土壩（堤）的幾種防滲形式與應用

摘 要：土壩的防滲體是工程成功的關鍵，而彈模較低、可塑性強的防滲材料（或復合材料），在中低水頭的設計中應用范圍廣、使用面積大。本文對我國水利工程設計中經常用到的防滲體形式進行了總結，列出了不同的性能指標和特點以及目前的應用情況，為工程設計和施工提供經驗和借鑒。

關鍵詞：土壩 防滲形式 性能 應用

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0072-02

我國正處于社會經濟的快速發展期，城鎮化進程加快，表現在城市流動性人口增加，建設規模越來越大，用水量急劇增加。而中小型水庫及塘壩建設以及河道的堤防加固治理正在全面展開。結合這些小型土壩（堤）水利工程的特點，選擇經濟合理的防滲形式，是節省投資及檢驗工程方案成功的標志之一。本文總結幾種防滲體的形式和特點，以期為工程應用提供借鑒。

1 復合土工膜

土工膜分為瀝青和聚合物（合成高聚物）兩大類，隨著工程需要與科技的發展，又產生了復合土工膜。復合土工膜分為2種：（1）將織物和膜共同加熱壓合而成；（2）在織物上涂抹膠粘劑粘合聚合物膜形成2層或多層（俗稱一布一膜等）的復合土工膜。具有以下特點。

（1）良好的化學穩定性和抗滲性，耐高低溫，耐酸、堿、鹽等多種強酸強堿化學介質腐蝕；滲透系數可達1×10-11～1×10-12cm/s。

（2）抗老化、抗紫外線、抗分解能力強，可裸露使用，材料使用壽命達50年至70年，采用的材料為無毒環保材料，防滲原理是普通物理變化。

（3）良好的機械強度和抗穿刺能力，斷裂拉伸強度28 MPa，斷裂延伸率700%，可以抵抗大部分植物根系的破壞。

（4）施工速度快，防滲膜有很高的靈活性，有多種規格多種鋪設形式滿足不同工程防滲要求，采用熱熔焊接，焊縫強度高，焊接機焊接效果非常好，施工方便、快速健康。

迄今為止土工膜國外已有50多年的歷史，最初應用于低水頭的渠道防滲，西班牙1984年用于壩高97 m的某堆石壩中；應用土工膜防滲最高的是葡萄牙的paradela壩。我國滄州地區子牙新河深槽揚張閣閘（流量300 m3/s）首次應用復合土工膜防滲工程，其后得到快速發展。

2 土工合成材料膨潤土墊（GCL）

土工合成材料膨潤土墊（GCL）是在CCL（現場厚壓實粘土防滲村墊）基礎上發展起來的一種介于CCL和高分子材料土工膜之間的一種防滲襯墊。GCL是工廠制造的由一層膨潤土或其他低滲透性材料外覆土工織物或土工膜，通過針刺、縫合或化學粘合的方法復合制成的一種復合材料；也有的產品只有一層土工膜，其上有用粘合劑粘合的一層薄薄的膨潤土。其特點如下。

（1）極好的柔性，在張應變達到20%的情況下，其滲透率基本不變；用GCL作渠道襯墊，其挖方量顯著減小；與CCL相比，GCL搭接方便，便于安裝，施工速度快，工期短，節約了成本。

（2）有很強的自我愈合功能，由于膨潤土的存在，它會使土工織物刺破處自我愈合。而且上下層土工織物在針刺或縫合纖維的作用下也約束了膨潤土的移動，進一步提高了其自我愈合功能。

（3）抗張應變能力強，GCL產品具有較大的彈性和可塑性，它們能變形到抵抗5%甚至更大的應變而不會導致滲透系數的大幅提高，如果在其上覆蓋一層厚土，GCL能承受的應變可達30%且滲透系數無明顯變化。

（4）抗干濕循環能力強，GCL產品受熱后會出現干縮現象，但當脫水后的產品重新注水后，出現的裂縫會再次愈合，其水力傳導系數又會回到原先較低的數值。抗凍融循環能力強。

主要應用于環境工程中的廢棄物填埋場、土石壩及堤防的防滲墻、渠道和儲油罐的防滲襯墊等工程中。濟南園博園景觀湖工程采用了全斷面整體防滲型式。主要分為湖底防滲和壩坡防滲兩部分，正常蓄水位以下壩坡和湖底采用復合土工膜防滲，上部壩坡采用GCL（膨潤土墊）防滲。

3 自凝灰漿

自凝灰漿材料是用水泥、膨潤土、緩凝劑和水配制而成的一種漿液，是一種新型的防滲材料，其成份為水泥、膨潤土、水、外加劑等，施工中將上述材料預先攪拌均勻，形成自凝灰漿，然后注入槽孔凝固成墻體。自凝灰漿常用的配合比可采用水泥∶膨潤土∶水=0.267∶0.083∶1左右，也有加摻合料（如砂、粉煤灰、石粉等）的，緩凝劑一般可采用葡萄糖酸鈉、焦磷酸鈉、磷酸氫二鈉或木質素磺酸鹽等。

與常規混凝土防滲墻相比，自凝灰漿防滲墻具有彈模低、施工工藝簡單、施工效率高、節約水泥、防滲效果好、造價低防滲可靠等特點，同時，還克服了混凝土防滲墻槽孔搭接問題，能適應較大變形。

