吳詩陽，蔡正銀，黃英豪，吳志強(qiáng)，耿之周（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京　210029）

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用于咸寒地區(qū)渠道襯墊的GCL特性試驗(yàn)

吳詩陽，蔡正銀，黃英豪，吳志強(qiáng)，耿之周
（南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，江蘇南京210029）

摘要：為了研究GCL膨潤土防水毯用于咸寒地區(qū)渠道襯墊系統(tǒng)的有效性，對膨潤土防水毯進(jìn)行水化試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、自愈能力試驗(yàn)，研究GCL的膨脹和滲透特性，分析影響材料滲透系數(shù)的因素。結(jié)果表明：水化液對材料的滲透性影響較大，離子濃度越高，滲透系數(shù)越大，未經(jīng)水化的材料不能直接用于施工中；材料經(jīng)歷干濕循環(huán)后，滲透系數(shù)變化不大，并具有良好的自愈性；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，滲透系數(shù)逐漸減小，GCL在嚴(yán)寒條件下能保持良好的防滲性；膨潤土的壓縮率與滲透系數(shù)呈正相關(guān)，變形隨著凍融次數(shù)的增加而減小，抗變形能力增加，GCL可用于北疆嚴(yán)寒區(qū)渠道防滲。

關(guān)鍵詞：咸寒地區(qū)渠道；防滲渠道襯墊；膨潤土防水毯；材料膨脹特性；干濕循環(huán)試驗(yàn)；凍融循環(huán)試驗(yàn)；滲透系數(shù)

新疆地處歐亞大陸腹地，屬于典型的干旱、半干旱地區(qū)，存在著嚴(yán)重的資源性缺水［1］。針對新疆的缺水問題，20世紀(jì)建設(shè)了一批長距離輸水明渠。由于建設(shè)水平不高，并因新疆地區(qū)冬季嚴(yán)寒且持續(xù)時(shí)間長（最冷月平均氣溫零下20℃），灌渠襯墊容易受到凍脹破壞，造成水資源利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重，每年維修費(fèi)用高，嚴(yán)重影響渠道的正常運(yùn)行。因此，若考慮把膨潤土防水毯（geosynthetic clay liner，GCL）應(yīng)用于渠道襯墊，其具有施工便捷、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，對解決北疆地區(qū)渠道凍害現(xiàn)象具有重要研究應(yīng)用背景。

GCL是20世紀(jì)90年代在美國開發(fā)的一種新型防水材料，由于具有較低的滲透系數(shù)，使其在土木工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用［2］。GCL最先應(yīng)用于垃圾填埋場的底部襯墊系統(tǒng)和封蓋場覆蓋系統(tǒng)中，我國于2005年才開始使用GCL，且主要用于垃圾填埋場中［3］，在咸寒地區(qū)渠道襯墊中的使用相當(dāng)少。由于這類地區(qū)的緯度高、冬季氣溫低，并伴隨鹽漬化現(xiàn)象，使得普通防滲材料在該類地區(qū)應(yīng)用存在一定的局限性。

國外學(xué)者對膨潤土防水毯研究較早。Kelly等［4］認(rèn)為GCL能適用于嚴(yán)寒地區(qū)是因?yàn)榉磸?fù)凍融和干濕循環(huán)對材料性能影響很小。Abdelmalek等［5］認(rèn)為在蒸餾水中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)對GCL的透氣性影響不大，但在CaCl2溶液中得出的滲透系數(shù)往往偏大。Ashe等［6］發(fā)現(xiàn)在傾斜放置的GCL中，一旦有水滲入，所有測試的樣品都會(huì)出現(xiàn)一定程度的侵蝕現(xiàn)象。McCartney等［7］認(rèn)為材料在低應(yīng)力下，內(nèi)部的剪切強(qiáng)度隨著剪切速率的增加而增加，但在高應(yīng)力下則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。Rowe等［8］通過不同水化液的凍融循環(huán)試驗(yàn)，探討了滲透系數(shù)和孔隙比隨著凍融次數(shù)變化的規(guī)律。

