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景观湖渠及农业用水库渠耐久性防渗技术要点

2021-03-19 10:58:19  来自: 阅读人数:

景观湖渠及农业用水库渠耐久性防渗技术要点

 

国内近期许多城市为改善城市形象,提高人居适宜性,往往从远处引水修建各式人工湖或景观水系,但因有的防渗未做好,没有达到预期目的。原因是没有选对防渗材料。一些公园水系,因受一些厂家“微渗、透气、环境友好”等宣传影响,选用了寿命短的人工钠化膨润土(佯称钠基膨润土)毯,结果现在渗漏严重需花大代价大量补水,才能保持有水可看。2011年中央一号文件关于加强农田水利建设,这就把水利工程,尤其是干旱地区的储水防渗利农提到相当的高度。

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    1. 在修建景观湖渠和农业用水库渠时,能持久防渗是最大的诉求。这可以从以下实例吸取经验教训;

 

1)北方某公园水系2007年末建成从2009年初春即需每天补水18万吨(《法制晚报》2009.3.22日)日蒸发量不可能这么多,是所采用的人工钠化(佯称钠基)膨润土防水毯防渗失效.而供货商为送检通过,预先在样品上喷洒碱水。事实是人工钠化时加的碱越多越能满足按行标JG/T193—2006《钠基膨润土防水毯》对膨胀指数大等于24ml/2g的规定要求,北京的许多开发区造的人工湖、渠往往放水即漏,挖出的人工钠化膨润土防水毯中土已很少,浇水即漏,这是因修建后几次自然降水,已使毯中的碱流失并带走部分钙基土。

 

2)唐山环城水系2009年施工,2010年就漏水严重,挖出的已铺的防水毯里面根本不是能防渗的天然钠基膨润土,而是人工钠化土烂污泥。

 

3)从南水北调中线主干引水的石家庄某工程投资约5亿,已铺300万平米防水毯都是人工钠化(佯称钠基)膨润土防水毯《建筑防水资讯》2010~第5期)。其效果是可以预见地把国家花几元一吨调来的水渗入几十米深的华北大漏斗。

    实际上该工程设计考虑很周到:在河道沙土层上,先铺30cm 厚的土壤(对防水毯起保护作用),然后铺防水毯,在防水毯铺好后,在毯上方铺35cm胶结砂(在每m3厚河砂中拌入水泥和粉煤灰各150kg,混成干硬性状再碾压),接着再在上方铺30cm生态砂(当地河砂)以增强防渗效果,最后是铺鹅卵石(也可铺混凝土方砖)防止洪水冲刷,保护河底。该工程的失误可能是没有在招标文件和设计图纸上特别注明,即在有“钠基膨润防水毯”字样的前面,特别加上“天然”两字,甲方的普遍低价心态往往影响辩明优劣的能力,用的是仅值6~8元/m2的人工钠化(佯称钠基)膨润土毯,而按27~30元/m2计入工程成本,将造成的损失是可预计的,如按30元/m2采用真正的天然钠基膨润土防水毯,可能就不会造成影响南水北调工程的期望值。

 

4)〈中国证券报〉2010.7.19 A03版整版刊载(记者李若馨、顾鑫)“紫金矿业两周内再渗漏污染事故三疑问待解析”。笔者认为,当地地下水位较高,当高于污水池水位时,上浮力将池底垫层防渗膜顶破裂缝导致污水溢流、串流下渗;新抡建的应急中转污水池又渗漏,说明有机防渗膜太薄,很容易在施工时因基底不平整,被硬凸凹物顶破,或工人的鞋或工具踏划破。一句话,选用防渗材料标准太低。建时越低价防渗效果越好不了,修补就得花10倍的大价钱,还不一定能修好,这也是国内外,尤其是国内许多垃圾填埋、污水厂、景观水系建设者防渗漏常犯的错误。如果改用能防污的较厚的无机防渗材料,提高设计标准,增加池底抗浮措施,同时政府、企业、设计单位能把业务风险放在项目设计、施工、防渗材料供货之前,出现渗漏的机率就会降低。

 

5)北京的一些垃圾填埋场因用人工钠化防渗,都很快就渗漏,严重污染了周围环境,特别是地下水,修复需花费原造价10倍的代价。

 

