GCL的水力特性及其在防渗工程中的应用

GCL的水力特性及其在防渗工程中的应用王钊2003/4/4•摘要•引言•GCL的发展历史及产品结构形式•GCL的水力特性•GCL在防渗工程中的应用•GCL在工程应用中应注意的问题•结语•摘要本文介绍了一种新型的复合土工合成材料—土工合成材料粘土垫(简称GCL)的发展历史、主要产品结构组成、类型、水力特性，剖析了影响GCL防渗能力的因素，图解说明了GCL在渠道防渗中的成功应用。最后指出GCL在实际应用中应注意的几点问题。1.引言随着人们对自然水资源的关注，对环境污染的逐步重视。现在很多工程项目都需要作防渗处理，如渠道，地下储油罐衬垫和垃圾填埋场等。土工合成材料粘土垫(GeosyntheticClayLiner，简称GCL)，是一种新型的复合土工合成材料，在压实性粘土衬垫(CompactedClayLiner，简称CCL)的基础上发展而来。大多数GCL在两层土工织物之间夹一层薄薄的膨润土，因此它们兼有土工织物和膨润土的优点。与压实性粘土衬垫相比，它具有单位面积质量小、单位厚度抗剪强度高、抗不均匀沉降和冻融循环能力强、同等条件下水力渗透率低、施工方便、安装成本低的优点；与一般的土工膜相比，它具有防渗性能优、自我愈合能力强的长处。和土工膜比较•土工膜的不透水性除用渗透系数表达外，还取决于膜的厚度、施工和运行的保护措施等。据美国土木工程学会论文报导，曾对总面积20万m2的28处衬砌用土工膜进行检查，发现平均每1万m2中有26个漏洞，其中15％是自身的孔眼，69％出现在焊缝处。前苏联的一些科研机构曾推求全国十三条大型渠道的渗透系数在（2.3～6.1）×10－6cm/s范围，远大于膜材的渗透系数。美国内务部垦务局从60年代开始用土工膜防止渠道渗漏，初期选用的膜厚度大多为0.25mm，到80年代，他们总结了近20年的经验，建议把厚度增加到0.5mm，厚度虽然增加了一倍，而投资只增加15％，防渗效果与耐久性却提高了很多。目前，一些发达国家如日本、德国的渠道防渗膜厚度超过2mm。2.GCL的发展历史及产品结构形式2.1发展历史1986年，美国在双衬里垃圾填埋场衬垫系统中用到了GCL产品——Claymax(ColloidEnvironmentalTechnologiesInc.[CETCO],ArlingtonHeights,Ill.)，当Claymax放在双层垃圾填埋场衬垫系统第一层土工薄膜下面，在渗漏监测系统中监测到的渗漏液大大的减少了。Claymax可能是GCL最早的产品型式。大约在同一时期，德国出现了另一种GCL产品——Bentofix(NaueFasertechnik,Lemforde,Germany)，它将膨润土粒置于两块针刺土工织物之间，然后将整个复合物用针刺纤维连接在一起。这种针刺GCL产品在20世纪80年代末就有许多成功的应用，其应用范围包括运河衬垫系统、垃圾填埋场衬垫系统、飞机场和高速公路的污染防护和油罐防漏等。进入二十世纪九十年代，随着GCL产品在工程上应用的日渐增多，人们对GCL产品特性的理解也日渐深刻，其在环保、运输、岩土、水利工程中的应用也日趋成熟。同时，对GCL的研究也逐步系统，目前，对GCL的产品试验标准已出台了14个（其中美国材料试验协会(ASTM)12个，国际土工合成材料研究院(GRI)2个）。可以预言，在新的世纪里，对GCL的研究会更加深入，它们在防渗工程中的应用必将更加广泛。2.2常见的GCL产品结构组成Koerner按其结构组成将几种基本的GCL产品作了如下的分类：粘合GCL(双层)、针刺GCL、缝合GCL、粘合GCL(单层)，具体图示如图1：•3.GCL的水力特性GCL产品的最主要的优势是它的低的透水性，工程上用到GCL的地方也大多数基于这一功能。GCL产品的透水能力一般用水力渗透系数k衡量。