1 土工合成防滲材料的種類分析
土工膜的原材料有聚合物(熱塑材料) 、瀝青產(chǎn)品和合成橡膠等幾類，而以聚合物為主。聚合材料中主要的品種是聚乙烯和聚氯乙烯。兩者的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的70%以上。按土工膜的防滲作用可分為聚合物單膜和復(fù)合土工膜、瀝青制品、橡膠墊。以高分子聚合物為原料的土工膜種類很多，在水利工程中最常用的有: 聚氯乙烯(PVC) 、氯磺化聚乙烯(CSPE) 、氯化聚乙烯( CPE )、低密度聚氯乙烯(LDPE) 、高密度聚乙烯(HDPE)和彈性聚烯烴( EL-PO)等。土工膜的厚度為0.25～4 mm，最常用的是0.5～1.5mm，土工膜的幅寬一般為2～4 m，特殊需要時(shí)可加寬到10m。為了提高土工膜的力學(xué)性能，可用土工織物加筋，用作加筋的有紡織物有綿綸絲布和綿綸帆布等，厚度較大的丙綸、滌綸無紡型織物常與土工膜組成復(fù)合土工膜，常用的品種為一布一膜和二布一膜，需要時(shí)亦可做三布兩膜。復(fù)合土工膜將單膜的拉伸強(qiáng)度、抗刺破、抗頂破強(qiáng)度提高了2～3 倍，具有豎向防滲、水平導(dǎo)水的功能，帶布的一面還能增大與渠基土或過濾層、保護(hù)層之間的摩擦系數(shù)，對保護(hù)渠體穩(wěn)定，以及抗凍脹均起到一定的作用。近年來，為滿足實(shí)際應(yīng)用場合的需求，各種高性能、功能性的原料相繼出現(xiàn)，如: 采用斷裂伸長率較小、斷裂強(qiáng)度較高的玻璃纖維加固非織造復(fù)合土工布，制成的玻纖增強(qiáng)復(fù)合土工布在性能上將比由機(jī)織布或編織布加固的非織造復(fù)合土工布好得多。
土工合成材料膨潤土墊(GCL)是近十年來在國外(主要是德國和美國)發(fā)展起來的一種新型的、主要用于防滲工程的土工復(fù)合材料，它是在壓實(shí)性粘土襯墊(Compacted Clay Liner)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，大多數(shù)GCL 在兩層土工織物之間夾一層薄薄的膨潤土，因此它可以兼有土工織物和膨潤土的優(yōu)點(diǎn)。它可以在城市固體廢棄物垃圾填埋場中用于防止?jié)B濾液污染地下水和防止雨水深入廢棄物填埋場中，也可以用于渠道防滲。目前，GCL 在發(fā)達(dá)國家用于渠道防滲的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。GCL 主要生產(chǎn)國是美國和德國，可用的產(chǎn)品主要有如下幾種: Bentofix ，Bentomat，Claymat，Gundseal 和NaBento。GCL 的厚度一般為7～10 mm，遇水膨脹后厚度可增大到原來的4～5 倍。工廠制作的GCL 產(chǎn)品一般長25～60 m，寬4～6 m，成卷堆運(yùn)。
2 土工合成防滲材料的特點(diǎn)
2.1 土工膜的特點(diǎn)
土工膜是一種薄型、連續(xù)、柔軟的防滲材料，具有下列優(yōu)點(diǎn): (1)防滲性能好。只要正確設(shè)計(jì)，精心施工，就能達(dá)到最佳的防滲效果。( 2)適應(yīng)變形的能力強(qiáng)。土工膜具有良好的柔性，延伸性和較強(qiáng)的抗拉能力，所以，不僅適用于各種不同形狀的渠道斷面，而且適用于可能發(fā)生沉陷和位移的渠道。( 3)質(zhì)輕，用量少，運(yùn)輸量小。土工膜薄，質(zhì)輕，故單位重量的膜量，襯砌面積大，因而，用它做防滲材料，用量少。同時(shí)，運(yùn)輸量也小，對于交通不便，當(dāng)?shù)厝狈ζ渌ㄖ牧系牡貐^(qū)，尤為適用。(4)施簡便，工期短。土工膜質(zhì)輕，用量少，施工主要是挖填土方、鋪膜和膜料接縫處理，不需要復(fù)雜的技術(shù)，方法簡便易行，大大縮短工期。(5)耐腐蝕性強(qiáng)。土工膜具有較好的抵抗細(xì)菌侵害和化學(xué)作用的性能，它不受酸、堿和土壤微生物的侵蝕，耐腐蝕性能很好。因此，特別適用于有侵蝕性水文地質(zhì)條件及鹽堿化地區(qū)的渠道或排污渠道的防滲工程。(6)造價(jià)低。據(jù)經(jīng)濟(jì)分析，每平方米塑料防滲的造價(jià)為混凝土防滲的造價(jià)的1/10～1/5，為漿砌卵石防滲的1/10～1/4 左右。一層塑膜的造價(jià)僅相當(dāng)于1 cm 厚混凝土板造價(jià)，即使采用混凝土板作保護(hù)層的塑膜防滲，由于保護(hù)層混凝土板較單層混凝土防滲板薄，其總造價(jià)仍不會(huì)高于混凝土防滲，但克服了土保護(hù)層糙率大、允許流速小、易滑塌和滋生雜草等缺點(diǎn)。
