[教学]：土工织物粘土垫层

lovewlz

1．简介

因素在过去１０年间，设计工程师和环保部门日益喜欢更多地用土工织物粘土垫层来代替密实的粘土层。由于它们的低导水率（Ｋ?ｗ＜１０ １０?ｍ／ｓ）和廉价的成本常常用在铺盖或废物池的底部，以阻止废物的扩散。除了在环保方面用做废渣地的垫层外，ＧＣＬｓ还用作运输设施（公路和铁路）和岩土工程的环保隔离带，诸如：用做防护层来最大限度地减少在公路交通事故中由于化学物品的溢出和渗流所造成的地表下污染。ＧＣＬｓ还用做加油站地下油罐的第二防护层来防止地下水污染，也单独用于渠道、池塘或地面蓄水设施。ＧＣＬｓ之所以如此受重视，源于两个因素：

①有关ＧＣＬｓ材料的特性更详尽的知识都可以在大量的现有研究文献中找到，以年为序，大致归纳如下：关于ＧＣＬｓ的ＶＳＥＰＡ研究会（１９９３）。关于ＧＣＬｓ的国际谈论会Ｎｕｍｂｅｒｇ德国（１９９４），有关ＧＣＬｓ试验和应用标准的ＡＳＴＭ座谈会，Ａｔｌａｎｔａ；美国（１９９６）、Ｇｅｏ　Ｂｅｎｔｏ，巴黎，法国（１９９８）和土工织物及土工膜在ＧＣＬｓ中的应用专题讨论会（２０００）。另外，大量以土工合成、土工技术、地质环境杂志和会议纪要等为参考，关于ＧＣＬｓ的论文已经出版。

②规划、设计者信心的增长。

这篇论文将总结在过去１０年间的重要研究发现。

2．土工合成粘土垫层

ＧＣＬｓ是一薄层钠质或钙质，膨润土与一层或多层土工合成物构成的。土工合成物为土工织物或土工膜。基本的ＧＣＬｓ通过胶、针刺或编织方法同两面都有土工织物包裹的膨润土结合而成。针刺过程可以使上层的土工织物纤维穿过膨润土和下层土工织物连成一个整体。穿透底层土工织物的纤维靠自身纠缠和摩擦或通过加热的方法使它们同底部土工织物层结合在一起。可能在两层织物和膨润土间产生更强的结合力（用这种方法做的ＧＣＬｓ可叫做热锁合ＧＣＬｓ″）；同样可以用平行的几行纱线把全部的土工合成织物—膨润土、合成物缝合在一起。

对于以土工膜为骨架的ＧＣＬ，用无污染的胶将膨润土同土工膜粘在一起，并用敞口的螺旋纺织的土工织层粘在膨润土外，以便在安装时起到保护作用。由于产品的适应性和迅速的革新，不同类型的ＧＣＬｓ的特性可能各不相同，ＧＣＬｓ间最重要的区别是用在ＧＣＬｓ中膨润土的形式和矿物成分的差异。例如：粉末状和颗粒状；钠质或钙质等等方面的区别，土工织物类型（例：编织与不编织）或附加土工膜及结合方法。

ＧＣＬ的最重要的优点是其有限的厚度，适应土层或废渣层下的不均沉降，易安装和低造价。另一方面这和有限厚度的隔离层具有以下特性：①对机械性意外事件所表现出的弱点；②有限的吸附量；③如果ＧＣＬｓ铺在不能提供冲淡的矿物或分层之下，可以想象，矿物会严重流失。甚者，ＧＣＬｓ与其它浸析液水合（而不与纯水），膨润土将表现较小膨胀并降低阻水效果。ＧＣＬｓ的优点与缺点归纳如表１。



