鈉基膨潤土防水毯在桑干河治理工程中應(yīng)用

常桂龍，楊林中，蕭 威，沈承秀，羅光明，駱祥君

（1.河北省張家口市涿鹿縣水務(wù)局，河北 張家口075600；2.北京萬方程科技有限公司，北京100038）

1 桑干河概況

桑干河發(fā)源于山西省北部寧武縣的管涔山分水嶺村，源子河發(fā)源于山西省左云縣的截口山，靠近長城。桑干河流經(jīng)朔州市、大同市，至陽高縣尉家小堡村，于固定橋入冊田水庫，冊田水庫下游進(jìn)入河北省境內(nèi)。經(jīng)宣化，涿鹿到懷來縣朱官廳屯附近與洋河匯合流入官廳水庫。

桑干河上的主要支流有黃水河、 渾河、 御河等。全長700多km，涿鹿縣境內(nèi)流徑長度47.2km。縣境以上流域面積24341km2，縣境內(nèi)1232km2。河北省、懷涿盆地，在涿鹿縣的保莊村東與洋河匯合，直入官廳水庫。

桑干河流域氣候冬季寒冷少雨雪。春季偏北或偏西北風(fēng)盛行，氣溫回升快、蒸發(fā)量大，形成干旱雨少天氣。夏季氣溫暖濕，是一年中的主要降雨季節(jié)，但雨量較少，多年平均降雨量350～450mm，年水面平均蒸發(fā)量1343mm。區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜多樣，植被稀少，土壤侵蝕較為嚴(yán)重。桑干河全流域多年平均輸砂量608萬m3。春秋季節(jié)風(fēng)沙肆虐，氣候和生態(tài)環(huán)境惡劣，河北省涿鹿作為北京擋風(fēng)沙、 阻污染的重要門戶之一，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境治理尤為重要。

2 桑干河綜合治理工程

2.1 桑干河治理項(xiàng)目

桑干河工程以提高河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為主，結(jié)合蓄水形成景觀水面，是一項(xiàng)綜合利用的水利工程項(xiàng)目，河道景觀水面工程包括行洪河槽及防滲、防沖措施，由兩岸堤防、河道灘地、親水平臺、河道防護(hù)、跌水、橡膠壩等組成。主要建筑物抗洪標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，為IV等工程，堤防工程4級。

2.2 防滲形式

根據(jù)地質(zhì)勘探分析，渠基主要為卵、礫石層和部分壤土層，卵、礫石滲透系數(shù)為1.2×10-1cm/s，具強(qiáng)透水性。本工程防滲形式，采取3個(gè)方案。

2.2.1 黏土防滲方案

河底和邊坡采用含黏粒量大于20%的重粉質(zhì)壤土壓實(shí)防滲，滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s，鋪設(shè)厚度0.8m，回填土分層鋪筑壓實(shí)。鋪設(shè)后日均滲漏量1262m3/d。其優(yōu)點(diǎn)是防滲效果好、接近自然生態(tài)環(huán)境，地上水和地下水可以交互聯(lián)系，適當(dāng)互為補(bǔ)充，并可以提高河道的自凈能力。適用于地下水位高的河段。缺點(diǎn)是施工難度大，投資大，造價(jià)高。

2.2.2 膨潤土防水毯防滲

河底和邊坡采用膨潤土防水毯防滲，由于河段為卵石基礎(chǔ)，為使防水毯充分發(fā)揮防滲效果，防水毯上下各鋪設(shè)20cm厚壤土，并壓實(shí)。防水毯采用鈉基膨潤土防水毯，單位面積質(zhì)量大于等于5000g/m2，滲透系數(shù)小于等于5.0×10-9cm/s。其優(yōu)點(diǎn)是防滲效果好，且接近自然生態(tài)環(huán)境，地上水和地下水可交互聯(lián)系，有利于河道自我凈化，施工簡單易行； 缺點(diǎn)是投資偏大，不適合地下水位偏高的河段。