國內(nèi)在GCL研究方面，林偉岸等［9］通過加載試驗(yàn)分析水化液、正應(yīng)力、加載順序、加載速率等對膨潤土擠出的影響；張宏偉等［10］通過大型直剪儀對GCL界面剪切強(qiáng)度特性進(jìn)行研究；徐超等［11］研究溶液對GCL膨脹和滲透特性的影響等。但是，針對GCL用于咸寒地區(qū)渠道襯墊系統(tǒng)的研究很少，并且研究的成果存在很大爭議。周春生等［12］認(rèn)為膨潤土防水毯的滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大；王芳等［13］、陳生水等［14］則認(rèn)為滲透系數(shù)會(huì)隨著凍融次數(shù)的增加而減小。良好的防滲性是GCL最重要的性質(zhì)，在各種外界條件下GCL的變化是首先應(yīng)該明確的基本規(guī)律，這對于GCL在渠道防滲防凍工程中的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)價(jià)值。因此，筆者通過系列水化試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析水化液、干濕過程、凍融過程對GCL膨脹和滲透特性的影響。

1　試驗(yàn)材料

所用GCL是產(chǎn)自江蘇省蘇州市太倉縣的雙面針刺膨潤土防水毯，該材料總共5層，自上而下依次為：無紡?fù)凉げ肌⑴驖櫷令w粒層、裂膜絲編織土工布、膨潤土顆粒層、無紡?fù)凉げ?；?層結(jié)構(gòu)通過穿刺工藝固定連接在一起，這種結(jié)構(gòu)的好處是彌補(bǔ)了土工布與無紡布之間膨潤土顆粒少的缺陷。材料的單位面積質(zhì)量為8kg/m2，通過試驗(yàn)測得含水率為14.8%，在蒸餾水中的自由膨脹容為12.9mL/g。

2　試驗(yàn)儀器和方法

含水率試驗(yàn)和膨脹指數(shù)試驗(yàn)參照GB/T 20973—2007《膨潤土》［15］進(jìn)行；滲透試驗(yàn)參照SL 235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》［16］進(jìn)行。其中滲透試驗(yàn)儀器是由南京水利科學(xué)研究院和南京土壤儀器廠共同研制的GCL-1型土工合成黏土襯墊滲透儀（原理見圖1），為新一代的柔性壁三軸滲透儀。試驗(yàn)方法如下：將膨潤土墊裁剪成規(guī)定尺寸的圓形（直徑為100 mm），然后測定材料的初始狀態(tài)（厚度、直徑、質(zhì)量等）。裁好的試樣準(zhǔn)備安裝，先將透水石放置在滲透儀的底端，在上面覆上1層濾紙和試驗(yàn)試樣，將另1張濾紙放在試樣上面，隨后加上透水石和頂蓋；試樣周圍用橡膠膜包裹，橡膠膜的上下端分別套上O形密封圈；安裝壓力室，連接各管線，向壓力室注入水或其他液體，仔細(xì)檢查各通水管線，確保無氣泡。安裝結(jié)束，以70 kPa/min的速度增加圍壓和反壓，直至圍壓最后加至550 kPa，反壓至515 kPa。保持圍壓550 kPa和試樣內(nèi)反壓515 kPa情況下48h，使試樣能夠完全水化達(dá)到飽和，再進(jìn)行滲透試驗(yàn)。滲透系數(shù)采用常水頭試驗(yàn)測定，將試樣底部壓力提高到530 kPa分別記錄進(jìn)水管和出水管水頭讀數(shù)，采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

圖1　滲透儀原理示意圖Fig.1 Principle of penetration meter

式中：k——滲透系數(shù)，m/s；q——流速，m3/（m2·s）；δ——試樣厚度，mm；Δh——水頭差（壓強(qiáng)為15 kPa時(shí)，水頭差為1503mm）；η——水溫修正系數(shù)，取0.91；Q——流量，按流入和流出的平均值計(jì)算，m3；A——透水石橫截面積，0.00785m2；t——試驗(yàn)所用的時(shí)間，s。

