滹沱河生態修復工程膨潤土防水毯在城市生態水體中的應用

文／周長興 中鐵十四局集團第一工程發展有限公司 山東日照 276826

1、膨潤土防水毯概述

1.1 膨潤土

膨潤土（Bentonite）是由蒙脫石所組成的含水粘土礦物。由于蒙脫石在膨潤性能、粘附強度、吸收功能、催化性能、觸變性能、懸浮特性和陽離子交換性等方面均具有獨特的性質,在防水領域中大多使用其膨潤性能和輔助吸收功能。由于鈣基膨潤土的分布范圍比天然鈉基膨潤土寬得多，因此除了天然鈉基膨潤土外，人造鈉基膨潤土也用于防水毯的應用。關于天然納米膨潤土和人工納米膨潤土的工程特性，有兩種完全不同的觀點：人工納米膨潤土中的人工納米離子是自由的，在實際應用中特別容易造成陽離子的流失，失去了防水的工程特性；在人工納米膨潤土中，只要納米技術合格，制備的膨潤土的性能與天然納米膨潤土沒有明顯差異。

1.2 膨潤土防水毯

覆蓋防水膨潤土是一種土工合成建筑材料，用于人工水域景觀、垃圾填埋、地下車庫、屋頂花園、游泳池、儲油和化學品儲存，以防止泄漏。它是一種膨潤土屋頂重新安置緩沖器，由具有高膨脹特性的鈉膨潤土填充在特殊復合材料和非織造土工布材料之間。它能產生許多細小的纖維裂縫，使膨潤土顆粒在遇水時能在襯墊中形成高均勻防水密度的膠體涂層，有效避免雨水流失。

膨潤土防水工程毯具備了現場鋪設作業簡便,且價位基本適中的優點,廣泛應用于水利工程、市政、園林等防滲施工中。

1.3 防水原理

膨潤土的學名是蒙脫石。根據化學成分，自然界中膨潤土主要包括鈉和鈣。膨潤土具有遇水快速膨脹的特點。當普通膨潤土鈣快速膨脹時，其膨脹面積僅為其重量的三倍，而鈉基膨潤土遇水時吸收其重量的五倍，其體積也膨脹到其原始重量的15～17 倍以上。涂層防水膨潤土是一種新型土工復合材料。將分級天然膨潤土顆粒與適當的化學添加劑混合均勻，然后在特定的加工程序和設備后，均勻牢固地固定在雙層土工布的中心，土層為鈉基膨潤土，具有數千纖維阻力和高膨脹力。膨潤土顆粒隨水膨脹，形成均勻分布的膠體系統。在雙層土工布的約束下，膨潤土由無序膨脹轉變為有序膨脹。水的不斷吸收和膨脹的結果是使膨潤土層本身更加致密，從而產生防水效果。另外,還能夠在防水毯上粘覆HDPE 薄膜,從而獲得了較為理想的防滲效果。

2、工程概況

2.1 工程概述

滹沱河是子牙河流域兩大水系之一，上游已建有崗南、黃壁莊兩座大型水庫和張河灣、郭莊等11 座中型水庫工程。滹沱河自黃壁莊水庫以下流經石家莊市區北部。本次工程范圍起自正定靈壽界（樁號9+600），止于中華大街（樁號24+348），全長14.748km。本次工程建設任務包括：主槽岸坡防護工程，槽外輸水渠，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觀綠化工程。

2.2 滹沱河正定段現狀特點

滹沱河河床以中細砂為主，滲透性較強。為形成有效的水面景觀，必須采取適當的減滲措施才能保證滹沱河河道內的生態水面，最大程度節約生態水量，同時控制減滲面積，保證主槽地下水入滲功能。正定段建設水域（蓄水補水）面積共計375 萬m2，采取減滲措施的水域面積約208.8 萬m2，防水毯減滲面積3 萬m2。

2.3 工程實施的特點與難點

滹沱河生態環境修復三期工程，河槽整治中主槽疏浚和岸坡修整、防護施工，大多采用較為傳統的成熟技術和工藝。但在河道防滲工程中，總面積達208.8 萬m2的溪流區，回填建筑渣土和沙土，雖經過強夯和灌水水壓措施，但回填材料濕陷性和自身的不密實性造成多年沉降量大。

3、溪流區防滲材料的選擇

3.1 防滲設計要點

溪流區防滲區要求防滲材料具有以下特點：防滲功能好、對地形及沉降變形適應性強、自愈能力強，容易修復等特點。

3.2 人工防滲措施

（1）混凝土防滲

這種防滲措施更適用于水體規則、表面積小的人工湖工程?；炷练罎B主要形式可分為現澆混凝土和混凝土預制塊拼裝，使用壽命一般可達30 ～ 50年?；炷练罎B的優點是防滲、抗沖擊性能好，耐久性強，但大規模應用的缺點是工程造價高。