2.2 土工合成材料膨潤土墊(GCL)的特點(diǎn)
土工合成材料膨潤土墊(GCL )的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面: (1) GCL 柔性好，在張應(yīng)變達(dá)20%的情況下，也不會(huì)增加其滲透率，而處在相同應(yīng)變下的壓實(shí)性粘土和土工膜，其水力滲透系數(shù)會(huì)急劇增加。(2) GCL 用作渠道襯墊時(shí)，所需開挖量要比壓實(shí)性粘土小。( 3)GCL 有極強(qiáng)的自我愈合能力。由于膨潤土的存在，它會(huì)在土工織物刺破處自我愈合，而且，上下層土工織物在針織或縫合纖維的作用下也約束了膨潤土的遷移，進(jìn)一步提高了其自我愈合能力。( 4)GCL 抗張應(yīng)變的能力強(qiáng)。大多數(shù)GCL 產(chǎn)品有著驚人的彈性和可塑性，他們能變形到抵抗5%甚至更多的張應(yīng)變而不會(huì)導(dǎo)致其水力滲透系數(shù)大幅度提高。如果在GCL 產(chǎn)品上覆蓋60 cm 厚的土層，某些GCL 產(chǎn)品能承受更加嚴(yán)重的不均勻沉陷(張應(yīng)變達(dá)30%) ，而不會(huì)增加其水力滲透系數(shù)值。(5) GCL 抗干濕循環(huán)的能力強(qiáng)。受熱后的GCL 產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，但是當(dāng)脫水后的GCL 產(chǎn)品被重新注入水后，出現(xiàn)的裂縫會(huì)再次閉合，其水力滲透系數(shù)又會(huì)回到原先的低值。(6) GCL 抗凍融循環(huán)的能力強(qiáng)。有學(xué)者曾在一個(gè)大油罐內(nèi)對3種GCL 產(chǎn)品進(jìn)行多次凍融循環(huán)的水洗滲透試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的各種GCL 產(chǎn)品(Bentomat，Claymat，Gundseal)至少在3 個(gè)凍融循環(huán)后，其水力滲透系數(shù)不會(huì)有明顯的提高。
(7) GCL 比壓實(shí)性粘土搭接方便，安裝簡單，施工速度快。
土工合成材料膨潤土墊(GCL )用于渠道防滲效率高、成本低、抗凍性好，在歐美等國已有較為成熟的應(yīng)用。
3 土工合成材料在渠道防滲工程運(yùn)用中存在的主要問題
土工合成材料是以技術(shù)創(chuàng)新為特征，具有高技術(shù)含量和高性能的產(chǎn)品。生產(chǎn)設(shè)備、技術(shù)上的差異造成我國的土工合成材料在產(chǎn)品的數(shù)量、品種、質(zhì)量等方面都與世界土工合成材料業(yè)存在著較大的差距。近年來，國外除在工程的加筋、價(jià)格、方式、反濾、排水廣泛應(yīng)用土工合成材料外，同時(shí)在環(huán)保方面的應(yīng)用發(fā)展很快，而國內(nèi)尚剛剛起步。
關(guān)于土工合成材料性能研究，目前國外更注重土工合成材料的耐久性能如抗紫外線輻射、溫度變化的耐氣候性、化學(xué)與生物侵蝕、蠕變性能等，國內(nèi)在這些方面的研究較少，或剛剛起步。土工合成材料在渠道防滲工程的發(fā)展運(yùn)用中還存在一些問題需待進(jìn)一步研究和分析。
3.1 土工膜滲透系數(shù)的測定
土工膜一般由聚乙烯( PE)或聚氯乙烯( PVC)制成，膜的滲透系數(shù)一般在1 ×10 - 11 ～1 ×10 - 15 cm / s，例如《聚乙烯( PE) 土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL /T231—98 中要求膜的滲透系數(shù)應(yīng)小于10 - 11 cm / s，土膜的滲透系數(shù)很小，不易測準(zhǔn)。膜的不透水性除用滲透系數(shù)表達(dá)外，還取決于膜的厚度、施工和運(yùn)行的保護(hù)措施等。據(jù)美國土木工程學(xué)會(huì)論文報(bào)道，曾對總面積20 萬m2 的28 處襯砌用土工膜進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)平均每1 萬m2 中有26 個(gè)漏洞，其中15%是自身的孔眼，69%出現(xiàn)在焊縫處。用圓孔型漏洞損失估算滲透量精度較低。另一種方法是從實(shí)測滲漏損失推求土工膜防滲層的滲透系數(shù)，前蘇聯(lián)的一些科研機(jī)構(gòu)曾推求全國3 條大型渠道的滲透系數(shù)在( 2.3～6.1) ×10- 6 cm / s 范圍，遠(yuǎn)大于膜材的滲透系數(shù)。
