1、巖土工程師輔導資料：土工合成材料黏土墊在防滲工程中的應用一、引 言隨著人們對水資源的關注，對環境污染的問題逐漸也重視起來了。現在很多工程項目都需要作防滲處理，如渠道、地下儲油罐襯墊和垃圾填埋場等。土工合成材料黏土墊?Geosynthetic Clay Liner，簡稱GCL，是一種新型的復合土工合成材料，在壓實性黏土襯墊?Compacted Clay Liner，簡稱CCL的基礎上發展而來。大多數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點。與壓實性黏土襯墊相比，它具有單位面積質量小、單位厚度抗剪強度高、抗不均勻沉降和凍融循環能力強、同等條件下水力滲透率低、施

2、工方便、安裝成本低的優點；與一般的土工膜相比，它具有防滲性能好、自我愈合能力強的優點。二、GCL的發展歷史及產品結構形式1發展歷史1986年，美國在雙襯里垃圾填埋場襯墊系統中采用到了GCL產品Claymax，當Claymax放在雙層垃圾填埋場襯墊系統第一層土工薄膜下面，在滲漏監測系統中監測到的滲漏液大大的減少了。Claymax可能是GCL最早的產品。大約在同一時期，德國出現了另一種GCL產品Bentofix，它將膨潤土粒置于兩塊針刺土工織物之間，然后將整個復合物用針刺纖維連接在一起。這種針刺GCL產品在20世紀80年代末就有許多成功的應用，其應用范圍包括運河襯墊系統、垃圾填埋場襯墊系統、飛機場

3、和高速公路的污染防護和油罐防漏等。進入20世紀90年代，隨著GCL產品在工程上應用的日漸增多，人們對GCL產品特性的理解也日漸深刻，其在環保、運輸、巖土、水利工程中的應用也日趨成熟。同時，對GCL的研究也逐步深入，目前，對GCL的產品試驗標準已出臺了14個，其中美國材料試驗協會?ASTM12個，國際土工合成材料研究院GRI2個。2常見的GCL產品結構組成Koerner按其結構組成將幾種基本的GCL產品作了如下的分類：黏合GCL雙層、針刺GCL、縫合GCL、黏合GCL單層。三、GCL的水力特性GCL產品的最主要的優勢是它的低透水性。GCL產品的透水能力一般用水力滲透系數k衡量。1一般情況下GCL

4、的水力滲透性在其他條件不變的情況下，GCL產品的水力滲透系數k是壓應力的函數，它隨著壓應力的增加而減少。一般在較低的壓應力下，k為109108cm/s，在較高的壓應力下，k值為1010109cm/s，在超高壓應力下時，其水力滲透系數會小于1010cm/s。1GCL產品接頭處的水力滲透性工廠制作的GCL產品一般長2560m，寬45m，成卷堆運。在實際工程應用中往往存在連接問題，一般的連接形式為搭接，搭接長度為75225mm。GCL夾層中膨潤土水化后，在搭接處有極強的自我愈合的功能，當壓應力達到7000Pa時，試驗表明搭接處GCL產品的水力滲透系數與未搭接處近似相等。2特定環境下GCL產品的水力滲

5、透性在不均勻沉降、干濕循環、凍融循環等特定環境下，其他防滲措施?如壓實性黏土襯墊CCL往往會失去防滲能力或防滲能力大大降低。GCL在特定工作環境下表現出了極強的優勢。3不均勻沉降下GCL產品的水力滲透性LaGatta在GCL不均勻沉降試驗中發現，大多數GCL產品有著驚人的彈性和可塑性，它們能變形到抵抗5%甚至更多的張應變而不會導致其水力滲透系數大幅度提高。如果在GCL產品上覆蓋60cm厚的土層，某些GCL產品能承受更加嚴重的不均勻沉陷?張應變達30%，而不增加其水力滲透系數值。他們還發現：即使局部不均勻沉陷發生在接頭部分，甚至出現相對滑動，其自我愈合的能力并不會因此而喪失。4干濕循環下GCL產

6、品的水力滲透性Boatman和Daniel在研究中發現：GCL產品脫水后會出現裂縫；但是當脫水后的GCL產品被重新注水后，出現的裂縫會再次閉合，其水力滲透系數又會回到原先的低值。值得注意的是，Lin等指出對高濃度雙價陽離子的滲濾液，GCL產品在干濕循環產生的裂縫并不一定都能自動愈合，如果出現這種情況，要進行特殊處理。5凍融循環下的GCL產品的水力滲透性Hewitt?RD和Daniel?DE在一個大油罐內對三種GCL產品?Claymax? Bentomat，Gundseal進行多次凍融循環的水力滲透試驗，結果發現試驗中的各種GCL產品至少在進行三個凍融循環后，其水力滲透系數不會有明顯提高。Kra

