垂直渗透仪测定土工合成材料gcl方法初探.pdf

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1、第4卷 第4期2006年12月中国水利水电科学研究院学报Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower ResearchVol14No14December,2006收稿日期:2006206202作者简介:刘滔(1977-),男,陕西西安人,硕士生,主要从事土工合成材料的研究.liutaocv 文章编号:167223031(2006)0420287204垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法初探刘滔1,崔亦昊2,张志华3(11 北京工业大学 建筑工程学院,北京 100022;21 中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所,北京

2、 100044;31 山东省济南市防汛抗旱指挥部,山东 济南 250014)摘要:土工合成材料黏土垫(GCL)是一种新型防渗材料,具有渗透系数低,抗不均匀沉降,优良的自我修复功能,抗冻融循环,施工方便等诸多优点,但我国目前尚无国家标准,大大地制约了GCL的推广应用。由于GCL的渗透性与其使用条件(主要是上覆有效压力)密切相关,所以其试验方法应考虑模拟现场使用条件。而国际上应用较广的ASTM D5887(利用柔壁渗透仪测定土工合成材料黏土垫试样流率的标准试验方法)在此方面有不足之处。作者认为经过改造的常规垂直渗透仪能够较好的模拟现场试验条件,且能够满足工程精度。关键词:土工合成材料黏土垫(GCL

3、);渗透性;试验标准;水利工程中图分类号:TU41文献标识码:A1 研究背景土工合成材料黏土垫(Geosynthetic Clay Liner,简称GCL)是一种新型的复合土工合成材料,通常由一薄层钠质或钙质膨润土与一层或多层土工合成材料,经针刺、缝合或粘合等工艺复合而成。从包裹膨润土的土工合成材料的性质来分,GCL可分为两类,一类是以有纺或无纺土工织物包裹的;一类是以土工织物和土工膜(或涂塑土工织物,与较薄的土工膜类似)包裹的。前者的防渗性能主要依赖于中间包裹的天然材料膨润土,可以认为是天然材料的人工化、产品化,而后者的防渗性能主要依赖于土工膜,中间包裹的膨润土起辅助防渗作用。国内所使用的G

4、CL大多数属于前者,是本文探讨的主要对象。GCL渗透性低,能较好地适应不均匀沉降,抗干湿循环、抗冻融循环能力强,有极强的自愈功能,不易被顶破或刺破而失效,施工方便,施工受天气影响小。该产品20世纪80年代末投入美国市场后,在城市固体废弃物填埋场防止渗滤液污染地下水和防止雨水渗入废弃物等环境工程中迅速得到推广应用1。我国于20世纪90年代末开始引进GCL,也主要应用于垃圾填埋场等。GCL作为一种新型防渗材料在水利工程中的应用实例还很少,仅有用于人工湖和渠道工程的报道。笔者对GCL产品的渗透性能进行了一些室内试验,并在某水利工程中进行了试验性应用,在此作以初步探讨。2GCL产品标准与试验方法20世

5、纪80年代末,GCL产品在美国研制成功后,在北美得到迅速发展。到目前为止,美国已专门针对GCL制定了14个试验标准,即,ASTM标准(美国材料与试验协会标准),D5887、D5888、D5889、D5890、D5891、D5893、D6072、D6102、D6141、D6243、D6495、D6496、D6766和D6768,涉及了GCL产品取样、单位质量检测、黏土成分性能检测、产品渗透性测试、抗拉强度与剥离强度检测、内部与表面抗剪强度测试、产品保管与安装标准、现场质量控制标准等各方面,比较系统和全面。国际土工合成材料研究院(GRI)也制定了3个专门标准,GCL-1、GCL-2和GCL-3,分

