈉基膨潤土遇水時，具有20～28倍的膨脹能力，即使混凝土結構物發生震動和沉降，或遇意外穿刺，膨潤土也能自行修復表面裂紋或創傷。

4.6 生態環保性

膨潤土為天然無機材料，對人體無害無毒，而且便于水生植物生長，植物根系可以穿透防水毯自由生長，而不影響防滲效果。會呼吸而不滲水，利于水生動物、 微生物的生長，對水環境改善具有重要作用，可有效防止水體污染。

5 復合土工膜與膨潤土防水毯比較

5.1 使用壽命長

復合土工膜屬化學類物質，有機材料，被動防水，易老化，使用壽命有限；膨潤土防水毯是天然的無機材料，抗滲體為鈉基膨潤土，主動防水，不會老化，也不會因干濕和凍融反復循環而降低防滲效果，具有永久防水性能，使用壽命長。

5.2 透水性低

不能與二襯合為一體，易竄水；膨潤土防水毯透水性極低，能與二襯合為一體，不易竄水。

5.3 柔韌性一般

遇基層異物、 水壓不勻易造成破漏，致防滲失敗；膨潤土防水毯屬柔性材料，能較好地適應不均勻沉降，可以適應復雜的施工現場。

5.4 不具備自我修復功能

發生破損，修復難度大；膨潤土防滲毯具有獨特的自我修復功能，即使銳利異物刺破膨潤土膨脹后形成的凝膠可迅速自行修復，防水安全保障性能優異。

5.5 改善生態環境

膨潤土防水毯屬于環保型材料，施工時，不會產生任何污染，同時不會完全隔斷防滲體上下水體的聯系，可保持與周邊生態環境的交互融合，利于水生動植物、微生物生長繁殖，形成良好的生態環境，且植物可穿透防水毯自由生長，也不至于發生漏水，是一種改善生態環境的新型材料。

5.6 施工

復合土工膜施工需要特殊焊接、黏結工具，而且工藝要求高，焊接質量檢測繁瑣，管線貫穿封口困難，對施工溫度有限制；膨潤土防水毯對鋪設場地及回填覆蓋土的要求比較低，對施工溫度沒有要求，一般的基底經壓實后就可滿足鋪設要求，自然搭接，節點處理便捷可靠，尤其在管道、貫通及建筑物周邊等特殊界面的結合部位，施工更便利，接縫處的密封性更有保障，質量檢測方便，鋪設簡便而且成本低，有效縮短施工周期。

經過充分比較、論證后，確定選用鈉基膨潤土防水毯作為桑干河綜合治理工程底部防滲鋪設材料。

2014年桑干河綜合治理一期工程縣城段4.5km工程完工全段蓄水，水面寬210～220m，形成了5個連續的景觀水面，水面面積96萬m2，總需蓄水量174萬m3。采用鈉基防水毯的1～4標段，蓄水1.5m，一個月內水面深度僅下降了不足20cm。

經過治理后的桑干河，河道開闊、抗洪、蓄水能力大為提升，水生動植物自由呼吸、生長，河道水面寬廣浩大、波光粼粼、清澈碧綠。吸引了歷史以來涿鹿人未曾在此地見過的水鴨、白鶴、白天鵝等國家稀有的水生動物的落戶。

桑干河景觀改善，吸引了來自世界各地的旅游觀光者和經營投資者。帶動了當地旅游業的發展，為涿鹿的經濟發展注入了新的活力。

6 結語

（1）涿州桑干河整治成功經驗，對于60萬km2的黃土高原湖泊河道具有典型推廣價值。

（2）對于京津冀協同發展湖泊河道治理，具有以點帶面，建設生態緩沖帶，提供了一個非常好的選擇； 對于華北平原城市和農村黑臭水體水質提升很好的平臺。

（3）為北方干旱、半干旱地區流域整治的規劃、設計、施工提供了模板。