GCL的水力特性及其在防滲工程中的應(yīng)用

GCL的水力特性及其在防滲工程中的應(yīng)用

王釗

2003/4/4

摘要引言GCL的發(fā)展歷史及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式GCL的水力特性GCL在防滲工程中的應(yīng)用GCL在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題結(jié)語摘要

本文介紹了一種新型的復(fù)合土工合成材料—土工合成材料粘土墊(簡稱GCL)的發(fā)展歷史、主要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成、類型、水力特性，剖析了影響GCL防滲能力的因素，圖解說明了GCL在渠道防滲中的成功應(yīng)用。最后指出GCL在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題。 1.引言

隨著人們對自然水資源的關(guān)注，對環(huán)境污染的逐步重視?，F(xiàn)在很多工程項(xiàng)目都需要作防滲處理，如渠道，地下儲(chǔ)油罐襯墊和垃圾填埋場等。 土工合成材料粘土墊(GeosyntheticClayLiner，簡稱GCL)，是一種新型的復(fù)合土工合成材料，在壓實(shí)性粘土襯墊(CompactedClayLiner，簡稱CCL)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。大多數(shù)GCL在兩層土工織物之間夾一層薄薄的膨潤土，因此它們兼有土工織物和膨潤土的優(yōu)點(diǎn)。 與壓實(shí)性粘土襯墊相比，它具有單位面積質(zhì)量小、單位厚度抗剪強(qiáng)度高、抗不均勻沉降和凍融循環(huán)能力強(qiáng)、同等條件下水力滲透率低、施工方便、安裝成本低的優(yōu)點(diǎn)；與一般的土工膜相比，它具有防滲性能優(yōu)、自我愈合能力強(qiáng)的長處。

和土工膜比較土工膜的不透水性除用滲透系數(shù)表達(dá)外，還取決于膜的厚度、施工和運(yùn)行的保護(hù)措施等。據(jù)美國土木工程學(xué)會(huì)論文報(bào)導(dǎo)，曾對總面積20萬m2的28處襯砌用土工膜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)平均每1萬m2中有26個(gè)漏洞，其中15％是自身的孔眼，69％出現(xiàn)在焊縫處。前蘇聯(lián)的一些科研機(jī)構(gòu)曾推求全國十三條大型渠道的滲透系數(shù)在（2.3～6.1）×10－6cm/s范圍，遠(yuǎn)大于膜材的滲透系數(shù)。美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局從60年代開始用土工膜防止渠道滲漏，初期選用的膜厚度大多為0.25mm，到80年代，他們總結(jié)了近20年的經(jīng)驗(yàn)，建議把厚度增加到0.5mm，厚度雖然增加了一倍，而投資只增加15％，防滲效果與耐久性卻提高了很多。目前，一些發(fā)達(dá)國家如日本、德國的渠道防滲膜厚度超過2mm。2.GCL的發(fā)展歷史及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式2.1發(fā)展歷史

1986年，美國在雙襯里垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)中用到了GCL產(chǎn)品——Claymax(ColloidEnvironmentalTechnologiesInc.[CETCO],ArlingtonHeights,Ill.)，當(dāng)Claymax放在雙層垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)第一層土工薄膜下面，在滲漏監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測到的滲漏液大大的減少了。Claymax可能是GCL最早的產(chǎn)品型式。

大約在同一時(shí)期，德國出現(xiàn)了另一種GCL產(chǎn)品——Bentofix(NaueFasertechnik,Lemforde,Germany)，它將膨潤土粒置于兩塊針刺土工織物之間，然后將整個(gè)復(fù)合物用針刺纖維連接在一起。這種針刺GCL產(chǎn)品在20世紀(jì)80年代末就有許多成功的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍包括運(yùn)河襯墊系統(tǒng)、垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)、飛機(jī)場和高速公路的污染防護(hù)和油罐防漏等。

進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代，隨著GCL產(chǎn)品在工程上應(yīng)用的日漸增多，人們對GCL產(chǎn)品特性的理解也日漸深刻，其在環(huán)保、運(yùn)輸、巖土、水利工程中的應(yīng)用也日趨成熟。同時(shí)，對GCL的研究也逐步系統(tǒng)，目前，對GCL的產(chǎn)品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已出臺(tái)了14個(gè)（其中美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)12個(gè)，國際土工合成材料研究院(GRI)2個(gè)）。可以預(yù)言，在新的世紀(jì)里，對GCL的研究會(huì)更加深入，它們在防滲工程中的應(yīng)用必將更加廣泛。2.2常見的GCL產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