6、别规定了GCL黏土成分膨胀指标测试、GCL渗透性测试和GCL的试验方法、产品标准与检测频次。ASTM标准中GCI,渗透性的测试标准是ASTM D5887:“利用柔壁渗透仪测定土工合成材料黏土垫782试样流率的标准试验方法”2。试验采用100mm直径的圆形GCL试样。试验方法要点为,试样在550kPa的围压、515kPa反压条件下饱和、水化、固结48h后,将试样底部的反压力上升至530kPa使试样中形成自下向上的渗流,从而开始常水头渗透试验。即相当于试样在35kPa偏应力条件下饱和、水化、膨胀、固结,然后在15kPa水头差条件下测定稳定渗流量(也可以进行变水头试验,起始水头差仍然为15kPa,但

7、最小水头差不能低于10kPa)。当最后3次(3次之间的总间隔时间不少于8h)量测的稳定渗流量计算所得的流率都落在其平均值的75%125%范围之内时,取其算术平均值。由于该方法所测为GCL的流率,不便于应用,故ASTM D5887在其附录中,给出了近似测定GCL厚度的方法,再按其求取渗透系数。我国至今尚无相关的国家标准和应用规范,仅有一些企业参考ASTM标准制定了企业标准,但深入研究较少。特别是GCL作为一种防渗材料,在防渗问题比较突出的水利工程中如何应用,以及ASTM和GRI的标准是否也适用于水利工程均有进一步研究的必要。3GCL的渗透性与试验方法探讨311GCL渗透性的主要影响因素 GCL的

8、防渗作用依赖的是膨润土水化后由于其颗粒吸水膨胀,形成较为均匀的胶体系统充满整个空间,在有限的压力作用下使膨胀后的膨润土达到一定的密实程度,从而具有极低的透水性。因此,影响GCL渗透性的主要因素有膨润土的水化程度和水化后的密实程度,这两个因素均与作用在GCL上的压力密切相关。据Colloid3的研究(见图1),不同上覆压力作用下膨润土完全水化(即膨胀稳定时间)所需时间不同,上覆压力越大,膨润土完全水化所需时间越短。上覆压力对GCL中膨胀润土水化后的密实度的影响,来自于上覆压力对膨润土水化膨胀的约束。从Shan等41991年完成的利用自来水水化钠膨润土的一维膨胀试验结果(见图2)可以看出,在极小的

9、上覆压力作用下,钠膨润土的体积膨胀率接近200%,无体积变化时所需的上覆压力约为135kPa。上覆压力越大,水化后膨润土的密实度越大,GCL的渗透性越低。Bouazza5对大量GCL渗透性研究成果进行了总结(见图3),其认为GCL的渗透系数随着限定压力在210-12210-10ms间变动,GCL渗透系数与其中膨润土的孔隙比具有良好的相关关系。图1 钠基膨润土水化和膨胀性状图2 钠基膨润土与水在有效上覆压力作用下对应的体积变化312GCL渗透性试验方法探讨 现在广泛使用的ASTM D5887试验方法应用于水利工程时存在以下问题:(1)GCL在水利工程的渠道、库盆防渗等应用时,其上覆有效压力一般较

10、低,大概在5kPa(保护层按50cm厚考虑,保护层浮容重约10kN/m3,则有效压力为5kPa左右),与ASTM D5887标准中规定的有效压力35kPa有较大的差距,利用该方法求得的渗透系数必然不能真实反映在水利工程实际应用时GCL的渗透性;(2)以ASTM D5887标准使用的仪器和方法为基础,降低有效上覆压力(如5kPa),模拟GCL在水利工程中可能的应用条件进行试验,还会带来两个问题。其一是水化时间必须改变。从图1可以看出,在35kPa有效压力条件下膨润土的完全水化试件约为2d,因而,ASTM选择48h水化时间是比较合理的。若有效上覆压力降至5kPa,则水化时间应调整至100h左右为宜

11、。其二,利用柔壁渗透仪试验时的有效882垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法初探 刘滔 崔亦昊 张志华上覆压力同时也是试样周围的侧限压力。据有关研究1,利用柔壁渗透仪试验时,必须要有足够的侧限压力才能保证橡皮膜紧贴土样,在有效侧限压力低于14kPa时,就难以防止侧壁渗漏的产生。此时则难以保证试验结果的准确性;(3)虽然柔壁渗透仪有诸多优点,但设备价格较高,且较复杂,试验操作也较复杂,应用不便。图3GCL渗透糸数与限定压力的关系虽然大多数GCL厂家标称其GCL产品的渗透系数为10-11cm/s量级,但在不同运用条件下,GCL所表现出的防渗性能是大不相同的。对于应用在垃圾填埋场底层防渗系统中的GC