 6)陕西咸阳一个地下车库的一部分,榆林一个地下室用人工钠化膨润土毯防渗,没等工程竣工验收就大面积渗漏。上述地下车库的另一部分用真正的天然钠基膨润土毯防渗,效果更好,达到设计要求,建设方将供货方提供的产品随意切样送检,结果证明:能永久防渗的是天然钠基膨润土防渗材料;大面积渗漏的是人工钠化膨润土(供货假称钠基膨润土)。

 

    2011年中央1号文件要求加强水利建设特别农田水利建设,在库、渠防渗时应接受上述防渗失败教训。

 

   2. 建设单位和设计单位没有认识到城市中修建的湖、渠几农业用水库渠应达到在百年以上都要保持水位常年在设计水位水平运行,水位不能大起大落甚至干枯见底。这就需要在设计水位线以下保持永久性的防渗状态,只有在丰水期时设计水位线以上的水可以稍有渗失,这样才能保持所补之水量抵消蒸发量(人工很难抑制)。而渗水则是个无底洞(人工可通过做耐久防渗层进行抑制)。岸边植被所需的水主要靠自然降水再加上采用滴灌、根灌解决,而不能靠湖、渠渗出的水解决,否则挖修湖、渠、库就没有意义。现在有的开发小区有人工湖,但一年中300多天无水,只有大的节日放点水,见几次喷泉,等业主知道受忽悠了也无可奈何,人工湖变成臭气熏天的大垃圾坑。要保证365天都能达到设计水位,管理部门,物业公司补水成本太高,因渗水量再上自然蒸发量远大于补水量,尤其是干旱地区。

 

   3. 防渗材料最基本的要求应是其空隙永久性地小于水分子直径(说环境友好,微渗会呼吸,这个空隙肯定得比水分子直径大)。长沙马王堆汉墓,防渗选用的是粘粒分子(粒径是纳米级的)占55%以上的粘土,而且很厚。如果湖、渠、库址所在地的土达不到防渗要求,通常选用以下两种方法。

 

   1)将当地的土挖出来,从别处运来能防渗的粘土再填进去,并一层一层地夯实、碾压达到95%以上的密实度,有时夯土层厚要1m以上,很不经济,而且很难完全达到设计要求,甚至在某些地方留下渗水点、面,很难达到优良性价比。掺粘粒含量高的粘土,如膨润土(也不能掺人工钠化土)与当地土夯实、搅拌、压实,很难匀实,如符合要求的粘土源近时,其掺量、压实厚度应通过试验确定,且应把试验数据加倍(因试验条件和可能实际存在的或遇到的情况常常有很大差异)才行,实际也不一定很经济可靠。

 

  2)铺有机防渗膜,有污染,耐久性差,施工时很难保证一点破损没有(无数工程证明:往往一个针尖大的小孔,在压力下会撕成一个大口子,使防渗工程一旦破损,功亏一篑,膜与基土间就形成串水层,基土容易被掏空。最好铺天然钠基膨润土防水毯(绝对不能用人工钠化即所谓钠基膨润土防水毯,其寿命只有半年~3年,性价比太差,返修代价更高)。因天然钠基膨润土遇水所形成的无机凝胶层稳定持久,且能堵塞基土孔隙,形成稳定的整体耐久复合防渗层。加上可节省挖、运、填、夯土方等的人力物力,性价比优良。因天然钠基膨润土不仅不含有毒成份,还含有各种生物所需的微量元素,对各种生物、生态有益无害,特别是对无处不在的微生物更不会构成不利影响。

 

4.对天然钠基膨润土防水毯的最主要技术指标的要求是:

 

   1) 单位面积膨润土质量必须≥5kg

 

因为膨润土防水毯中起防水防渗作用的是膨润土遇水后所形成的不透水凝胶(膨润土属天然钠米材料,其凝胶粒子之间的孔隙远小于水分子的直径),而无纺布和机织布仅起包装成形作用,有的覆高密聚乙烯薄膜,只在初期起临时挡水作用,防止膨润土提前水化(天然钠基膨润土的水化时间是100h,钙基膨润土仅为24h,最多48h,而人工钠化膨润土仅为几小时),使膜与垫层、保护层之间不可能密贴,会形成漏水通道,会减弱抵御外力的能力。

 