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用上海一華儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，該箱控制溫度變化范圍為-70～＋100℃，溫度波動(dòng)度±0.5℃，溫度均勻度±2℃，降溫速率0.7～1℃/min。設(shè)定試驗(yàn)溫度為-20～＋20℃。試樣厚度的測量按照上述試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，取3個(gè)測量值的平均值作為計(jì)算厚度。

3　水化液對GCL滲透性的影響

選取自來水（用WT表示）、NaCl溶液（用WNaCl表示）、蒸餾水（用WD表示）3種溶液作為水溶液和滲透液。根據(jù)規(guī)定選取NaCl溶液質(zhì)量濃度為5g/L，并加入未水化的試樣進(jìn)行對比試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測得在WT中GCL的滲透系數(shù)為4.24×10-9cm/s，在WNaCl中GCL的滲透系數(shù)為4.31×10-8cm/s，在WD中GCL的滲透系數(shù)為3.46×10-9cm/s，可見不同水化液下的GCL滲透系數(shù)不同，其中在WNaCl中GCL的滲透系數(shù)比在WT中的大10倍之多，可見溶液中離子濃度越大則GCL材料的滲透系數(shù)越大。表1給出了GCL在不同水化液下的膨脹率，從表1中可以看出GCL的自由膨脹率隨著離子濃度的增加而減小，進(jìn)而可以看出GCL吸水膨脹后的厚度對其滲透性有很大的影響，厚度越大，防滲效果越好。表2給出了GCL在試驗(yàn)過程中不同水化液下的壓縮程度，從表2中可以看出在WNaCl中壓縮量最大，蒸餾水中最小，結(jié)合之前滲透試驗(yàn)可以得出滲透系數(shù)越小，材料在試驗(yàn)過程中的壓縮量也越小的結(jié)論。經(jīng)試驗(yàn)測得未水化的GCL的滲透系數(shù)為9.1×10-7cm/s，比在WD中水化的滲透系數(shù)大263倍，防滲作用已不明顯，因此在施工過程中需對材料預(yù)先水化，方可使用。

表1　不同水化液下GCL的膨脹率Table 1 Swelling rate of GCL with different hydration solutions

表2　不同水化液下GCL的壓縮程度Table 2 Degree of compression of GCL with different hydration solutions

4　干濕循環(huán)對GCL滲透性的影響

咸寒區(qū)灌渠每年秋季即停止供水，春季才開始逐步供水，GCL不可避免地會(huì)經(jīng)歷干濕循環(huán)過程。因此取WT和WD水化試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)次數(shù)為1次。干濕循環(huán)試驗(yàn)的流程為正常滲透試驗(yàn)后，拆除試樣，將試樣放置于陰涼干燥處風(fēng)干2～3d，直至試樣完全干燥（試樣表面出現(xiàn)明顯褶皺），待膨潤土墊試樣干燥后，進(jìn)行預(yù)水合作用，再重復(fù)滲透試驗(yàn)的步驟進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。

此次試驗(yàn)取WD水化的2個(gè)試樣和WT水化的1個(gè)試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果顯示W(wǎng)D試樣1、WD試樣2和WT試樣在循環(huán)試驗(yàn)前的滲透系數(shù)分別為3.46×10-9cm/s、3.86×10-9cm/s、4.14×10-9cm/s，在循環(huán)試驗(yàn)后的滲透系數(shù)分別為3.53×10-9cm/s、3.41×10-9cm/s、4.41×10-9cm/s，該結(jié)果表明干濕循環(huán)對GCL的滲透系數(shù)影響較小，第1個(gè)試樣干濕循環(huán)后滲透系數(shù)有所增大（增大了2.02%），第2個(gè)試樣干濕循環(huán)后滲透系數(shù)有所減?。p小了11.66%），第3個(gè)試樣干濕循環(huán)后滲透系數(shù)增大了6.52%。因此，可以認(rèn)為干濕循環(huán)對GCL的滲透性影響很小，在10-9數(shù)量級(jí)中，可以忽略不計(jì)，這與Ling等［17］和Kelly等［4］的研究成果相似（他們指出干濕循環(huán)對材料的滲透性影響很小，但經(jīng)過反復(fù)多次的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)增加）。這是因?yàn)轱柡团驖櫷猎嚇釉陲L(fēng)干過程中無側(cè)限和無上覆荷載約束，容易失水收縮，形成多條裂隙，反復(fù)多次的循環(huán)，導(dǎo)致裂隙在吸水過程中無法愈合而形成滲流通道，進(jìn)而提高了滲透性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要保證膨潤土墊在一定條件下使用，并盡可能保證材料的濕潤性，提高材料的使用壽命。