自凝灰漿凝固后，28d無側限抗壓強度為0.1～0.5 MPa；變形模量為40～300 MPa，無側限極限應變為0.6%～1.0%；當側限壓力為0.1～0.3 MPa時，極限應變為3%～5%，與土層和砂礫石層十分接近。滲透系數在1×10-6～10-7cm/s之間。

自凝灰漿柔性墻體材料在20世紀60年代首先由法國地基公司開發的。此后，在低水頭堤、壩基礎防滲和臨時圍堰防滲工程中得到了較為廣泛的推廣應用，國外自凝灰漿防滲墻最大墻深已達50 m。國內開發應用較為緩慢，1985年，深圳大亞灣核電站做成了我國第一道自凝灰漿防滲墻。2002年，我國自主研發的自凝灰漿墻體材料，成功應用于三峽圍堰工程，具有廣泛的應用前景。

4 固化灰漿

固化灰漿是在自凝灰漿的基礎上發展起來的，它是在單元槽段造孔完畢后，向槽孔內的泥漿中加入水泥等固化材料，砂、粉煤灰等摻合料以及水玻璃等固化劑和外加劑，經機械攪拌或壓縮空氣攪拌后形成的防滲固結體。漿材固化工藝有原位置換法和攪拌法二種。置換法是通過泵送漿材將槽內泥漿置換掉，該法不能充分利用槽內既有泥漿，漿材配制成本高，泥漿浪費嚴重，且槽段連接質量差；攪拌法是采用泵吸反循環或壓縮空氣等方式實現槽內既有泥漿和后期灌注漿材混合的。

固化灰漿具有凝結時間可控性好，固結體具有較好的防滲性能和抗侵蝕性能以及其他的性能特點，如：抗壓強度和彈性模量適宜、與地基變形協調能力強、對環境無污染、現場配制方便、不受成槽時間限制、能充分利用槽孔內廢泥漿成本低等。一般采用粘土漿或膨潤土漿作為固化灰漿防滲墻，其墻體28d抗壓強度0.5～1.5 MPa，彈性模量50～800 MPa，單位吸水率W=10-8 m/s（相當于滲透系數為H>10-6～10-8 cm/s）。

目前為止我國僅在四川銅街子、湖北王甫州等少數工程采用固化灰漿作防滲墻體材料。湖北的王甫州水利樞紐圍堰防滲墻采用原位風攪法施工，即在抓斗挖槽完畢后，向槽內加入固化劑和水泥砂漿，用空氣壓縮機的高壓風攪拌均勻后靜置硬化成墻。

5 砼連續墻

根據材料組成不同分為砼連續墻和塑性砼連續墻；根據成墻方式又分為液壓抓斗法、深層攪拌法、振動切槽法、振動沉模法、鋸槽法以及射水法振動射沖成槽建造砼防滲墻等。

砼連續墻是很成功的一種防滲技術；塑性砼是用粘土、膨潤土等混合材料取代普通混凝土中大部分水泥而形成的一種柔性墻體材料，塑性混凝土抗壓強度的設計值一般不大于5 MPa，早期強度增長較慢，后期增長速率較高，通常60d和180d強度可達28d強度的1.5和1.8倍；抗拉強度一般為抗壓強度的1/7～1/12。塑性混凝土的變形模量一般不超過2000 MPa，與抗壓強度基本上呈直線關系；其無側限極限應變可達到0.33%～0.70%；其破壞滲透比降可達300以上；滲透系數隨時間的增長而降低。評價塑性混凝土配合比設計的標準是：在強度一定的條件下，彈性模量與抗壓強度的比值越小越好。

塑性混凝土的水泥用量為80～150 kg/m3，膨潤土用量不宜小于40 kg/m3，膠凝材料總用量（包括土料、粉煤灰等）不宜小于240 kg/m3，砂率不宜小于45%；一般采用一級配骨料，當采用二級配骨料時，小石與中石的用量比不宜小于1.0。

國內多家單位對塑性混凝土墻體材料進行研究和開發并取得了豐碩的成果。山東省在曲阜尼山大型水庫、乳山市院里中型水庫、膠州大王邑小型水庫、棗莊大鮑莊水庫、新泰桃花峪水庫、等工程采用塑性混凝土防滲墻。表1是尼山與院里水庫的配合比及性能表。

6 結語

（1）土壩（堤）的防滲體是工程成功的關鍵，而彈模較低、可塑性強的防滲材料（或復合材料）在中低水頭中應用范圍廣、使用面積大。本文列舉了幾種低彈模的防滲形式，供設計時參考。

（2）復合土工膜技術應用技術較為成熟，土工合成材料膨潤土墊、自凝灰漿、固化灰漿、塑性混凝土等墻體材料有適宜的強度、較低的彈性模量、與地基有較好的變形協調性、良好的抗滲性能、較好的抗侵蝕性能及凝結時間可控性好等方向發展，具有良好的推廣應用價值。

（3）水利工程的防滲性是區別于其它工程的特點之一，因此，在工程設計中應結合工程的具體條件，經綜合比較確定合理可行的防滲方案。