   (2) 天然钠基膨润土的膨胀指数只能≥15~18ml/2g,而不能≥24ml/2g

 

因为国内外可用于防水防渗的天然钠基膨润土大多处于80~100m深以下的矿山下层(我国许多膨润土矿80~100m深以下都有大量的天然钠基膨润土矿藏,有的有几十米厚的优质矿层),其综合矿样的膨胀指数大多只有15~18ml/2g,比这高的仅是个别矿层和矿点,再通过耗能耗水费时地提纯,也可以达到≥24ml/2g,甚至更高,对于防水防渗,15~18ml/2g也足够了。美国和韩国等防渗膨润土的膨胀指数也规定是≥16ml/2g。膨胀指数≥24ml/2g是德国一些对膨润土缺乏研究的人误传到我国的。北京和其他地区的垃圾填埋场等一大批工程按此指标要求,用的也是人工钠化膨润土,建后不久都出现了严重渗漏污染问题。按这一误传,规定的膨胀指数≥24ml/2g,只有人工钠化膨润土很容易达到和超过,天然钠基膨润土要达标就必须提纯或设法加膨胀剂(对长远的耐久性不利)。人工钠化膨润土想达到更高的膨胀指数只要稍多加碱,这会形成较大孔隙,即形成较大漏水通道,防水失败是必然的。而修补的代价是原造价的5~10倍,国内外均有先例。

 

   (3)吸蓝量最好≥30g/100g

 

因为膨润土的蒙脱石含量代表膨润土的纯度,蒙脱石的含量是通过测定膨润土吸收亚甲基蓝量来换算的,根据地质部门经验,换算系数大致为0.44~0.48.即蒙脱石含量M=(B/K)×100%,如取k=0.46,则(30÷0.46)×100%≈ 65%。蒙脱石含量65%说明膨润土中有35%是杂质(成矿过程中混进去的其他物质)。蒙脱石遇水形成不透水凝胶;凝胶中杂质多了,自然会影响其防水防渗能力。实践证明,蒙脱石含量≥65%安全系数并不高。因此,蒙脱石含量达不到65%,最好进行提纯处理。有些国家在防渗材料中并未规定蒙脱石含量是因为这不是天然钠基膨润土(地质矿物学中所称的钠基膨润土)独有的指标。许多钙基膨润土的蒙脱石含量也很高,但膨胀指数低,耐久性差,人工钠化后膨胀指数高,耐久性更差。

 

   4)渗透系数应≤10-7~10-9cm/s(10-9~10-11m/s)。一般防水材料的孔隙比水分子直径小即可防水。能做到10-9cm/s,水位小于70m深就能做到滴水不漏。一般渗透系数视设计水位以下的深度而定。目前的检测设备10-8cm/s就很难检测到水了。

 

   5)膨润土防水毯中的机织布和无纺布,主要的功能类似包装材料,其强度不需太高。因此只要毯之间的搭接长度达到15~30cm时,对一般不均匀沉降有适应能力。

 

   6) 作为膨润土防水毯的辅料,如膨润土止水颗粒,止水条等,也必须用天然钠基膨润土制作。因为这些辅料一般都用于防水毯的转角、接缝、施工缝、穿墙管及桩、柱与底板的交接处,是必然漏水的薄弱环节,辅助材料是起加强作用的,如用人工钠化膨润土做辅助材料,则起的是减弱作用,会扩大渗水路径。

 

5天然钠基防水毯的优点

 

    天然钠基膨润土形成于亿万年前,多处于80~100m深以下必须洞采,性能稳定,遇水膨胀能形成不透水的凝胶层,且能长久地追迹细微空隙。除此之外,天然钠基膨润土(不能用耐久性差的人工钠化膨润土又称活化土,只用于钻井泥浆,球团,铸造要求时效短的粘稠剂),是天然的纳米级无机防水材料,据北京理化中心用20万倍射电显微镜检测小于10nm颗粒占60%,10~50nm的占35%,50~100nm的占5%。其独有的特性和与现有防水概念不同的许多特点:

 

1)自保水性。膨润土因其独有的膨胀力,具有渗透到防水施工结束后所必然发生的裂纹内部的能力,和其他防水方法对施工完成以后发生的缺陷无能为力相比,能持久发挥其防水性能。

 

