【摘要】滹沱河生態(tài)修復(fù)工程是河北省的重點(diǎn)工程，在工程中河道防滲處理是關(guān)鍵工程成敗的關(guān)鍵。本項(xiàng)目工程布置，充分考慮生態(tài)水量的雙重作用：即在服從地下水回補(bǔ)具體要求下，又能滿足地表生態(tài)水面的蓄水基本要求，采用粘土和納基膨潤(rùn)土防滲毯相結(jié)合的防滲措施。文章就具體工程實(shí)例，分析了膨潤(rùn)土防水毯的特點(diǎn)，以及在施工中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】滹沱河;生態(tài)修復(fù);河道;防滲;膨潤(rùn)土;防水毯

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.09.076

1、膨潤(rùn)土防水毯概述

1.1膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)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(rùn)性能、粘附強(qiáng)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(dú)特的性質(zhì)，在防水領(lǐng)域中大多使用其膨潤(rùn)性能和輔助吸收功能。由于鈣基膨潤(rùn)土的分布范圍比天然鈉基膨潤(rùn)土寬得多，因此除了天然鈉基膨潤(rùn)土外，人造鈉基膨潤(rùn)土也用于防水毯的應(yīng)用。關(guān)于天然納米膨潤(rùn)土和人工納米膨潤(rùn)土的工程特性，有兩種完全不同的觀點(diǎn)：人工納米膨潤(rùn)土中的人工納米離子是自由的，在實(shí)際應(yīng)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(rùn)土中，只要納米技術(shù)合格，制備的膨潤(rùn)土的性能與天然納米膨潤(rùn)土沒有明顯差異。

1.2膨潤(rùn)土防水毯

覆蓋防水膨潤(rùn)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(kù)、屋頂花園、游泳池、儲(chǔ)油和化學(xué)品儲(chǔ)存，以防止泄漏。它是一種膨潤(rùn)土屋頂重新安置緩沖器，由具有高膨脹特性的鈉膨潤(rùn)土填充在特殊復(fù)合材料和非織造土工布材料之間。它能產(chǎn)生許多細(xì)小的纖維裂縫，使膨潤(rùn)土顆粒在遇水時(shí)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(rùn)土防水工程毯具備了現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)作業(yè)簡(jiǎn)便，且價(jià)位基本適中的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水利工程、市政、園林等防滲施工中。

1.3防水原理

膨潤(rùn)土的學(xué)名是蒙脫石。根據(jù)化學(xué)成分，自然界中膨潤(rùn)土主要包括鈉和鈣。膨潤(rùn)土具有遇水快速膨脹的特點(diǎn)。當(dāng)普通膨潤(rùn)土鈣快速膨脹時(shí)，其膨脹面積僅為其重量的三倍，而鈉基膨潤(rùn)土遇水時(shí)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(rùn)土是一種新型土工復(fù)合材料。將分級(jí)天然膨潤(rùn)土顆粒與適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)添加劑混合均勻，然后在特定的加工程序和設(shè)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(rùn)土，具有數(shù)千纖維阻力和高膨脹力。膨潤(rùn)土顆粒隨水膨脹，形成均勻分布的膠體系統(tǒng)。在雙層土工布的約束下，膨潤(rùn)土由無序膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺蛎?。水的不斷吸收和膨脹的結(jié)果是使膨潤(rùn)土層本身更加致密，從而產(chǎn)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(kù)和張河灣、郭莊等11座中型水庫(kù)工程。滹沱河自黃壁莊水庫(kù)以下流經(jīng)石家莊市區(qū)北部。本次工程范圍起自正定靈壽界（樁號(hào)9+600），止于中華大街（樁號(hào)24+348），全長(zhǎng)14.748km。本次工程建設(shè)任務(wù)包括：主槽岸坡防護(hù)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(xiàn)狀特點(diǎn)

滹沱河河床以中細(xì)砂為主，滲透性較強(qiáng)。為形成有效的水面景觀，必須采取適當(dāng)?shù)臏p滲措施才能保證滹沱河河道內(nèi)的生態(tài)水面，最大程度節(jié)約生態(tài)水量，同時(shí)控制減滲面積，保證主槽地下水入滲功能。正定段建設(shè)水域（蓄水補(bǔ)水）面積共計(jì)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(shí)施的特點(diǎn)與難點(diǎn)