2.2.3 復(fù)合土工膜防滲

河底和邊坡采用土工膜防滲，膜厚0.3mm，單位質(zhì)量400g/m2，膜上澆筑0.15m厚C20素混凝土防護(hù)，日均滲漏量46m3/d。防滲效果一般，管理維護(hù)簡單，但割斷了地表水與地下水的聯(lián)系，不利于水豐年補(bǔ)充地下水，不適用于高地下水位河道。

從工程施工、運(yùn)行管理、投資渠道、地下水位等多方比選、論證，最終決定對地下水位較高水位河段采用黏土防滲方案； 對于地下水位較低河段采用膨潤土防水毯防滲方案。

3 地下水位低河段防滲材料選用

桑干河地處干旱少雨的華北地區(qū)，夏季極易發(fā)生洪水災(zāi)害。根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)，為確保防滲效果，選擇更加理想的防滲新材料，保證河道建成后，在不滲漏的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地上地下水的交互融通、河道水質(zhì)自我凈化能力的形成和提升，本工程選擇了防滲較好的鈉基膨潤土防水毯。

4 鈉基膨潤土防水毯

1987年，德國諾威公司首創(chuàng)防水毯，其后伴隨著工程應(yīng)用，防水毯得以不斷改進(jìn)，逐步取代傳統(tǒng)防滲材料。國內(nèi)北京萬方程科技有限公司最早開始研究防水毯技術(shù)，并于2010年申請并獲國家發(fā)明專利。后來陸續(xù)在奧運(yùn)龍形水系、鄭州鄭東新區(qū)如意湖、河北省滹沱河生態(tài)治理等重點(diǎn)工程中應(yīng)用。2016年由北京萬方程科技有限公司牽頭制定了CECS457—2016《鈉基膨潤土防水毯應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對防水毯生產(chǎn)、施工、管理、市場等方面起到了指導(dǎo)、規(guī)范化作用。

膨潤土具有遇水膨脹的特性，鈣基膨潤土膨脹時(shí)，其膨脹僅為自身體積3倍，而鈉基膨潤土遇水時(shí)吸附自身重量5倍的水，體積膨脹到原來的20倍以上，將鈉基膨潤土鎖在兩層土工合成材料中間，起保護(hù)和加固作用，使防滲襯墊具有一定的整體抗剪強(qiáng)度。鈉基膨潤土防水毯具有以下特性。

4.1 密實(shí)性

鈉基膨潤土在水壓狀態(tài)下形成高密度、 凝膠狀橫隔膜，厚度3mm時(shí)，相當(dāng)于100倍的30cm厚度黏土的密實(shí)度，具有很強(qiáng)的自保水性能。

4.2 耐久性

鈉基膨潤土系天然無機(jī)材料，即使經(jīng)過很長時(shí)間或周圍環(huán)境發(fā)生變化，也不會發(fā)生老化或腐蝕現(xiàn)象，因此防水性能持久，具有永久的防水性能。

4.3 便捷性

與其他防水材料比較，施工相對比較簡單，工期縮短。施工后不需要特別的檢查，如果發(fā)現(xiàn)防水缺陷也容易維修。

4.4 耐寒性

不受施工期間氣溫影響，在寒冷氣候條件下也不會脆斷，不會發(fā)生冬季凍裂導(dǎo)致漏水現(xiàn)象。

4.5 自愈性

防水材料和對象的一體化，鈉基膨潤土遇水時(shí)，具有20～28倍的膨脹能力，即使混凝土結(jié)構(gòu)物發(fā)生震動和沉降，或遇意外穿刺，膨潤土也能自行修復(fù)表面裂紋或創(chuàng)傷。

4.6 生態(tài)環(huán)保性

膨潤土為天然無機(jī)材料，對人體無害無毒，而且便于水生植物生長，植物根系可以穿透防水毯自由生長，而不影響防滲效果。會呼吸而不滲水，利于水生動物、 微生物的生長，對水環(huán)境改善具有重要作用，可有效防止水體污染。