表１ＧＣＬｓ的优点及缺点。

在ＧＣＬｓ被不断广泛应用的同时，它们也正在被深入研究，尤其是对于它们的水力性质和扩散性、化学兼容性、机械表现性、耐久性和透气性等方面的研究。

3．导水率、化学共存性和扩散

ＧＣＬｓ的水力学特性在很大程度上取决于膨润土的导水率。唯一例外的是结构中含有用线缝合的土工膜的ＧＣＬｓ。总体而言，不同类型土工织物——ＧＣＬｓ的导水系数大约在２×１０１２?～２×１０１０?ｍ／ｓ间变动，取决于采用的界限压力。ＧＣＬｓ导水系数的降低是由在较高压力下形成的较低空隙率而产生的。更重要的是，对于一个给定的渗透性的ＧＣＬｓ空隙率与导水系数（Ｋ）之间表现出很强的相互联系。

[ 相关贴图 ]


图１水力传导率变化与限定应力的比较

ＧＣＬｓ常常用来阻隔除水之外的各种液体，在此情况下用化学溶解性评价ＧＣＬｓ的导水系数是十分重要的。对实际液体的渗透性，通常是通过“兼容试验”来评定的。试验中样本用将来容纳或将来透过的液体进行渗透试验：ＧＣＬ与不同渗流介质的兼容性已得到众多研究专家的研究和针对多种方案的评论。除水之外，用其它液体做为渗透液，影响ＧＣＬ渗透性的因素为：总厚度、蒙脱石含量、吸着层厚度，预水合和矿物部分的孔隙率。另一方面，影响渗水系数的主要因素为：一价和二价阳离子的浓度。在试验操作过程中，密切监测渗入流和渗出流中的化学成分以及样品的绝大部分孔隙通过渗流，确保达到化学平衡。另外，在此试验结束之前应保持ＧＣＬ的高度为常数。关于ＧＣＬ化学兼容性的一些细节问题的总结由Ｒｏｎｅ（１９９８）和Ｓｈａｃｋｅｌｆｏｒｄ等人（２０００）提供。

扩散是一种化学过程，包括污染物即使在没水流的情况下，自高浓度区向低浓度区的扩散。无机污染物透过ＧＣＬ的扩散现象最近有所报道。他们的发现可以归结如下：①空隙率和相关临界压力对扩散系数有很大影响；②容质富集程度所导致的一些敏感矿物成分微观结构的改变对扩散系数的不同起决定性作用（尤其是在钠质膨润土中）。另一方面，ＧＣＬ的生产过程对扩散系数没有重大影响。

4．穿孔、膨润土层变薄、内部腐蚀离子交换

ＧＣＬｓｓ在搬运或安装过程中很容易遭受意外穿孔，在这种情况下，它的抗水性会因其遭受损坏而不同程度地丧失。同时显示出，小的穿孔和损伤可由其中的钠质膨润土有效修复，与完好试样相比，发现其导水系数增加很少。此外，直径大到３０ｍｍ的穿孔愈合时间仅需很短的时间（一般１５天）便可完全恢复。更重要的是发现修复区域的稳定性取决于水头的高低。据观察发现水头７１ｍ（在１０ｋＰａ压力范围内）时，自行修复的区域会失效。尽管钠质膨润土ＧＣＬｓ的自行修复功能很强，但是从最近出版的试验结果显示：如果自行修复过程与离子交换联系时，修复功能会受到影响。

文献上报道了一个ＧＣＬ的一贯性缺陷。报道的是一种胶结的ＧＣＬ被树根穿孔的情形下，而导致导水系数的增大。但是，Ｄａｎｉｅｌ（２０００）指出导致导水系数增大的可能是树根本身，而不是膨润土和树根周围之间的密封问题，同时Ｄｉｄｉｅｒ等人（２０００）指出的嵌入ＧＣＬｓ的物体周围可以进行很好的封堵进一步证明了Ｄａｎｉｅｌ说法的正确性。Ｐｅｇｇｓ　ａｎｄ　ｏｌｓｔａ（１９９８）描述了一种情况：当ＧＣＬ被地基石块穿破而降低隔水性能时，这只能算是设计问题而不是性能问题。