12、L来说,较高的上覆压力(如100kPa以上)是很容易达到的,因而可以发挥较低的渗透性。而对于应用在水利工程中的GCL来说,GCL上覆保护层的厚度一般都比较小(如应用在库盆或蓄水池底部时一般上覆土为3050cm,应用于渠道防渗时其上部衬砌混凝土板的厚度一般不超过10cm),GCL上的有效压力相当小,因而必须注意研究GCL在实际应用中的防渗性能。为此,笔者对应用于水利工程中的GCL的试验标准与方法提出以下建议:仍然采用ASTM标准作为材料性能测试标准,以满足测试指标的通用性和统一性,但为满足水利工程实际需要建议作必要改进:试验仪器推荐采用常用的垂直渗透仪,但略加改造。试件尺寸为20cm或30cm,

13、选用较大尺寸试样可以有效地降低试样边缘影响,且试件易于安装和密封。对于试样与垂直渗透仪侧壁密封的问题,可采用试样桶壁涂抹调制好的膨润土膏的方法克服,虽然这种方法对于渗透系数有一定的影响,但足以满足工程精度。垂直渗透仪顶盖中心设置活塞加压杆,通过加压杆控制试样上的压力。选用透水石作为GCL的保护层和支撑层,并在透水石与试样接触面上铺上滤纸,以防流失的膨润土粉末堵塞、损坏透水石;利用垂直渗透仪无法按ASTM标准要求利用反压进行饱和,但可以对安装好的试样在施加预定的垂直压力后,采用滴水饱和与抽气饱和联合方式对试样进行饱和,使膨润土充分水化;采用垂直渗透仪时试样上施加的垂直压力应根据实际工程情况确定。

14、如果实际工程尚无法确定,推荐采用5kPa的有效约束应力,水化时间以100h为宜;水化完成后,可按常规土工渗透试验方法,逐级抬升上游水头进行常水头渗透试验或变水头试验,试验水流方向自下而上或自上而下均可。试验最大上游水头应根据实际工程确定;由于水化后的GCL试样厚度难以精确测量,故本方法同ASTM标准一样,根据试验结果可计算得到GCL的流率指标。然后可采用ASTM D5887建议的方法,得到GCL的渗透系数k。但是,ASTM D5887建议方法比较繁琐,且测量精度难以保证。根据笔者的试验结果及分析,水利工程中GCL的上覆有效压力一般为5kPa左右,变化范围较小,在该约束压力范围内水化后的GCL厚

15、度变化不会超过试验前厚度的一倍,为此,笔者认为可以考虑采用试件试验前厚度的115倍来表示试样水化后的厚度,据此计算得到的渗透系数误差不超过1倍,可以满足大多数工程的精度要求。笔者对两种GCL产品采用上述试验方法进行的测试结果表明,在50cm水头条件下,6kPa有效上覆压力时渗透系数为118210-10ms,而在10kPa有效上覆压力条件下渗透系数达到116810-11m/s,相同有效上覆压力条件下渗透系数的离散较小不超过20%,表明上述建议试验方法是可行的。4GCL在水利工程应用中应注意的几个问题GCL抗干湿循环、抗冻融循环能力强,渗透性较低,在渠道防渗(特别是我国北方地区)、水库库盆和人工湖

16、及水池底部防渗中,有较大的推广应用前景。但应用中应注意以下问题:(1)由于过大的水压力可能导致GCL发生水力击穿破坏,因此,应检验GCL的耐静水压力是否满足实际工程运行水头的要求,笔者建议,GCL耐静水压力应大于实际最大渗透水头的111倍以上;(2)在渠道防渗工程中,GCL的上覆保护层主要有现浇混凝土衬砌板和预制混凝土砌块两种。由于保护层的厚度一般较薄,不足以抵抗GCL吸水膨胀的膨胀力,所以在使用时用时应注意混凝土衬砌板的位移和稳定性;(3)在湖底、库底等防982垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法初探 刘滔 崔亦昊 张志华渗要求较高的工程中使用时,由于GCL只有在完全水化后才能发挥其防渗作用