圖2顯示的是干濕循環(huán)試驗(yàn)過程中2個(gè)不同的試樣。圖2（a）是試驗(yàn)結(jié)束后的試樣，表面比較均勻，圖2（b）是靜置2～3d后的試樣，表面上有明顯的褶皺，因失水收縮造成，但經(jīng)吸水飽和后可以恢復(fù)到與圖2（a）相似的外觀，并經(jīng)試驗(yàn)測得滲透系數(shù)變化很小，表明材料具有良好的自愈性，在極端情況下也能保持很好的防滲效果。

圖2　干濕循環(huán)試樣Fig.2 Samples in drying-wetting cycle test

5　凍融循環(huán)對GCL滲透性的影響

北疆咸寒地區(qū)冬季極端氣溫低于-40℃，夏季氣溫高于30℃，季節(jié)性溫差大，冬季負(fù)溫時(shí)間較長（從10月到次年4月），渠道容易受凍融的影響而破壞，為了了解GCL在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后防滲效果是否會(huì)發(fā)生變化，將預(yù)先水化飽和的試樣置于-20℃試驗(yàn)箱中24 h，再將凍結(jié)后的GCL置于室溫下融48 h，即為1次凍融循環(huán)，共進(jìn)行7次凍融循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

圖3　凍融循環(huán)次數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between number of freeze-thaw cycles and permeability coefficient

圖4　時(shí)間與滲出量關(guān)系Fig.4 Relationship between time and seepage amount

由圖3可知：滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，并呈線性減小趨勢。由圖4可知：溶液通過GCL的滲出量與時(shí)間呈線性增長關(guān)系，說明當(dāng)GCL吸水飽和后，就能保持良好的防滲性，不會(huì)隨著時(shí)間增長出現(xiàn)波動(dòng)或不穩(wěn)定現(xiàn)象；不同的凍融次數(shù)，曲線斜率不同，凍融次數(shù)越多，斜率越小，滲透系數(shù)越小，防滲效果越好。該現(xiàn)象可以解釋如下：當(dāng)材料處于-20℃低溫下，膨潤土中自由水和結(jié)合水幾乎凍結(jié)，凍結(jié)完成后放入室溫中進(jìn)行融解，膨潤土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后會(huì)發(fā)生顆粒破碎，隨著土體內(nèi)水分的蒸發(fā)，破碎后的細(xì)小顆粒會(huì)隨著毛細(xì)水的牽引力擠進(jìn)土體的孔隙中，使土體的孔隙率降低，土體更加致密，不易被壓縮，因此提高了材料的防滲能力。

此次試驗(yàn)結(jié)果與前人研究的成果相似（Kelly等［4］指出經(jīng)過多次凍融循環(huán)后材料可以保持良好的防滲性，陳生水等［14］通過試驗(yàn)得出凍融循環(huán)對材料滲透性影響不大的結(jié)論）。但他們沒有明確指出滲透系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，本文通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們呈線性增長趨勢，并通過滲出量的測量，發(fā)現(xiàn)飽和的GCL能保持穩(wěn)定的防滲性能。然而，本文結(jié)果與周春生等［12］研究的成果有很大差異，他們認(rèn)為凍融循環(huán)導(dǎo)致材料滲透性增強(qiáng)。

