水生植物根系對(duì)膨潤(rùn)土防水毯滲透性能影響

萬娟，汪豪，謝曉靚，肖衡林*，何俊，趙宏博

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

近年來城市地下工程建設(shè)迅猛發(fā)展，導(dǎo)致地下水位大幅下降，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[1]。湖泊防滲能有效抑制地表水滲漏, 有助于緩解水資源供需緊張的狀況。傳統(tǒng)湖泊防滲主要采用水泥混凝土、土工膜、壓實(shí)黏土襯墊等防滲技術(shù)[2-4]。水泥混凝土與土工膜形成的防滲體雖然具有較為理想的抗?jié)B效果，但阻礙了湖泊水體與湖底的物質(zhì)交換，易引起水質(zhì)惡化，危害了湖泊生態(tài)功能。而黏土襯墊的抗?jié)B能力往往達(dá)不到預(yù)期效果。因此，尋求防滲效果佳又有利于生態(tài)環(huán)境的湖泊防滲材料成為本領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。土工復(fù)合膨潤(rùn)土防水毯(geosynthetic clay liner，GCL)作為一種將膨潤(rùn)土顆粒夾封在兩層土工織物之間，通過針刺、粘結(jié)等工藝制成的新型防滲材料[5-6]。相較于土工膜和壓實(shí)黏土襯墊等防滲材料，GCL具有滲透系數(shù)低、自愈能力強(qiáng)、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)，常被用于建造垃圾填埋場(chǎng)、渠道、湖泊工程的底部防滲層[7-8]。中外學(xué)者對(duì)各種因素影響下GCL的防滲性能展開了大量研究。除GCL自身性質(zhì)、滲濾液特征外，GCL破損也是GCL滲透系數(shù)變化的重要因素。Mazzieri等[9]和Babu等[10]利用柔性壁滲透儀對(duì)破損和原始狀態(tài)下的GCL進(jìn)行滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)破損直徑小于30 mm,孔洞能自我愈合，破損試樣的滲透系數(shù)略微增大。陳水生等[11]對(duì)破損孔洞直徑大小為2.5 mm,4.5 mm膨潤(rùn)土墊進(jìn)行三軸透水試驗(yàn)，當(dāng)破損孔徑大小為2.5 mm時(shí)，相比原始GCL試樣，其滲透系數(shù)變化較小，當(dāng)GCL破損孔徑增大至4.5 mm,滲透系數(shù)增至10-7cm/s。李憲[12]分析了不同破損孔徑對(duì)GCL滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔徑大于10 mm時(shí),其滲透系數(shù)較未破損的試樣的滲透系數(shù)增大了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。盛金昌等[13]通過滲流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)破損孔徑小于10 mm, GCL滲透系數(shù)變化不明顯。以上研究表明GCL破損孔洞大小對(duì)GCL滲透系數(shù)有明顯影響。在實(shí)際工程中，植物根系是造成GCL破損的重要原因。在湖泊防滲工程中，湖泊生態(tài)環(huán)境較為復(fù)雜，為了生態(tài)效果和凈化水質(zhì)，常在湖泊種植水生植物。水生植物生長(zhǎng)過程中其根系會(huì)穿透底部防滲層而影響GCL的防滲效果，特別植物根系枯萎后對(duì)GCL防滲性能的影響，中外研究甚少。因此，現(xiàn)通過室外模型試驗(yàn)?zāi)M水生植物在GCL中的生長(zhǎng)，取樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，研究水生植物根系穿透率、根系狀態(tài)和根系種類對(duì)GCL滲透性能的影響規(guī)律，以期為完善GCL性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括GCL、黏土、水生植物。試驗(yàn)選用的GCL是上海盈帆工程材料有限公司生產(chǎn)的顆粒狀鈉基膨潤(rùn)土防水毯，如圖1所示。防水毯為兩層紡布夾封一層膨潤(rùn)土，紡布與膨潤(rùn)土之間通過針刺法縫合，單位面積質(zhì)量大于4.82 kg/m2，厚度為6 mm。夾封的膨潤(rùn)土基本性質(zhì)如表1所示。黏土取自于湖北工業(yè)大學(xué)生態(tài)基地，其基本物理性質(zhì)如表2所示。水生植物選用再力花、香蒲、蘆葦3種常見挺水植物，具有生長(zhǎng)速度快，抗逆性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)水質(zhì)具有一定的凈化能力。挺水植物種子均從武漢植物水培公司購置。