下面将介绍GCL在一般情况(实验室研究用，渗透液为去离子水)，特殊地方(接头处)，特定环境下的水力渗透性，以及影响GCL水力特性的主要因素。•3.1一般情况下GCL的水力渗透性在其它条件不变的情况下，GCL产品的水力渗透系数k是压应力的函数，它随着压应力的增加而减少。一般在较低的压应力下，k为10-9～10-8cm/s，在较高的压应力下，k值为10-10～10-9cm/s，在超高压应力下时，其水力渗透系数会小于10-10cm/s。3.2GCL产品接头处的水力渗透性工厂制作的GCL产品一般长25～60m，宽4～5m，成卷堆运。在实际工程应用中往往存在连接问题，一般的连接形式为搭接，搭接长度为75～225mm。GCL夹层中膨润土水化后，在搭接处有极强的自我愈合的功能，当压应力达到7kPa时，试验表明搭接处GCL产品的水力渗透系数与未搭接处近似相等。3.3特定环境下GCL产品的水力渗透性在不均匀沉降、干湿循环、冻融循环等特定环境下，其它防渗措施(如压实性粘土衬垫CCL)往往会失去防渗能力或防渗能力大大降低。GCL在特定工作环境下表现出了极强的优势。3.3.1不均匀沉降下GCL产品的水力渗透性LaGatta在GCL不均匀沉降试验中发现，大多数GCL产品有着惊人的弹性和可塑性，它们能变形到抵抗5%甚至更多的张应变而不会导致其水力渗透系数大幅度提高。如果在GCL产品上覆盖60cm厚的土层，某些GCL产品能承受更加严重的不均匀沉陷(张应变达30%)，而不增加其水力渗透系数值。他们还发现：即使局部不均匀沉陷发生在接头部分，甚至出现相对滑动，其自我愈合的能力并不会因此而丧失。3.3.2干湿循环下GCL产品的水力渗透性Boatman和Daniel在研究中发现：(1)GCL产品脱水后会出现裂缝；(2)但是当脱水后的GCL产品被重新注水后，出现的裂缝会再次闭合，其水力渗透系数又会回到原先的低值。值得注意的是，Lin等指出对高浓度双价阳离子的渗滤液，GCL产品在干湿循环产生的裂缝并不一定都能自动愈合，如果出现这种情况，要进行特殊处理。3.3.3冻融循环下的GCL产品的水力渗透性Hewitt,R.D.和Daniel,D.E.在一个大油罐内对三种GCL产品(Claymax,Bentomat,Gundseal)进行多次冻融循环的水力渗透试验，结果发现试验中的各种GCL产品至少在进行三个冻融循环后，其水力渗透系数不会有明显提高。Kraus,J.F.和Benson,C.H.也对三种GCL产品(Bentofix,Bentomax,Claymax)做了20次冻融循环测定水力渗透系数的试验，结果发现这些GCL产品的水力渗透系数也没有明显提高。他们还对Claymax、Bentomat两种GCL产品做了现场试验，结果发现这两种GCL产品与Erickso对Gundseal所做的现场试验得出的结果相近，他们在入冬前测定其水力渗透系数为1.0~2.8×10-10m/s，经过一整个冬天后其水力渗透系数为1.0~3.0×10-10m/s(近似一个冻融循环)，这说明经过一个冻融循环后，其k值并没有明显提高。GCL产品在恶劣环境下，保持防渗能力的突出表现，使人们在工程应用中对它越来越青睐。相比之下，CCL等其它防渗措施在同样情况下表现较差，所以GCL能在很多情况下取代CCL等产品(如在垃圾填埋场封顶系统中)。3.4影响GCL水力渗透性的主要因素GCL产品之所以有极低的透水性，主要是因为夹层中膨润土的存在，任何影响膨润土水力渗透性的因素均将影响GCL的水力渗透性，如：膨润土中蒙脱土的含量、膨润土的粒径分布、渗透液的化学成分、水化程序等。考虑到上、下层土工织物的影响，加筋状况也构成影响GCL水力渗透性的因素之一。3.4.1膨润土中蒙脱土含量膨润土中蒙脱土的含量直接影响着GCL的水力特性。蒙脱土的含量越高，膨润土的水力渗透系数越低，其防渗效果就越好。