Koerner按其結(jié)構(gòu)組成將幾種基本的GCL產(chǎn)品作了如下的分類：粘合GCL(雙層)、針刺GCL、縫合GCL、粘合GCL(單層)，具體圖示如圖1：3.GCL的水水力力特特性性GCL產(chǎn)產(chǎn)品品的的最最主主要要的的優(yōu)優(yōu)勢勢是是它它的的低低的的透透水水性性，，工工程程上上用用到到GCL的的地地方方也也大大多多數(shù)數(shù)基基于于這這一一功功能能。。GCL產(chǎn)產(chǎn)品品的的透透水水能能力力一一般般用用水水力力滲滲透透系系數(shù)數(shù)k衡衡量量。。下下面面將將介介紹紹GCL在在一一般般情情況況(實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室研研究究用用，，滲滲透透液液為為去去離離子子水水)，，特特殊殊地地方方(接接頭頭處處)，，特特定定環(huán)環(huán)境境下下的的水水力力滲滲透透性性，，以以及及影影響響GCL水水力力特特性性的的主主要要因因素素。。3.1一般般情情況況下下GCL的水水力力滲滲透透性性在其其它它條條件件不不變變的的情情況況下下，，GCL產(chǎn)產(chǎn)品品的的水水力力滲滲透透系系數(shù)數(shù)k是是壓壓應(yīng)應(yīng)力力的的函函數(shù)數(shù)，，它它隨隨著著壓壓應(yīng)應(yīng)力力的的增增加加而而減減少少。。一一般般在在較較低低的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力下下，，k為為10-9～～10-8cm/s，，在在較較高高的的壓壓應(yīng)應(yīng)力力下下，，k值值為為10-10～～10-9cm/s，，在在超超高高壓壓應(yīng)應(yīng)力力下下時(shí)時(shí)，，其其水水力力滲滲透透系系數(shù)數(shù)會(huì)會(huì)小小于于10-10cm/s。。3.2GCL產(chǎn)品品接接頭頭處處的的水水力力滲滲透透性性工廠制作作的GCL產(chǎn)品品一般長長25～～60m，寬4～5m，成卷卷堆運(yùn)。。在實(shí)際際工程應(yīng)應(yīng)用中往往往存在在連接問問題，一一般的連連接形式式為搭接接，搭接接長度為為75～～225mm。。GCL夾層中中膨潤土土水化后后，在搭搭接處有有極強(qiáng)的的自我愈愈合的功功能，當(dāng)當(dāng)壓應(yīng)力力達(dá)到7kPa時(shí)，試試驗(yàn)表明明搭接處處GCL產(chǎn)品的的水力滲滲透系數(shù)數(shù)與未搭搭接處近近似相等等。3.3特特定環(huán)環(huán)境下GCL產(chǎn)品的水水力滲透透性在不均勻勻沉降、、干濕循循環(huán)、凍凍融循環(huán)環(huán)等特定定環(huán)境下下，其它它防滲措措施(如如壓實(shí)性性粘土襯襯墊CCL)往往往會(huì)失失去防滲滲能力或或防滲能能力大大大降低。。GCL在特定定工作環(huán)環(huán)境下表表現(xiàn)出了了極強(qiáng)的的優(yōu)勢。。3.3.1不均勻沉沉降下GCL產(chǎn)品的水水力滲透透性LaGatta在GCL不不均勻沉沉降試驗(yàn)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，大多多數(shù)GCL產(chǎn)品品有著驚驚人的彈彈性和可可塑性，，它們能能變形到到抵抗5%甚至至更多的的張應(yīng)變變而不會(huì)會(huì)導(dǎo)致其其水力滲滲透系數(shù)數(shù)大幅度度提高。。如果在在GCL產(chǎn)品上上覆蓋60cm厚的土土層，某某些GCL產(chǎn)品品能承受受更加嚴(yán)嚴(yán)重的不不均勻沉沉陷(張張應(yīng)變達(dá)達(dá)30%)，而而不增加加其水力力滲透系系數(shù)值。。他們還還發(fā)現(xiàn)：：即使局局部不均均勻沉陷陷發(fā)生在在接頭部部分，甚甚至出現(xiàn)現(xiàn)相對滑滑動(dòng)，其其自我愈愈合的能能力并不不會(huì)因此此而喪失失。