圖1 顆粒狀鈉基膨潤(rùn)土防水毯

表1 膨潤(rùn)土基本性質(zhì)

表2 黏土基本物理性質(zhì)

2 試驗(yàn)方法

2.1 模型試驗(yàn)

在湖北工業(yè)大學(xué)生態(tài)基地設(shè)置6組模型試驗(yàn)池，分別種植再立花，蘆葦與香蒲3種水生植物。水生植物在生長(zhǎng)過程中由于季節(jié)更替或外部環(huán)境會(huì)引起植株及其根部干枯腐爛。根系干枯腐爛前后根系分別稱為正常根系與枯萎根系。每種植物分為A、B兩個(gè)試驗(yàn)池，A試驗(yàn)池研究正常根系，B試驗(yàn)池研究枯萎根系。模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示，模型試驗(yàn)編號(hào)如表3所示。模型試驗(yàn)采用底部直徑為1 m、高為1 m的圓桶模擬。單個(gè)模型試驗(yàn)材料鋪設(shè)順序依次為：10 cm厚壓實(shí)黏土、直徑1 m的GCL、10 cm厚壓實(shí)黏土、20 cm種植土。材料鋪設(shè)完成后，每個(gè)試驗(yàn)池對(duì)應(yīng)稱重20 g植物種子播種，澆水施肥，保證土壤水分充足和植物所需養(yǎng)分，待植物出芽后生長(zhǎng)至一定高度，各試驗(yàn)池加入適量的水達(dá)到相同水位。

表3 模型試驗(yàn)編號(hào)

圖2 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

當(dāng)植物生長(zhǎng)180 d趨于穩(wěn)定，將6組試驗(yàn)池的水清空。A組試驗(yàn)池除去植物莖葉和覆土，保留根系穿透GCL部分，選取6個(gè)代表根系，記錄植物根系直徑，待做正常根系穿透的GCL滲透試驗(yàn)。B組試驗(yàn)池除去植物莖葉，記錄植物初始根系直徑，再套上遮光膜，待植物根系枯萎后取出根系穿透GCL部分，記錄根系枯萎直徑，待做枯萎根系下的GCL滲透試驗(yàn)。

2.2 滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)采用 GDS全自動(dòng)環(huán)境巖土滲透儀，該儀器由滲透壓力室、壓力控制器、電腦 GDSLAB 測(cè)試軟件組成，參照ASTM D6766-12[14]試驗(yàn)。為了避免溶液離子影響GCL滲透系數(shù)，滲透液采用去離子水。滲透試驗(yàn)儀器如圖3所示。

圖3 滲透試驗(yàn)裝置

(1)試驗(yàn)材料制備。從A、B組試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M取出植物根系完全穿透GCL部分，將穿透部分的GCL裁剪成直徑為300 mm×300 mm的方形材料，將70 mm直徑的環(huán)刀放置在GCL試樣上，沿環(huán)刀邊緣裁剪GCL試樣，除去植物根系穿透多余部分并上下封以502膠水，防止水從根系穿過影響測(cè)試結(jié)果。

(2)把裁剪完成的帶根GCL試樣，按照透水石、過濾紙、GCL試樣、過濾紙、透水石的次序放置于玻璃容器中進(jìn)行預(yù)水化處理24 h。

(3)取出試樣放置滲透?jìng)}中，滲透?jìng)}圍壓分別設(shè)置為35、50、75、100、150 kPa。上水頭壓力30 kPa，下水頭壓力15 kPa，待壓力穩(wěn)定后進(jìn)行滲透試驗(yàn)。為減少溫度對(duì)滲透試驗(yàn)造成影響，試驗(yàn)均在20 ℃恒溫條件下進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中穿透GCL試樣根系均為1根，水生植物根系穿透GCL試樣如圖4所示。為表達(dá)實(shí)際工程中多根根系穿透GCL，用根系穿透率表示根系橫截面面積與試樣面積之比。