3.4.2膨润土粒径分布GCL产品中膨润土的粒径组成为从砾石到淤泥土甚至粉土的粒组。粒径分布对渗透液为标准水(即去离子，蒸馏水)的GCL产品的水力渗透性几乎没有什么影响，但是当渗透液为非标准液时(相对于标准液而言)，粒径分布对GCL的水力渗透性有明显影响，膨润土的平均粒径越大，其渗透系数越高，甚至会高达10-5~10-4cm/s，从而使GCL完全失去了其特有的优势(一般要求K＜10-7cm/s)。3.4.3渗透液的类型如果渗透液中含有较高浓度的双价阳离子如Ca2+，Mg2+，则对未经处理过的GCL，其水力渗透系数会较高。但是，如果用稳定剂处理过的膨润土，那么，即使渗透液含有较高浓度的双阶阳离子，GCL仍能保持其低的透水性，如Onikata等研制出一种抗化学侵蚀膨润土(也叫多膨胀膨润土)，这种膨润土具有极强的抗化学侵蚀能力。3.4.4水化程序浸湿GCL的最初液体可能是去离子水、自来水，也可能是含强酸/碱的电解液，当最初浸湿GCL的是强酸/强碱电解液时，其水力渗透系数会偏大。在固体废弃物填埋场工程中，对GCL作现场水力特性试验，结果表明：即使初始水化液是强酸/碱的电解液，GCL仍然维持较低的渗透性，这是因为滤液中悬停的固体废弃物帮助堵塞了膨润土中自由水赖以流通的孔隙通道，从而保持GCL较低的透水性。3.4.5加筋对GCL产品水力渗透性的影响GCL产品一般有两种加筋形式：缝合纤维加筋和针刺纤维加筋。加筋在一定程度上限制了膨润土的膨胀，压缩了膨润土的孔隙，从而减弱了它的渗透能力。但是，若是外加约束应力补偿了加筋约束应力，有时甚至超过这个应力值，此时加筋对GCL产品的水力渗透性影响很小。4.GCL在防渗工程中的应用本文选用了GCL用于两种防渗工程的情况：一个是GCL用填埋场防渗的一般情况，另一个是GCL用于渠道防渗的实际案例。4.1GCL用于垃圾填埋场防渗填埋场密封系统分为：基础密封和表面密封两种。基础密封是在填埋场底部和周边设立衬垫系统(如图3)；表面密封系统，也叫封顶系统(如图4)，它是指废物填埋作业完成后，在它的顶部铺设的覆盖层。GCL一般在土工膜以下与土工膜结合使用，以取代以往的压实性粘土。4.2GCL用于渠道图5是GCL在德国Eberswalde河口(1997)用于渠道防渗的一个工程实例。给该渠道进行防渗处理是为了提高HOW河(theRiverHavelRiverOder-Waterway)在Marienwerder和Niederfinow之间的航运能力。该工程离Eberswalde市中心约66km，渠道长1km，边坡1:3。该工程河道下层基土主要是砂土和大块粘土。大块粘土的分布变化很大，一部分达到河床表面，一部分向下延伸至12m深处。砂的密度随深度增加而增加，但在河床一直向下3~6m深处，砂土的密度都很低。地下水流近似垂直河道流向(从北向南流），地下平均水位为34m，比渠道正常水位低3m多。为了将水头损失控制在容许范围内，德国HOW河流域管理局在工程中用针刺GCL结合针刺砂垫的方法成功地达到了渠道防渗的目标。针刺砂垫用于均布上部浆砌块石传来的应力，兼作压重和防渗之用。该工程采用机械化施工，基本上不受天气的影响。冬天照样施工。5.GCL在工程应用中应注意的问题(1)未加筋GCL的抗剪强度较低，应尽量避免未加筋的GCL用在坡度特别陡的地方；(2)应注意GCL与滤液中的化学物质的兼容性问题，建议做化学兼容性试验，以测定其水力渗透系数是否有大幅度的增加；(3)对GCL的透气性不能忽视，对那些干燥地区,建议加一层土工薄膜，以确保有毒气体溢出进入大气层的含量在环保部门规定的范围内。6、结语GCL用于防渗工程效率高、成本低、抗冻性能好，完全可以在我国北方缺水地区推广，也可以服务于即将上马的南水北调工程。我国土工合成材料的推广应用与发达国家相比还有很大的差距，我们完全可以借鉴发达国家在运用新材料方面的经验,为我国的经济建设服务。