概述
在我國，渠系總輸水損失量為l 730億m3左右，占渠首總引水量的50％。全國已建渠道防滲工程55萬多km，只是渠道總長的18％，80％以上的渠道工程沒有做防滲處理。20世紀60年代我國開始用土工膜鋪設(shè)在渠道的表層內(nèi)以防滲漏，取得了良好的效果。1965年前后開始應(yīng)用于渠道防滲，較早的工程有河南人民勝利渠、山西人民引渭渠等，效果良好。以后推廣到水庫、水閘和蓄水池等工程。1965年，桓仁水電站用瀝青聚氯乙烯熱壓膜錨固并貼于上游壩面以防止混凝土支墩壩的裂縫漏水，取得了良好的防滲效果，這是我國利用土工合成材料處理混凝土壩裂縫的首例。從1983年開始，北京市采用編織布和塑料薄膜相結(jié)合的復(fù)合土工膜，解決了十幾處已建中小型水利工程的滲漏問題，取得了成功的經(jīng)驗，并得到了推廣。
2土工合成防滲材料的種類和特點
2．1 土工合成防滲材料的種類
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廣PO)等。土工膜的厚度為0．25—4 mm。最常用的是0．5—1．5 mm，土工膜的幅寬一般為2～4 m，特殊需要時可加寬到10 m。為了提高土工膜的力學性能，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，需要時亦可做三布兩膜。復(fù)合土工膜將單膜的拉伸強度、抗刺破、抗頂破強度提高了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、保護層之間的摩擦系數(shù)，對保護渠體穩(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，制成的玻纖增強復(fù)合土工布在性能上將比由機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。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人廢棄物填埋場中，也可以用于渠道防
滲。目前，GCL在發(fā)達國家用于渠道防滲的技術(shù)已經(jīng)相當成熟。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 ln／n，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。
2．2土工合成防滲材料的特點
2．2．1土工膜的特點
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：(1)防滲性能好。只要正確設(shè)計，精心施工，就能達到最佳的防滲效果。(2)適應(yīng)變形的能力強。土工膜具有良好的柔性，延伸性和較強的抗拉能力，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，運輸量也小，對于交通不便，當?shù)厝狈ζ渌ㄖ牧系牡貐^(qū)，尤為適用。(4)施工簡便，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。土工膜具有較好的抵抗細菌侵害和化學作用的性能，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)造價低。據(jù)經(jīng)濟分析，每平方米塑料防滲的造價為混凝土防滲的造價的1／10～1／5，為漿砌卵石防滲的1／10—1／4左右。一層塑膜的造價僅相當于l cm厚混凝土板造價，即使采用混凝土板作保護層的塑膜防滲，由于保護層混凝土板較單層混凝土防滲板薄，其總造價仍不會高于混凝土防滲，但克服了土保護層糙率大、允許流速小、易滑塌和滋生雜草等缺點。
2．2．2土工合成材料膨潤土墊(GCL)的特點
土工合成材料膨潤土墊(GCL)的主要優(yōu)勢表現(xiàn)在如下幾個方面：
(1)GCL柔性好，在張應(yīng)變達20％的情況下，也不會增加其滲透率，而處在相同應(yīng)變下的壓實性粘土和土工膜，其水力滲透系數(shù)會急劇增加。
(2)GCL用作渠道襯墊時，所需開挖量要比壓實性粘土小。
(3)GCL有極強的自我愈合能力。由于膨潤土的存在，它會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，進一步提高了其自我愈合能力。
(4)GCL抗張應(yīng)變的能力強。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)品能承受更加嚴重的不均勻沉陷(張應(yīng)變達30％)，而不會增加其水力滲透系數(shù)值。
(5)GCL抗干濕循環(huán)的能力強。受熱后的GCL產(chǎn)品會出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，但是當脫水后的GCL產(chǎn)品被重新注入水后，出現(xiàn)的裂縫會再次閉合，其水力滲透系數(shù)又會回到原先的低值。
(6)GCL抗凍融循環(huán)的能力強。有學者曾在一個大油罐內(nèi)對3種GCL產(chǎn)品進行多次凍融循環(huán)的水洗滲透試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗中的各種GCL產(chǎn)品(Bentomat，Claymat，Gundseal)至少在3個凍融循環(huán)后，其水力滲透系數(shù)不會有明顯的提高。
(7)GCL比壓實性粘土搭接方便，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、價格、方式、反濾、排水廣泛應(yīng)用土工合成材料外，同時在環(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)展運用中還存在一些問題需待進一步研究和分析。
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叫1一l X 10。5cm／s，例如《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》SL／T23l一8中要求膜的滲透系數(shù)應(yīng)小于10‘11 cm／s，土工膜的滲透系數(shù)很小，不易測準。膜的不透水性除用滲透系數(shù)表達外，還取決于膜的厚度、施工和運行的保護措施等。據(jù)美國土木工程學會論文報道，曾對總面積20萬m2的28處襯砌用土工膜進行檢查，發(fā)現(xiàn)平均每l萬m2中有26個漏洞，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)的一些科研機構(gòu)曾推求全國3條大型渠道的滲透系數(shù)在(2．3～6．1)X 10“cm／s范圍，遠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，在計算膜引起的水頭降低時，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，這在計算膜下水頭，繪制膜后的浸潤線時是可行的，但應(yīng)注意到：因膜具有自身和焊縫引起的缺陷，如前所述，實際滲透系數(shù)遠大于試驗測得值；等效厚度土層的防滲可靠性比薄膜大得多；揚壓力對膜的危害比等效厚度粘土要嚴重。
3．3土工膜防滲漏試驗:
對于土工膜防滲特性的另一個重要特性是其用作防滲結(jié)構(gòu)時，在與界面土體(或混凝土等其他材料)共同工作時，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，因而有必要進行相應(yīng)的防滲漏試驗。
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，便會集聚形成反向滲透力，在防滲水位驟降時可能使土工膜滑動失穩(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層的認識問題
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作用，另一方面，對防滲起著雙重保險作用。其實，防滲與墊層的功能應(yīng)嚴格區(qū)分開來，防滲應(yīng)由土工膜承擔，而墊層主要起維持土工膜穩(wěn)定及保護膜不被頂破的作用。所以墊層料應(yīng)采用透水的砂礫料，不僅起保護作用，同時具有排水功能，不會因反向滲透壓力導(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層，因為水位驟降在粘性土保護層中形成的反向滲透力需要更緩的保護層坡度才能維持穩(wěn)定。
3．6其它方面的問題
和生金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強度不高，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，也可能因為薄膜鋪設(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
輸、儲藏、施工和運行中，長期暴露受陽光直射時易發(fā)生老化。此外，還易被嚙齒動物咬壞及蘆葦刺破。
正因為上述一些原因，盡管土工膜是一種較理想的防滲材料，但要取得預(yù)期的效果，關(guān)鍵還在于恰當?shù)倪x擇聚合物品種，合理設(shè)計，精心施工。
竇寶松，鮑維猛，王長保，北京市水利科學研究所
Abstract：Geo—synthetic material is a new type material for and-seepage of canal．for which some problems in the ac“l(fā)al engi·neefing印plicafion are still necessary to be further allal”：ed and studied．Therefore，the relevant discussion is made herein．The result shows that along with the increasingly wide applieation of the geo—synthetic material．the study on the material is continu—oaly deepened as welL On the whole，the gee—synthetic material will applied to more and more engineering fields in much a large scale witll wide prospecL