圖4 根系穿透GCL試樣

A組試驗(yàn)池(正常根系組)每種水生植物取6個(gè)代表根系，根系直徑與根系穿透率如表4所示。B組試驗(yàn)池(枯萎根系組)每種水生植物取6個(gè)代表根系，根系枯萎前后直徑與根系穿透率如表5所示?？梢钥闯?，根系枯萎后直徑略小于枯萎前直徑。這里的根系穿透率是根系枯萎前原始橫截面面積與試樣面積之比。

表4 A組試驗(yàn)池根系直徑與根系穿透率

表5 B組試驗(yàn)池根系直徑與根系穿透率

3.1 根系穿透率對(duì)滲透系數(shù)影響

不同圍壓下GCL滲透系數(shù)與根系穿透率的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，3種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)均表現(xiàn)出相同規(guī)律，即隨著圍壓增大，三種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)均減小。當(dāng)圍壓從35 kPa增大至150 kPa時(shí)，再力花根系穿透作用下GCL最大滲透系數(shù)從4.13×10-8m/s減小至4.10×10-9m/s，減小了10.3倍。在35 kPa下，蘆葦、香蒲根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為9.62×10-8、1.05×10-7m/s，當(dāng)圍壓增至150 kPa，蘆葦、香蒲根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為5.17×10-8、4.13×10-8m/s，減小了1.68倍、2.54倍。這是因?yàn)镚CL中膨潤(rùn)土在低圍壓條件下孔隙比較大，隨著圍壓增大，孔隙比逐漸減小，GCL防滲能力增強(qiáng)。

圖5 不同圍壓下植物根系穿透率對(duì)GCL滲透系數(shù)影響

在圍壓一定條件下，當(dāng)再力花、香蒲根系穿透率小于1%時(shí)，GCL滲透系數(shù)變化較小，滲透系數(shù)仍小于10-9m/s；當(dāng)香蒲根系穿透率小于1.34%時(shí)GCL滲透系數(shù)均小于10-8m/s。但當(dāng)再力花根系穿透率從約1%增至約2.5%，蘆葦與香蒲根系穿透率從約1.35%增至約3%時(shí)，滲透系數(shù)曲線斜率突增，GCL最大滲透系數(shù)到達(dá)10-8m/s數(shù)量級(jí)，GCL抗?jié)B性能逐漸失效。這是因?yàn)楫?dāng)植物根系穿透GCL，在相同圍壓下，根系對(duì)GCL起到支撐作用，使得根系遠(yuǎn)端GCL處于高應(yīng)力區(qū)，根系近端GCL為低應(yīng)力區(qū)。由于應(yīng)力集中，GCL中膨潤(rùn)土從高應(yīng)力區(qū)向低應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致遠(yuǎn)端GCL膨潤(rùn)土厚度減小，近端GCL膨潤(rùn)土厚度增大。由于應(yīng)力作用，膨潤(rùn)土從GCL與根系間空隙擠出。隨著根系穿透率增大，近端GCL所受應(yīng)力越小，膨潤(rùn)土擠出量增多，遠(yuǎn)端GCL進(jìn)一步減薄，GCL滲透系數(shù)增大。當(dāng)根系達(dá)到一定直徑后，GCL滲透系數(shù)增大明顯，致使?jié)B透系數(shù)出現(xiàn)斜率突變現(xiàn)象。B組試驗(yàn)池有類似的規(guī)律。

3.2 根系狀態(tài)對(duì)滲透系數(shù)影響

在圍壓50 kPa時(shí)正常狀態(tài)與枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)與根系穿透率的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)根系穿透率小于1%，根系穿透率增大，再力花、蘆葦不同根系狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)無明顯變化；當(dāng)根系穿透率小于1%時(shí)，根系穿透率增大，香蒲不同根系狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)亦無明顯變化，均維持在10-9m/s數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)橹参锔荡┩窯CL形成破損，在滲透試驗(yàn)中根系穿透試樣水化時(shí)破損周圍的膨潤(rùn)土膨脹使破損部分逐漸愈合，破損直徑減小。當(dāng)破損直徑較小時(shí)，水化后能完全愈合，致使?jié)B透系數(shù)無明顯變化[15]。