5 復(fù)合土工膜與膨潤土防水毯比較

5.1 使用壽命長

復(fù)合土工膜屬化學(xué)類物質(zhì)，有機(jī)材料，被動防水，易老化，使用壽命有限；膨潤土防水毯是天然的無機(jī)材料，抗?jié)B體為鈉基膨潤土，主動防水，不會老化，也不會因干濕和凍融反復(fù)循環(huán)而降低防滲效果，具有永久防水性能，使用壽命長。

5.2 透水性低

不能與二襯合為一體，易竄水；膨潤土防水毯透水性極低，能與二襯合為一體，不易竄水。

5.3 柔韌性一般

遇基層異物、 水壓不勻易造成破漏，致防滲失??；膨潤土防水毯屬柔性材料，能較好地適應(yīng)不均勻沉降，可以適應(yīng)復(fù)雜的施工現(xiàn)場。

5.4 不具備自我修復(fù)功能

發(fā)生破損，修復(fù)難度大；膨潤土防滲毯具有獨(dú)特的自我修復(fù)功能，即使銳利異物刺破膨潤土膨脹后形成的凝膠可迅速自行修復(fù)，防水安全保障性能優(yōu)異。

5.5 改善生態(tài)環(huán)境

膨潤土防水毯屬于環(huán)保型材料，施工時(shí)，不會產(chǎn)生任何污染，同時(shí)不會完全隔斷防滲體上下水體的聯(lián)系，可保持與周邊生態(tài)環(huán)境的交互融合，利于水生動植物、微生物生長繁殖，形成良好的生態(tài)環(huán)境，且植物可穿透防水毯自由生長，也不至于發(fā)生漏水，是一種改善生態(tài)環(huán)境的新型材料。

5.6 施工

復(fù)合土工膜施工需要特殊焊接、黏結(jié)工具，而且工藝要求高，焊接質(zhì)量檢測繁瑣，管線貫穿封口困難，對施工溫度有限制；膨潤土防水毯對鋪設(shè)場地及回填覆蓋土的要求比較低，對施工溫度沒有要求，一般的基底經(jīng)壓實(shí)后就可滿足鋪設(shè)要求，自然搭接，節(jié)點(diǎn)處理便捷可靠，尤其在管道、貫通及建筑物周邊等特殊界面的結(jié)合部位，施工更便利，接縫處的密封性更有保障，質(zhì)量檢測方便，鋪設(shè)簡便而且成本低，有效縮短施工周期。

經(jīng)過充分比較、論證后，確定選用鈉基膨潤土防水毯作為桑干河綜合治理工程底部防滲鋪設(shè)材料。

2014年桑干河綜合治理一期工程縣城段4.5km工程完工全段蓄水，水面寬210～220m，形成了5個(gè)連續(xù)的景觀水面，水面面積96萬m2，總需蓄水量174萬m3。采用鈉基防水毯的1～4標(biāo)段，蓄水1.5m，一個(gè)月內(nèi)水面深度僅下降了不足20cm。

經(jīng)過治理后的桑干河，河道開闊、抗洪、蓄水能力大為提升，水生動植物自由呼吸、生長，河道水面寬廣浩大、波光粼粼、清澈碧綠。吸引了歷史以來涿鹿人未曾在此地見過的水鴨、白鶴、白天鵝等國家稀有的水生動物的落戶。

桑干河景觀改善，吸引了來自世界各地的旅游觀光者和經(jīng)營投資者。帶動了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展，為涿鹿的經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入了新的活力。

6 結(jié)語

（1）涿州桑干河整治成功經(jīng)驗(yàn)，對于60萬km2的黃土高原湖泊河道具有典型推廣價(jià)值。

（2）對于京津冀協(xié)同發(fā)展湖泊河道治理，具有以點(diǎn)帶面，建設(shè)生態(tài)緩沖帶，提供了一個(gè)非常好的選擇； 對于華北平原城市和農(nóng)村黑臭水體水質(zhì)提升很好的平臺。

（3）為北方干旱、半干旱地區(qū)流域整治的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工提供了模板。