7、us，JF和Benson，CH也對三種GCL產品?Bentofix，Bentomax，Claymax做了20次凍融循環測定水力滲透系數的試驗，結果發現這些GCL產品的水力滲透系數也沒有明顯提高。他們還對Claymax、Bentomat兩種GCL產品做了現場試驗，結果發現這兩種GCL產品與Erickso對Gundseal所做的現場試驗得出的結果相近，他們在入冬前測定其水力滲透系數為101010281010m/s，經過一整個冬天后其水力滲透系數為101010301010m/s?近似一個凍融循環，這說明經過一個凍融循環后，其k值并沒有明顯提高。GCL產品在惡劣環境下，保持防滲能力的突出表現，使人們在

8、工程應用中對它越來越青睞。相比之下，CCL等其他防滲措施在同樣情況下表現較差，所以GCL能在很多情況下取代CCL等產品?如在垃圾填埋場封頂系統中。2影響GCL水力滲透性的主要因素GCL產品有極低的透水性，主要因為夾層中膨潤土的存在，任何影響膨潤土水力滲透性的因素均將影響GCL的水力滲透性，如：膨潤土中蒙脫土的含量、膨潤土的粒徑分布、滲透液的化學成分、水化程序等。考慮到上、下層土工織物的影響，加筋狀況也構成影響GCL水力滲透性的因素之一。（1）膨潤土中蒙脫土含量膨潤土中蒙脫土的含量直接影響著GCL的水力特性。蒙脫土的含量越高，膨潤土的水力滲透系數越低，其防滲效果就越好。（2）膨潤土粒徑分布GCL

9、產品中膨潤土的粒徑組成為從礫石到淤泥土甚至粉土的粒組。粒徑分布對滲透液為標準水?即去離子，蒸餾水的GCL產品的水力滲透性幾乎沒有什么影響，但是當滲透液為非標準液時?相對于標準液而言，粒徑分布對GCL的水力滲透性有明顯影響，膨潤土的平均粒徑越大，其滲透系數越高，甚至會高達105104cm/s，從而使GCL完全失去了其特有的優勢?一般要求k107cm/s。（3）滲透液的類型如果滲透液中含有較高濃度的雙價陽離子如Ca2，Mg2，則對未經處理過的GCL，其水力滲透系數會較高。但是，如果用穩定劑處理過的膨潤土，那么，即使滲透液含有較高濃度的雙價陽離子，GCL仍能保持其低的透水性，如Onikata等研制出

10、一種抗化學侵蝕膨潤土?也叫多膨脹膨潤土，這種膨潤土具有極強的抗化學侵蝕能力。（4）水化程序浸濕GCL的最初液體可能是去離子水、自來水，也可能是含強酸/堿的電解液，當最初浸濕GCL的是強酸/強堿電解液時，其水力滲透系數會偏大。在固體廢棄物填埋場工程中，對GCL作現場水力特性試驗，結果表明：即使初始水化液是強酸/堿的電解液，GCL仍然維持較低的滲透性，這是因為濾液中懸停的固體廢棄物幫助堵塞了膨潤土中自由水賴以流通的孔隙通道，從而保持GCL較低的透水性。（5）加筋對GCL產品水力滲透性的影響GCL產品一般有兩種加筋形式：縫合纖維加筋和針刺纖維加筋。加筋在一定程度上限制了膨潤土的膨脹，壓縮了膨潤土的孔

11、隙，從而減弱了它的滲透能力。但是，若是外加約束應力補償了加筋約束應力，有時甚至超過這個應力值，此時加筋對GCL產品的水力滲透性影響很小。四、GCL在防滲工程中的應用1GCL用于垃圾填埋場防滲填埋場密封系統分為：基礎密封和表面密封兩種。基礎密封是在填埋場底部和周邊設立襯墊系統；表面密封系統，也叫封頂系統，它是指廢物填埋作業完成后，在它的頂部鋪設的覆蓋層。GCL一般在土工膜以下與土工膜結合使用，以取代以往的壓實性黏土。2 GCL用于渠道GCL在德國Eberswalde河口1997用于渠道防滲的一個工程實例。給該渠道進行防滲處理是為了提高HOW河?the River Havel River Oder

12、Waterway在Marienwerder和Niederfinow之間的航運能力。該工程離Eberswalde市中心約66km，渠道長1km，邊坡13。該工程河道下層基土主要是砂土和大塊黏土。大塊黏土的分布變化很大，一部分達到河床表面，一部分向下延伸至12m深處。砂的密度隨深度增加而增加，但在河床一直向下36m深處，砂土的密度都很低。地下水流近似垂直河道流向?從北向南流），地下平均水位為34m，比渠道正常水位低3m多。為了將水頭損失控制在允許范圍內，德國HOW河流域管理局在工程中用針刺GCL結合針刺砂墊的方法成功地達到了渠道防滲的目標。針刺砂墊用于均布上部漿砌塊石傳來的應力，兼作壓重和防滲之用。該工程采用機械化施工，基本上不受天氣的影響。冬天照樣施工。五、GCL在工程應用中應注意的問題未加筋GCL的抗剪強度較低，應盡量避免未加筋的GCL用在坡度特別陡的地方。應注意GCL與濾液中的化學物質的兼容性問題，建議做化學兼容性試驗，以