6　凍融循環(huán)對GCL膨脹特性的影響

進(jìn)行試驗(yàn)前測出試樣的厚度，試驗(yàn)結(jié)束后再次測得試樣的厚度，如圖5所示。由此圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試驗(yàn)前后試樣的厚度差越來越小，膨潤土的抗變形能力增加，經(jīng)歷凍融循環(huán)7次后，試驗(yàn)前的厚度和試驗(yàn)后的厚度幾乎一致，膨潤土壓縮量很小，可以忽略不計(jì)。主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)導(dǎo)致膨潤土顆粒破碎，破碎過后的細(xì)小顆粒在膨潤土融化的過程中由于水牽引力作用被帶進(jìn)細(xì)小的孔隙中，使膨潤土更加致密，使得膨潤土在反復(fù)凍融情況下，不易被壓縮。為了反映膨潤土壓縮量和滲透系數(shù)的關(guān)系，取凍融1～7次的試樣，用式（2）計(jì)算其壓縮率s：

式中：h1——試驗(yàn)前試樣厚度，mm；h2——試驗(yàn)結(jié)束后試樣厚度，mm。

所得結(jié)果如圖6表明，壓縮率越小，滲透系數(shù)越小。該結(jié)果與表2結(jié)果吻合，說明試樣在滲透過程的壓縮量也是影響滲透系數(shù)的一個(gè)因素。

圖5　凍融循環(huán)次數(shù)與試樣厚度關(guān)系Fig.5 Relationship between number of freeze-thaw cycles and sample thickness

圖6　壓縮率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationship between amount of compression and permeability coefficient

7　結(jié)　　論

a.水化液對GCL的滲透系數(shù)影響較大，離子濃度越大，滲透系數(shù)越大；水化過的GCL材料與未水化的相比，滲透系數(shù)后者比前者大263倍；未經(jīng)水化過的GCL不能直接應(yīng)用于防滲工程中。

b.干濕循環(huán)對材料的滲透性影響很小，總的趨勢是使?jié)B透系數(shù)有所增加，并且材料具有良好的自愈性。

c.GCL的滲透系數(shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，幾乎呈線性減小趨勢，吸水飽和后就能保持穩(wěn)定的防滲性能，在咸寒區(qū)渠道能起到很好的防滲作用，防止渠道因滲透導(dǎo)致的凍脹破壞。

d.凍融循環(huán)不僅影響材料的滲透性，還影響材料的變形性能，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，材料變形減小、抗變形能力增加；飽和膨潤土的壓縮量越小，防滲效果越好。

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Experimental studies on characteristics of GCL used for channel liner in cold regions

WU Shiyang，CAI Zhengyin，HUANG Yinghao，WU Zhiqiang，GENG Zhizhou
（Geotechnical Engineering Department，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Abstract：In order to investigate the feasibility of using geosynthetic clay liner（GCL）for channel liner systems in cold and salty soil regions，several tests were conducted，including a hydration test，drying-wetting cycle test，freeze-thaw cycle test，and self-healing test.The swelling and permeability characteristics of GCL were studied，and the factors influencing the permeability coefficients of GCL were analyzed.The results show that the hydration solution greatly affects the permeability of the material：the higher the ion concentration is，the greater the permeability coefficient is；and the material cannot be used in construction without hydration.After drying-wetting cycles，the permeability coefficient of the material changes a little，owing to its high self-healing capability.The permeability coefficient gradually decreases with the increase of the number of freeze-thaw cycles，indicating that the material can maintain high impermeability under cold conditions.The bentonites' amount of compression and permeability coefficient are positively correlated；the degree of deformation decreases with the increasing number of freeze-thaw cycles，meaning that the ability of resistance to deformation of the material increases.GCL can be used in channel liner in cold regions，in the northern China.

Key words：channel in cold region；waterproof channel liner；geosynthetic clay liner；material swelling characteristics；drying-wetting cycle test；freeze-thaw cycle test；permeability coefficient

作者簡介：吳詩陽（1990—），男，安徽青陽人，博士研究生，主要從事土工合成材料和砂土本構(gòu)研究。E-mail：718228381@qq.com

基金項(xiàng)目：水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201201037）；南京水利科學(xué)研究院國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（Y314006）

收稿日期：2015-01-23

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.012

中圖分類號(hào)：TV441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980（2016）01-0072-06