圖6 不同根系狀態(tài)下植物根系穿透率與GCL滲透系數(shù)關(guān)系

當(dāng)根系穿透率約為1%、2.5%，在相同根系穿透率條件下，再力花根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的1.6倍、1.53倍；當(dāng)根系穿透率約為1.5%、3%，在相同條件下，蘆葦根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的1.26倍、1.34倍；當(dāng)根系穿透率約為1.5%、3%，香蒲根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)約為正常狀態(tài)下的3.13倍、1.36倍。因此，當(dāng)根系穿透率大于1%，在相同條件下，3種植物根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)均大于正常狀態(tài)，為正常狀態(tài)下的1.26～3.13倍。

這是因?yàn)橹参锔悼菸纸廪D(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)，促使土體中的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)增加，降低了土壤容重；同時(shí)，植物根系在膨潤(rùn)土中枯萎分解后形成的孔道，增加了非毛管孔隙的數(shù)量，增大了膨潤(rùn)土透水性，使得根系枯萎狀態(tài)下GCL滲透系數(shù)較正常狀態(tài)下明顯增大。其他圍壓作用下有類似規(guī)律。

3.3 根系種類對(duì)滲透系數(shù)影響

在圍壓50 kPa時(shí)根系種類對(duì)GCL滲透系數(shù)影響如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)根系穿透率小于1.5%，香蒲、再力花、蘆葦根系作用下GCL滲透系數(shù)均小于10-8m/s。說明穿透率較小時(shí)，根系類型對(duì)GCL滲透系數(shù)影響不明顯。當(dāng)植物根系穿透率大于2.5%，再力花根系作用下GCL最大滲透系數(shù)為2.91×10-8m/s，香蒲、蘆葦根系作用GCL最大滲透系數(shù)接近10-7m/s，說明再力花根系穿透對(duì)GCL防滲性能影響小于香蒲、蘆葦。

圖7 不同根系種類下植物根系穿透率與GCL滲透系數(shù)的關(guān)系

當(dāng)枯萎根系穿透率小于1%，根系類型對(duì)GCL滲透系數(shù)影響也較小，但隨著根系穿透面積增大，再力花枯萎根系作用下GCL最大滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于香蒲、蘆葦。不同水生植物在生長(zhǎng)過程需要不等的養(yǎng)分，當(dāng)植物根系深入GCL中時(shí)會(huì)吸收其中膨潤(rùn)土元素，使得相同直徑穿透下GCL滲透系數(shù)存在差異。在相似根系直徑條件下，3種挺水植物對(duì)GCL滲透性能影響程度表現(xiàn)為：香蒲、蘆葦根系對(duì)GCL滲透性能影響程度相當(dāng)，再力花根系對(duì)GCL滲透性影響較小。因此，可以將再力花作為生態(tài)防滲工程的首選植物。

4 結(jié)論

通過對(duì)再力花、蘆葦與香蒲根系作用下的GCL滲透試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1)在相同圍壓，3種植物根系作用下GCL滲透系數(shù)隨根系穿透率增大而增大。再力花、蘆葦和香蒲根系穿透率小于1%時(shí)，GCL最大滲透系數(shù)小于10-8m/s，依然保持較好的防滲能力。但隨著植物根系穿透率繼續(xù)增大，膨潤(rùn)土自愈能力逐漸減弱，3種植物根系作用下GCL最大滲透系數(shù)達(dá)到10-7數(shù)量級(jí)，GCL防滲能力開始失效。

(2)圍壓為50 kPa時(shí)，當(dāng)植物根系穿透率大于1%，在相同條件下，3種植物枯萎根系GCL滲透系數(shù)較正常狀態(tài)下增大了1.26～3.13倍。

(3)對(duì)比3種植物根系作用下對(duì)GCL滲透性影響，再力花在不同根系狀態(tài)下，對(duì)GCL抗?jié)B性能影響程度小于蘆葦、香蒲。