由此看來檢測土工膜防滲層的滲透系數(shù)是至關(guān)重要的，特別是垂直鋪膜結(jié)構(gòu)。
3.2 土工膜的等效厚度
土工膜的厚度一般在0.2～0.3 mm，在計(jì)算膜引起的水頭降低時(shí)，常采用等效厚度法，等效厚度等于膜的厚度乘以土的滲透系數(shù)，再除以膜的滲透系數(shù)。其物理意義是膜的防滲效果與等效厚度的土層相同，這在計(jì)算膜下水頭，繪制膜后的浸潤線時(shí)是可行的，但應(yīng)注意到:因膜具有自身和焊縫引起的缺陷，如前所述，實(shí)際滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)測得值；等效厚度土層的防滲可靠性比薄膜大得多；揚(yáng)壓力對膜的危害比等效厚度粘土要嚴(yán)重。
3.3 土工膜防滲漏試驗(yàn)
對于土工膜防滲特性的另一個(gè)重要特性是其用作防滲結(jié)構(gòu)時(shí)，在與界面土體(或混凝土等其他材料)共同工作時(shí)，由于接觸面的不平整、土體顆粒粗糙，以及土體局部變形較大等方面的原因，在高水頭作用下土工膜有可能被刺破、撕裂，從而失去或減弱其防滲性能，因而有必要進(jìn)行相應(yīng)的防滲漏試驗(yàn)。
3.4 土工膜后(即膜的背水面)的排水問題
土工膜防滲性能優(yōu)良，但經(jīng)某些損傷處滲漏到膜后的水若不易排出，便會(huì)集聚形成反向滲透力，在防滲水位驟降時(shí)可能使土工膜滑動(dòng)失穩(wěn)。尤其土工膜作為防滲加固鋪設(shè)在出現(xiàn)裂紋的粘性土均質(zhì)堤壩或粘性土斜墻堤壩以及鋪設(shè)在節(jié)水型的粘性土渠道迎水面上，膜后設(shè)置排水不容忽視，所以，鋪設(shè)土工膜目前應(yīng)該在堤坡面設(shè)置排水系統(tǒng)。新建工程用設(shè)置排水帶，將壩面積水排至背水側(cè)。加固工程應(yīng)因地制宜設(shè)置排水。采用具有300 g /m2 以上針刺織物的復(fù)合土工膜可發(fā)揮壩面排水作用。
3.5 對土工膜墊層及保護(hù)層的認(rèn)識(shí)問題
應(yīng)避免采用粘性土墊層。有些工程界同行覺得采用粘性土墊層，一方面對土工膜起保護(hù)作用，另一方面，對防滲起著雙重保險(xiǎn)作用。其實(shí)，防滲與墊層的功能應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分開來，防滲應(yīng)由土工膜承擔(dān)，而墊層主要起維持土工膜穩(wěn)定及保護(hù)膜不被頂破的作用。所以墊層料應(yīng)采用透水的砂礫料，不僅起保護(hù)作用，同時(shí)具有排水功能，不會(huì)因反向滲透壓力導(dǎo)致土工膜失穩(wěn)。在有砂礫透水料的情況下避免選擇粘性土作為土工膜的保護(hù)層，因?yàn)樗惑E降在粘性
土保護(hù)層中形成的反向滲透力需要更緩的保護(hù)層坡度才能維持穩(wěn)定。
3.6 其它方面的問題
土工膜作防滲材料還有其他值得注意的問題，首先是一般的塑料類和瀝青混合類的土工膜力學(xué)強(qiáng)度不高，易破損，在施工中如果受損或薄膜產(chǎn)品質(zhì)量不好都會(huì)造成滲漏；其次，土工膜防滲結(jié)構(gòu)，可能因薄膜下面的氣體或液體壓力作用而被浮托起，也可能因?yàn)楸∧や佋O(shè)方式不合理等原因造成滑坡；第三，寒冷地區(qū)如使用低溫下易脆裂的土工膜將會(huì)失去其防滲功能；第四，一般的土工膜抗紫外線能力較差；在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、施工和運(yùn)行中，長期暴露受陽光直射時(shí)易發(fā)生老化。此外，還易被嚙齒動(dòng)物咬壞及蘆葦刺破。正因?yàn)樯鲜鲆恍┰?，盡管土工膜是一種較理想的防滲材料，但要得預(yù)期的效果，關(guān)鍵還在于恰當(dāng)?shù)倪x擇聚合物品種，合理設(shè)計(jì)，精心施工。
4.結(jié)束語
由于土工合成材料是一門新興的學(xué)科，在渠道防滲工程的運(yùn)用中還存在一些問題需待進(jìn)一步研究和分析，但隨著我國土工合成防滲材料的應(yīng)用日益廣泛，土工合成材料的研究也日益深入，土工合成防滲材料將會(huì)在更多的工程領(lǐng)域內(nèi)，更大規(guī)模地予以使用，它的運(yùn)用前景是廣闊的。