17、,如果施工完成后GCL没有完全水化即开始蓄水,初期必然会产生较大的渗漏,因此应注意分期抬高水位;(4)由于膨润土浸水后土体强度会大幅降低,所以当GCL应用于坡面时应注意验算其抗滑稳定性;(5)GCL用于干湿循环条件时,由于存在明显的土体干缩,可能造成搭接段脱离问题,所以应特别注意GCL的搭界长度问题。必要时应考虑使用化纤股线将搭接段缝制在一起。5 结论(1)土工合成材料黏土垫(GCL)是一种新型防渗材料,具有多方面优良的性能,在环境工程等领域应用取得了极大的成功,但是至今缺少国家标准。应加强相关研究工作,尽快制定相应标准;(2)GCL的渗透性与它所含膨润土的水化时间和密实度密切相关,二者受其上

18、有效压力的影响很大,因此,在不同的应用条件下,作用在GCL上的有效压力不同,GCL所能发挥的防渗性能也不同;(3)ASTM D5887标准是现行检测GCL材料的通用标准,但对水利工程中上覆压力较小的情况似不适用。建议采用稍加改造的常规垂直渗透仪,并根据水利工程实际条件,确定试验所需水化时间、上覆压力、渗透水头等;(4)GCL在水利工程中应用时,要求其耐实际工程的静水压力;用于渠道防渗时,应注意上部混凝土衬砌板的变形和稳定性;用于湖底、库底防渗时,应注意控制蓄水速度,以免产生较大的渗漏。参 考 文 献:1 钱学德,等.现代卫生填埋场的设计与施工M.北京:中国建筑工业出版社,2001.2 ASTM

19、 D5887,99 Standard test method for measurement of index flux through saturated geosynthetic clay liner specimensusing a flexible wall permeameterS 3 Colloid.Bentomat colloid environmental technologies companyM.Arlinton Heoghts,Illinois,1993.4 Shan H Y,Daniel D E.Results of laboratory tests on a geot

20、extilebentonite liner material J.Industrial FabricsAssociation International,1991,(2):517-535.5 Bouazza A Geosynthetic clay linersJ.Geotextiles and Geomembranes,2002,20:3-17.Primary study on the vertical permeameter for measuringpermeability of geosynthetic clay lineLIU Tao1,CUI Yi2hao2,ZHANG Zhi2hu

21、a3(11Beijing University of Technology,Beijing100022,China;21Dept.of Geotechnical Engineering,IWHR,Beijing100044,China;31Shandong Jinan Office of Flood Control and Drought Relief Headquarters,Jinan250014,China)Abstract:As a new kind of impermeable material,the geosynthetic clay liner(GCL)has its majo

22、radvantages of very low permeability coefficient,good performance in withstanding non2uniform settlement,excellent self2healing characteristics,high resistance to freezingthawing cycles,as well as easyinstallation.There is no standard yet for its checking tests,this hinders seriously its wide applic

23、ation.The permeability of GCL is closely related to its working condition(mainly the overburden effectivepressure exerted on it),so when applying testing method,it should stimulate the field conditions.Theexisting foreign standard ASTM D5887(standard test method for measurement of index flux through

24、saturated geosynthetic clay liner specimens using a flexible wall permeameter)has some deficiencies inthis aspect.The authors believe that the conventional vertical standing permeameter after improvement iscapable to stimulate field conditions,and it can be applied to projects with satisfactory engineeringprecision.Key words:geosynthetic clay liner(GCL);permeability;testing standard;vertical permeameter(责任编辑:李福田)092垂直渗透仪测定土工合成材料黏土垫方法初探 刘滔 崔亦昊 张志华