3.3.2干濕濕循環(huán)下下GCL產(chǎn)品的水水力滲透透性Boatman和Daniel在在研究中中發(fā)現(xiàn)：：(1)GCL產(chǎn)品品脫水后后會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)裂縫；；(2)但是當(dāng)當(dāng)脫水后后的GCL產(chǎn)品品被重新新注水后后，出現(xiàn)現(xiàn)的裂縫縫會(huì)再次次閉合，，其水力力滲透系系數(shù)又會(huì)會(huì)回到原原先的低低值。值值得注意意的是，，Lin等指出出對高濃濃度雙價(jià)價(jià)陽離子子的滲濾濾液，GCL產(chǎn)產(chǎn)品在干干濕循環(huán)環(huán)產(chǎn)生的的裂縫并并不一定定都能自自動(dòng)愈合合，如果果出現(xiàn)這這種情況況，要進(jìn)進(jìn)行特殊殊處理。。3.3.3凍凍融循循環(huán)下的的GCL產(chǎn)品的水水力滲透透性Hewitt,R.D.和Daniel,D.E.在一一個(gè)大油油罐內(nèi)對對三種GCL產(chǎn)產(chǎn)品(Claymax,Bentomat,Gundseal)進(jìn)行多多次凍融融循環(huán)的的水力滲滲透試驗(yàn)驗(yàn)，結(jié)果果發(fā)現(xiàn)試試驗(yàn)中的的各種GCL產(chǎn)產(chǎn)品至少少在進(jìn)行行三個(gè)凍凍融循環(huán)環(huán)后，其其水力滲滲透系數(shù)數(shù)不會(huì)有有明顯提提高。Kraus,J.F.和Benson,C.H.也對三種種GCL產(chǎn)品(Bentofix,Bentomax,Claymax)做了了20次次凍融循循環(huán)測定定水力滲滲透系數(shù)數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)，結(jié)果果發(fā)現(xiàn)這這些GCL產(chǎn)品品的水力力滲透系系數(shù)也沒沒有明顯顯提高。。他們還對對Claymax、Bentomat兩種種GCL產(chǎn)品做做了現(xiàn)場場試驗(yàn)，，結(jié)果發(fā)發(fā)現(xiàn)這兩兩種GCL產(chǎn)品品與Erickso對對Gundseal所所做的現(xiàn)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)得出的的結(jié)果相相近，他他們在入入冬前測測定其水水力滲透透系數(shù)為為1.0~2.8×10-10m/s，，經(jīng)過一一整個(gè)冬冬天后其其水力滲滲透系數(shù)數(shù)為1.0~3.0××10-10m/s(近似一一個(gè)凍融融循環(huán))，這說說明經(jīng)過過一個(gè)凍凍融循環(huán)環(huán)后，其其k值并并沒有明明顯提高高。GCL產(chǎn)產(chǎn)品在惡惡劣環(huán)境境下，保保持防滲滲能力的的突出表表現(xiàn)，使使人們在在工程應(yīng)應(yīng)用中對對它越來來越青睞睞。相比比之下，，CCL等其它它防滲措措施在同同樣情況況下表現(xiàn)現(xiàn)較差，，所以GCL能能在很多多情況下下取代CCL等等產(chǎn)品(如在垃垃圾填埋埋場封頂頂系統(tǒng)中中)。3.4影影響GCL水力滲滲透性性的主主要因因素GCL產(chǎn)品品之所所以有有極低低的透透水性性，主主要是是因?yàn)闉閵A層層中膨膨潤土土的存存在，，任何何影響響膨潤潤土水水力滲滲透性性的因因素均均將影影響GCL的水水力滲滲透性性，如如：膨膨潤土土中蒙蒙脫土土的含含量、、膨潤潤土的的粒徑徑分布布、滲滲透液液的化化學(xué)成成分、、水化化程序序等。。考慮慮到上上、下下層土土工織織物的的影響響，加加筋狀狀況也也構(gòu)成成影響響GCL水水力滲滲透性性的因因素之之一。。3.4.1膨潤土中中蒙脫土含含量膨潤土中蒙蒙脫土的含含量直接影影響著GCL的水力力特性。蒙蒙脫土的含含量越高，，膨潤土的的水力滲透透系數(shù)越低低，其防滲滲效果就越越好。3.4.2膨潤土粒粒徑分布GCL產(chǎn)品品中膨潤土土的粒徑組組成為從礫礫石到淤泥泥土甚至粉粉土的粒組組。