對于有優質粘性土的地區具有投資省、工藝簡便的特點，并且有利于生態的交換，使用年限一般為25年左右。粘土防滲所需的厚度較大，因而總工程量大，因此較適宜能就地取材的情況。滹沱河沿岸地區土源較為缺乏，南水北調石家莊市區段的棄土將大量用于筑堤、景觀建設，因此獲取滿足防滲的優質粘土的成本較高。

粘性土防滲:粘性土防滲是一種傳統的防滲方法。對于有優質粘性土的地區具有投資少、技術簡單的特點，并有利于生態交換。使用壽命一般在25年左右。粘土防滲所要求的厚度較大，所以總工程量較大，所以更適合就地取材的情況。由于滹沱河沿岸缺乏土源，因此獲取滿足防滲的優質粘土的成本較高。

土工膜防滲：土工膜防滲具有滲透系數小、施工簡便、工程造價低的特點，由于土工膜屬于非降解材料，會完全切斷水力聯系，是不利于生態的防滲措施。另一方面，一旦土工膜的連接不牢固或在施工過程中有損壞，防滲效果得不到保證。

（2）膨潤土防水毯（GCL）防滲

防水毯是采用針刺法制成的膨潤土防滲墊，形成許多細小的纖維空間，遇水時在墊內形成均勻的高密度膠防水層，有效防止漏水。GCL 的防滲性能介于粘土防滲和高分子材料（土工膜）之間。GCL 使用鈉基膨潤土可以將鈉基膨潤土鎖在兩層土工合成材料中間，起保護和加固的作用，使GCL具有一定的整體抗剪強度。

3.3 GCL 防滲的特點

（1）密實性：鈉基膨潤土在水壓狀態下形成高密度橫隔膜，厚度3mm 時，它的透水性為8×10-9cm/s 以下，既滿足了防滲要求，又具有微滲性。

（2）持久性：由于鈉基膨潤土是一種天然無機材料，即便經過很長時間或在周圍環境中發生變化，也不會出現老化或腐蝕現象，所以防水性能持久。

（3）柔軟性：GCL在不同的地形和地基下均可發生變形，與其他防滲材料相比對不均勻沉降和拉應變的抵抗能力強。

（4）施工簡便：與其他防水材料相比，GCL 施工相對簡單，不需要加熱與粘貼。只需用膨潤土粉和釘子、墊圈等連接和固定即可。

（5）適應性強：GCL 在寒冷氣候條件下也不會脆斷，可耐零下32 度寒冷氣溫；GCL 在寒冷的氣候條件下不會脆斷，能承受零下32 度的寒冷溫度;在高溫受熱干縮復水后裂縫可自動完備合。

（6）自我修復性：由于膨潤土的吸水特性，直徑小于2mm 的植物根系刺穿后可以自我修復。

（7）綠色環保性：膨潤土是一種天然無機材料，對人體無害、無毒、對環境無特殊影響，具有良好的環保性能。 膨潤土防水毯按重量可分為不同型號，以5000g/m2為例，主要指標見表1。

表1 膨潤土防水毯技術指標表

滹沱河河道防滲工程具有工程范圍大、地勢條件復雜的特點。部分河段原有的采砂坑深度達10m 以上，回填材料除河床沙外不僅有部分建筑碴土，還有部分施工壓碴土。砂坑填埋后的密實度與其他部分要小一些。根據各種防滲措施的優缺點，本設計推薦膨潤土防水毯防滲與粘性土防滲相結合的方法。

4、防滲設計的影響因素及要點

4.1 主要影響因素選擇

根據滹沱河河床通透性強、地下水埋藏深度大、基礎均一性較差、對河流行洪時沖刷危害大等特征,為達到形成良好水域、濕地景觀的目標,將處理好以下問題。

4.1.1 基礎適應性

滹沱河天然滲透系數達10-2～10～3m/s 量級，滲透性較強。由于地下水位埋深差異較大，即使在洪水排放期間，也無法使河流表面的流速與地下水完全連通，使水力梯度在1附近垂直，這比正常的屋頂滲漏更困難。此外，屋頂墻基礎有沉降河的天然砂，以及用于填充砂孔的河砂。在一些地方，有幾年重現期的施工殘留物，因此各地河流的變形能力差異很大。屋面滲水結構應具有較強的抗變化能力和適應性。

4.1.2 抗沖刷適應性

滹沱河上有黃地黃水電站。當洪水以不同標準排放時，應采用分級控制和處理原則，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。根據控制和調節黃地黃水庫流量的原則，滹沱河洪水的一般控制水平為50 a 重現期，最大抗鼠疫能力水平確定為50 a 重現期。當洪水流量達到50a 時，排入河道的洪水流量一般為2～3M company/s，蟲害防治措施必須滿足洪水流量要求。