以土工织物做的ＧＣＬｓ的水力学特性也取决于膨润土在原料中的单位面积质量的大小。一旦水化，膨润土剪切强度就很低，在这种情况下，应力集中和长期结构负荷可能造成膨润土后期的挤压并导致局部厚度的减少和在这些位置液体渗流量的增加。为避免局部膨润土的移动和随之而产生的对ＧＣＬ水力特性的影响，应在遭受表层荷载和ＧＣＬｓ水化之前，在其上覆盖适当厚度和适当粒径的土层，粗粒覆盖的ＧＣＬ表面（如砂砾），也会导致ＧＣＬ应力集中，这是引起膨润土移动的另外一个原因。然而，据发现即使在很高的界限压力下，水力传导率的影响也是无关紧要的。另一潜在的应力集中是上覆土工膜产生皱缩现象，这可能为下伏ＧＣＬ潜入减少应力作用空间，下伏地层的选择是在ＧＣＬｓ安装时考虑的另一重要内容，就象上覆土层一样，ＧＣＬ下面的垫层应按照粒径合理铺垫，Ｄａｒｉｅｌ（２０００）谈到的一些不合理步骤可能会使ＧＣＬｓ中膨润土变薄。

[ 相关贴图 ]


图２与含水量相关的气体电容率变化

水力梯度的存在可以导致内部腐料物质夹带矿物颗粒的移动（在非流体控制设施中最为典型）斯塔姆曾报道过一种情况：在一水库防渗ＧＣＬ中发现异常的渗漏，开挖坑道发现多处质地不均匀的膨润土，其通过未编织的土工织物进入下伏粗骨料深达１５～２０ｍ。

奥西尼和罗最近的工作显示在高水力坡度时，当ＧＣＬ与砾砂下伏层联合使用时有可能出现管涌现象。另外假定，土工织物平铺在侵析液聚集层上（粗粒骨料或土工网），此时有可能出现膨润土颗粒在排水层的聚集，对水力传导产生有害影响，从而可以导致浸析液收集系统的失效。吉罗德和索德曼（２０００）对有关膨润土从ＧＣＬ中渗出的机械过程及其产生的结果提供了详细的分析。他们拟定了有关膨润土流失的极限规范。规范给定了膨润土流失的界限值１０ｇ／ｍ?２，在此界限内时，排水层不会受到太大影响。另一种避免膨润土从ＧＣＬｓ流失的方法就是在ＧＣＬ与排水层之间附加土工织物过滤器。

阳离子交换促使水力传导率改变的论点（对钠质充填的ＧＣＬｓ而言）最近受到了广泛关注。之所以如此受关注是因为在ＧＣＬｓ与富钙或钙质溶液接触时会导致ＧＣＬｓ的导水率增大。这种发现与受低压缩压力（小于２０ｋＰａ）的ＧＣＬｓ关系密切，尤其是填埋覆盖层。关于离子转换问题的详细说明在埃格洛夫的文章中也可见到。

填埋后期的主要问题之一是由于沉陷造成的内盖损坏。实际上，废弃物的老化过程（废料的生物降解）有可能造成覆盖系统的不均匀沉降，从而导致分区性的拉伸开裂。可以看出，在保持低水力传导率的情况下，ＧＣＬｓ可耐受变形和损坏。

5．结论

毫无疑问，土工织物粘土垫层在过去的１０年当中已获得了广泛的认可，作为压缩粘土垫层的替代品，或说是起到了填埋底部垫层的加强作用，但是也不应把它看作是解决所有问题的万全之策。在现有文章中所报告的情况从多方面提醒我们的专业人员，对于土工织物粘土垫层的特殊用途做出充分的估价是非常重要的。读者可以把这些文章作为将来对ＧＣＬｓ性能的参考信息，以及在施工中考虑的因素

乖乖猫

能不能把一些相关的贴图和表格做个图片格式粘在文章里呢？