滹沱河生態(tài)環(huán)境修復(fù)三期工程，河槽整治中主槽疏浚和岸坡修整、防護(hù)施工，大多采用較為傳統(tǒng)的成熟技術(shù)和工藝。但在河道防滲工程中，總面積達(dá)208.8萬m的溪流區(qū)，回填建筑渣土和沙土，雖經(jīng)過強(qiáng)夯和灌水水壓措施，但回填材料濕陷性和自身的不密實(shí)性造成多年沉降量大。

3、溪流區(qū)防滲材料的選擇

3.1防滲設(shè)計(jì)要點(diǎn)

溪流區(qū)防滲區(qū)要求防滲材料具有以下特點(diǎn)：防滲功能好、對(duì)地形及沉降變形適應(yīng)性強(qiáng)、自愈能力強(qiáng)，容易修復(fù)等特點(diǎn)。

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(guī)則、表面積小的人工湖工程?；炷练罎B主要形式可分為現(xiàn)澆混凝土和混凝土預(yù)制塊拼裝，使用壽命一般可達(dá)30 ～ 50年?；炷练罎B的優(yōu)點(diǎn)是防滲、抗沖擊性能好，耐久性強(qiáng)，但大規(guī)模應(yīng)用的缺點(diǎn)是工程造價(jià)高。

對(duì)于有優(yōu)質(zhì)粘性土的地區(qū)具有投資省、工藝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，并且有利于生態(tài)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(qū)土源較為缺乏，南水北調(diào)石家莊市區(qū)段的棄土將大量用于筑堤、景觀建設(shè)，因此獲取滿足防滲的優(yōu)質(zhì)粘土的成本較高。

粘性土防滲：粘性土防滲是一種傳統(tǒng)的防滲方法。對(duì)于有優(yōu)質(zhì)粘性土的地區(qū)具有投資少、技術(shù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并有利于生態(tài)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(yōu)質(zhì)粘土的成本較高。

土工膜防滲：土工膜防滲具有滲透系數(shù)小、施工簡(jiǎn)便、工程造價(jià)低的特點(diǎn)，由于土工膜屬于非降解材料，會(huì)完全切斷水力聯(lián)系，是不利于生態(tài)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(rùn)土防水毯（GCL）防滲

防水毯是采用針刺法制成的膨潤(rùn)土防滲墊，形成許多細(xì)小的纖維空間，遇水時(shí)在墊內(nèi)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(rùn)土可以將鈉基膨潤(rùn)土鎖在兩層土工合成材料中間，起保護(hù)和加固的作用，使GCL具有一定的整體抗剪強(qiáng)度。

3.3 GCL防滲的特點(diǎn)

（1）密實(shí)性：鈉基膨潤(rùn)土在水壓狀態(tài)下形成高密度橫隔膜，厚度3mm時(shí)，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(rùn)土是一種天然無機(jī)材料，即便經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間或在周圍環(huán)境中發(fā)生變化，也不會(huì)出現(xiàn)老化或腐蝕現(xiàn)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(fā)生變形，與其他防滲材料相比對(duì)不均勻沉降和拉應(yīng)變的抵抗能力強(qiáng)。

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

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

（6）自我修復(fù)性：由于膨潤(rùn)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(fù)。

（7）綠色環(huán)保性：膨潤(rùn)土是一種天然無機(jī)材料，對(duì)人體無害、無毒、對(duì)環(huán)境無特殊影響，具有良好的環(huán)保性能。 膨潤(rùn)土防水毯按重量可分為不同型號(hào)，以5000g/m 為例，主要指標(biāo)見表1。

滹沱河河道防滲工程具有工程范圍大、地勢(shì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)。部分河段原有的采砂坑深度達(dá)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(shí)度與其他部分要小一些。根據(jù)各種防滲措施的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)推薦膨潤(rùn)土防水毯防滲與粘性土防滲相結(jié)合的方法。

4、防滲設(shè)計(jì)的影響因素及要點(diǎn)

4.1主要影響因素選擇

根據(jù)滹沱河河床通透性強(qiáng)、地下水埋藏深度大、基礎(chǔ)均一性較差、對(duì)河流行洪時(shí)沖刷危害大等特征，為達(dá)到形成良好水域、濕地景觀的目標(biāo)，將處理好以下問題。

4.1.1基礎(chǔ)適應(yīng)性

滹沱河天然滲透系數(shù)達(dá)10～10m/s量級(jí)，滲透性較強(qiáng)。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(chǔ)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(xiàn)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(jié)構(gòu)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗變化能力和適應(yīng)性。