粒徑分分布對滲透透液為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)水(即去去離子，蒸蒸餾水)的的GCL產(chǎn)產(chǎn)品的水力力滲透性幾幾乎沒有什什么影響，，但是當(dāng)滲滲透液為非非標(biāo)準(zhǔn)液時(shí)時(shí)(相對于于標(biāo)準(zhǔn)液而而言)，粒粒徑分布對對GCL的的水力滲透透性有明顯顯影響，膨膨潤土的平平均粒徑越越大，其滲滲透系數(shù)越越高，甚至至?xí)哌_(dá)10-5~10-4cm/s，從而使使GCL完完全失去了了其特有的的優(yōu)勢(一一般要求K＜10-7cm/s)。3.4.3滲透液的的類型如果滲透液液中含有較較高濃度的的雙價(jià)陽離離子如Ca2+，Mg2+，，則對未經(jīng)經(jīng)處理過的的GCL，，其水力滲滲透系數(shù)會(huì)會(huì)較高。但但是，如果果用穩(wěn)定劑劑處理過的的膨潤土，，那么，即即使?jié)B透液液含有較高高濃度的雙雙階陽離子子，GCL仍能保持持其低的透透水性，如如Onikata等等研制出出一種抗化化學(xué)侵蝕膨膨潤土(也也叫多膨脹脹膨潤土)，這種膨膨潤土具有有極強(qiáng)的抗抗化學(xué)侵蝕蝕能力。3.4.4水化程序序浸濕GCL的最初液液體可能是是去離子水水、自來水水，也可能能是含強(qiáng)酸酸/堿的電電解液，當(dāng)當(dāng)最初浸濕濕GCL的的是強(qiáng)酸/強(qiáng)堿電解解液時(shí)，其其水力滲透透系數(shù)會(huì)偏偏大。在固固體廢棄物物填埋場工工程中，對對GCL作作現(xiàn)場水力力特性試驗(yàn)驗(yàn)，結(jié)果表表明：即使使初始水化化液是強(qiáng)酸酸/堿的電電解液，GCL仍然然維持較低低的滲透性性，這是因因?yàn)闉V液中中懸停的固固體廢棄物物幫助堵塞塞了膨潤土土中自由水水賴以流通通的孔隙通通道，從而而保持GCL較低的的透水性。。3.4.5加筋對GCL產(chǎn)品水力滲滲透性的影影響GCL產(chǎn)品品一般有兩兩種加筋形形式：縫合合纖維加筋筋和針刺纖纖維加筋。。加筋在一一定程度上上限制了膨膨潤土的膨膨脹，壓縮縮了膨潤土土的孔隙，，從而減弱弱了它的滲滲透能力。。但是，若若是外加約約束應(yīng)力補(bǔ)補(bǔ)償了加筋筋約束應(yīng)力力，有時(shí)甚甚至超過這這個(gè)應(yīng)力值值，此時(shí)加加筋對GCL產(chǎn)品的的水力滲透透性影響很很小。4.GCL在防滲工程程中的應(yīng)用用本文選用了了GCL用用于兩種防防滲工程的的情況：一一個(gè)是GCL用填埋埋場防滲的的一般情況況，另一個(gè)個(gè)是GCL用于渠道道防滲的實(shí)實(shí)際案例。。4.1GCL用于垃圾填填埋場防滲滲填埋場密封封系統(tǒng)分為為：基礎(chǔ)密密封和表面面密封兩種種?；A(chǔ)密密封是在填填埋場底部部和周邊設(shè)設(shè)立襯墊系系統(tǒng)(如圖3)；表面密密封系統(tǒng)，，也叫封頂頂系統(tǒng)(如如圖4)，它是指指廢物填埋埋作業(yè)完成成后，在它它的頂部鋪鋪設(shè)的覆蓋蓋層。GCL一般在在土工膜以以下與土工工膜結(jié)合使使用，以取取代以往的的壓實(shí)性粘粘土。4.2GCL用于渠道圖5是GCL在德國國Eberswalde河口口(1997)用于于渠道防滲滲的一個(gè)工工程實(shí)例。。給該渠道道進(jìn)行防滲滲處理是為為了提高HOW河(theRiverHavelRiverOder-Waterway)在Marienwerder和Niederfinow之間的的航運(yùn)能力力。該工程程離Eberswalde市市中心約66km，，渠道長1km，邊邊坡1:3。該工程程河道下層層基土主要要是砂土和和大塊粘土土。大塊粘粘土的分布布變化很大大，一部分分達(dá)到河床床表面，一一部分向下下延伸至12m深處處。砂的密度隨隨深度增加加而增加，，但在河床床一直向下下3~6m深處，砂砂土的密度度都很低。。地下水流流近似垂直直河道流向向(從北向向南流），，地下平均均水位為34m，比比渠道正常常水位低3m多。為為了將水頭頭損失控制制在容許范范圍內(nèi)，德德國HOW河流域管管理局在工工程中用針針刺GC