4.1.3 生態性

滹沱河生態保護恢復工程建設目標為形成相應范圍的水域與濕地,應用于市政、公園、河流水工建筑物等。

4.2 防滲設計的要點

根據滹沱河河道砂層透水嚴重和濕陷性的特點，防滲采用基層、粘土防滲層、膨潤土防滲毯防滲層和防滲毯壓實保護層四部分。

（1）基層：對現有砂坑利用清理平整的河床開挖料進行回填層層夯實，使得防滲基礎面以下相對密度達到0.70 以上。

（2）粘土防滲層：粘性土防滲通過對合格土料進行分層碾壓的方式，取得相對密實的粘土防滲層，完工后的防滲層滲透系數應小于1×10-5cm/s，厚度1m，碾壓密度要均勻。設計壓實度不小于93%。

（3）膨潤土防滲毯防滲層：采用鈉基膨潤土防水毯單位面積質量≥5000g/m2。

（4）防滲毯壓實保護層：采用粘粒含量低的壤土50cm厚，作為壓實層，減少膨潤土遇水時縱向變形過大，影響其防滲效果。

4.3 防滲結構選擇原則

根據滹沱河流域不同的地質需要，在滿足這些目標和要求的基礎上，建立了不同的防滲結構。

4.3.1 土—防水毯—膠結砂—生態砂結構

該結構適用于河底仍為原狀砂的區域，但具有良好的穩定性和均勻性，以及河流流量大的區域。

（1）選擇粘性土作為保護土，粘土濃度一般不低于15%。用作干砂和防水毯之間的墊層和過濾層。板材厚度一般為20～30cm。不僅便于施工車輛通行，而且提高了防滲效果。

（2）防水地毯重量為5000g/m2,選用廠家的成品綱基膨潤土保溫地毯材。

（3）膠結砂是用河床砂加少許水泥、粉煤灰后產生的膠結體。由于其使用的河道比天然砂成本低,只需要具備相應硬度,符合抗沖擊條件即可。試驗中采用了厚三十五厘米,硬度為5～10MPa。

（4）生態砂是指河流水位后的棄砂，平均厚度約30cm。目的是覆蓋和保護致密膠結砂，并在進口后為水生生物提供棲息地。

4.3.2 土—防水毯—土—砂礫石—卵石結構

這種結構更適合砂井在床上基本傾覆，基本穩定性稍差的情況。防水毯下及上面的土壤應選用粘性土，粘土濃度不應小于15%，防水毯上及下面的土壤總厚度不應小于50cm。砂礫是粗砂和礫石的混合物，可直接從天然河流中的非建筑材料中提取。該層的厚度為15cm，最大粒徑為2cm。礫石層密度為35cm，最大粒徑一般為10～25cm，必須均勻級配，以提高抗沖穩定性。

4.3.3 土—防水毯—土—格賓石籠結構

此構件適合在岸邊沖擊力較強以及其他需要加固抗沖的地方。表層格賓石籠的厚度一般可用30cm 或50 厘米兩種型式,籠中填充卵石,粒徑大小一般10 ～25 厘米。

5、膨潤土防水毯施工要求

5.1 膨潤土防水毯鋪設

膨潤土防水毯的鋪設應避免在水和雨中施工。防水毯鋪設應根據上部土層施工計劃相應安排進度，防水毯鋪設結束后，立即進行上部土層的施工，避免鋪設好的防水毯空置時間過長。每日完成的膨潤土防水毯鋪設量應與上部土層完成量一致。防水毯鋪設時應進行外觀檢查，防水毯搭接處鋪撒防水粉。鋪設時，防水毯任何一面上禁止有明火或煙頭的出現。

5.2 防水毯鋪設后的固定

防水毯鋪設采用頂部固定，在斜坡頂四周開挖錨固溝，錨固溝深寬度約600mm，把防水毯埋入溝底再用漿砌石覆蓋壓實。岸坡上的鋪設須根據河坎防護施工圖所示型式進行，并保證與河底、岸頂的銜接與固定。

外形奇異不規則部分的接縫除用膨潤土粉加固外還需在接縫外表涂抹漿狀膨潤土加強。

兩頭終結部位均要用錨固桿方法固定。GCL 的錨桿部位要固定在水平面最上部，并要固定牢固。錨桿被水淹沒并且傾斜度較大時，要用雙層GCL 施工。錨桿部位寬度為15cm，深度為0.6m 以上，錨固桿底部把防水毯折疊后用回填土夯實到90%以上。

結語：

滹沱河生態環境修復工程，溪流區防滲施工過程中嚴格執行施工技術的要求，通過現場試驗，各子項目均達到規范和設計要求，確保工程質量。對于北方砂性河道生態修復工程具有較高的經濟效益和良好的推廣價值。