4.1.2抗沖刷適應(yīng)性

滹沱河上有黃地黃水電站。當(dāng)洪水以不同標(biāo)準(zhǔn)排放時(shí)，應(yīng)采用分級(jí)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(jù)控制和調(diào)節(jié)黃地黃水庫(kù)流量的原則，滹沱河洪水的一般控制水平為50 a重現(xiàn)期，最大抗鼠疫能力水平確定為50 a重現(xiàn)期。當(dāng)洪水流量達(dá)到50a時(shí)，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(tài)性

滹沱河生態(tài)保護(hù)恢復(fù)工程建設(shè)目標(biāo)為形成相應(yīng)范圍的水域與濕地，應(yīng)用于市政、公園、河流水工建筑物等。

4.2防滲設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

根據(jù)滹沱河河道砂層透水嚴(yán)重和濕陷性的特點(diǎn)，防滲采用基層、粘土防滲層、膨潤(rùn)土防滲毯防滲層和防滲毯壓實(shí)保護(hù)層四部分。

（1）基層：對(duì)現(xiàn)有砂坑利用清理平整的河床開挖料進(jìn)行回填層層夯實(shí)，使得防滲基礎(chǔ)面以下相對(duì)密度達(dá)到0.70以上。

（2）粘土防滲層：粘性土防滲通過對(duì)合格土料進(jìn)行分層碾壓的方式，取得相對(duì)密實(shí)的粘土防滲層，完工后的防滲層滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10cm/s，厚度1m，碾壓密度要均勻。設(shè)計(jì)壓實(shí)度不小于93%。

（3）膨潤(rùn)土防滲毯防滲層：采用鈉基膨潤(rùn)土防水毯?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量≥5000g/m。

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

4.3防滲結(jié)構(gòu)選擇原則

根據(jù)滹沱河流域不同的地質(zhì)需要，在滿足這些目標(biāo)和要求的基礎(chǔ)上，建立了不同的防滲結(jié)構(gòu)。

4.3.1土—防水毯—膠結(jié)砂—生態(tài)砂結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)適用于河底仍為原狀砂的區(qū)域，但具有良好的穩(wěn)定性和均勻性，以及河流流量大的區(qū)域。

（1）選擇粘性土作為保護(hù)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/m，選用廠家的成品綱基膨潤(rùn)土保溫地毯材。

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

（4）生態(tài)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(hù)致密膠結(jié)砂，并在進(jìn)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(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)更適合砂井在床上基本傾覆，基本穩(wěn)定性稍差的情況。防水毯下及上面的土壤應(yīng)選用粘性土，粘土濃度不應(yīng)小于15%，防水毯上及下面的土壤總厚度不應(yīng)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(jí)配，以提高抗沖穩(wěn)定性。

4.3.3土—防水毯—土—格賓石籠結(jié)構(gòu)

此構(gòu)件適合在岸邊沖擊力較強(qiáng)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(rùn)土防水毯施工要求

5.1膨潤(rùn)土防水毯鋪設(shè)

膨潤(rùn)土防水毯的鋪設(shè)應(yīng)避免在水和雨中施工。防水毯鋪設(shè)應(yīng)根據(jù)上部土層施工計(jì)劃相應(yīng)安排進(jìn)度，防水毯鋪設(shè)結(jié)束后，立即進(jìn)行上部土層的施工，避免鋪設(shè)好的防水毯空置時(shí)間過長(zhǎng)。每日完成的膨潤(rùn)土防水毯鋪設(shè)量應(yīng)與上部土層完成量一致。防水毯鋪設(shè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，防水毯搭接處鋪撒防水粉。鋪設(shè)時(shí)，防水毯任何一面上禁止有明火或煙頭的出現(xiàn)。

5.2防水毯鋪設(shè)后的固定

防水毯鋪設(shè)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(shí)。岸坡上的鋪設(shè)須根據(jù)河坎防護(hù)施工圖所示型式進(jìn)行，并保證與河底、岸頂?shù)你暯优c固定。

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

兩頭終結(jié)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(shí)，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(shí)到90%以上。

結(jié)語：

滹沱河生態(tài)環(huán)境修復(fù)工程，溪流區(qū)防滲施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行施工技術(shù)的要求，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，各子項(xiàng)目均達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，確保工程質(zhì)量。對(duì)于北方砂性河道生態(tài)修復(fù)工程具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

周長(zhǎng)興（1988.02-），男，漢族，山東菏澤人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：水利工程水生態(tài)治理。