2)能永久的发挥其防渗能力。膨润土因为是天然无机矿物,时间的变化和周围物质的影响对其化学性质的影响很小,并且不会发生老化和腐蚀现象,因此可以永久地保持其防水能力。

 

3)施工相对比较简单,和其他防水方法相比工期比较短,适合机械化作业。

 

4)对人体无害。因施工的简便性和材料的特性,在施工时对人体没有影响。特别是没有加热和粘贴等作业,减少了施工事故的发生。

 

5)容易检测和确认。防渗施工结束后的检测和确认较容易,可以立即检查出施工不足的地方或者施工上有问题的地方,以及防渗材料的损伤等,修补也很容易,所以可以减少防渗施工中可能发生的失误。

 

    6. 在采用天然钠基膨润土防水毯防渗时,必须遵守以下3点才能发挥其自身的防渗性能。

 

1)天然膨润土只有在密闭的空间(有压力)才能防渗。密实度须在85%以上才能使其凝胶发挥密实,防水作用,通常用填土或覆盖保护层来解决。要求的压力一般为1.4~2.0kpa。

 

2)天然钠基膨润土只有与水接触后才能发挥持久防渗性能。有水膨润土才会膨胀并形成无机凝胶体,有时也提前让其与纯水接触,提前形成胶体,以阻止更多的水(特别是污水)进入。

 

 3)天然钠基膨润土毯应与湖、渠、库底已夯实的垫层紧密相贴。同时应与毯上的保护层,防冲刷层紧密结合,使毯中的膨润土遇水膨胀后填充上下层微孔隙共同形成耐久性整体防渗层。

 

    7. 人工钠化膨润土毯的缺点:人工钠化(市面上佯称的钠基)膨润土防水毯中所装的人工钠化膨润土只由膨润土矿上浅层(大多露采)的钙基膨润土加2%~5%的碱(碳酸钠)活化,很容易达到现行标准JC/T193~2006、GB50108-2008要求,但遇水碱溶化流失,并可能带走钙基土,寿命仅半年,最多3年。

 

    由于天然钠基膨润土主要组成矿物蒙脱石层间的钠离子在漫长的地质年代中自然固定在晶层之中,水化钠离子是造成蒙脱石具有膨胀性和凝胶性性能的关键;而人工钠化膨润土用添加纯碱的方式强行置换,这样进入蒙脱石层间的钠离子不是牢固或仅停留在表面的,同时被碱(碳酸钠)置换出来存在于膨润土中形成的氢氧化钙也是具有活性的,在一定条件下(如CO2存在或PH<7.8),这些电荷量大的钙离子又会逐渐进入蒙脱石层间,赶出钠离子,使钠化失效,再次恢复钙基膨润土,则膨胀性和胶体性能就大幅回落。

 

    人工钠化膨润土在加碱钠化后,其使用的领域如铸造型砂粘结剂、冶金球团粘结剂、钻井泥浆等是完全适用的,因所需求的时效很短。但近年来随着土木,水利,建筑防渗防水工程的大量涌现,需要性能稳定,耐用性好的钠基膨润土日趋紧迫。而人工钠化膨润土由于稳定性差用其生产的防水材料,虽在出厂时能列为达标产品,但一年后失效,防渗功能大幅下降,故会在一些垃圾填埋场,景观水系,农业水库渠,地铁,地下工程造成事故或留下隐患。

 

    无数工程实践证明:用碱简单人工钠化的膨润土,无法控制钙离子返回蒙脱石层间,因此类人工钠化膨润土,性能不稳定,耐用性差,是不能制作防水毯的。故在《钠基膨润土防水毯》行业标准中列入人工钠化膨润土是错误的,在国标《膨润土》中,把人工钠化膨润土与天然钠基膨润土都统一叫钠基膨润土更是错误。

 

    膨润土防水毯及其辅助防水制品不是一次性商品,其耐久性和稳定性是其质量的关键,但在GB/T193~2006、GB/T20973~2007标准中的“物理力学性能指标”(如膨胀指数等)的测试方法,体现不出它的耐久性和稳定性。为此可能出现在出厂时送检时皆为合格的产品,但在与地下水接触一年(最短半年)后,此防水毯膨胀指数和渗透系数皆不能达标的情况。使用单位可用下列“区分人工钠化膨润土和天然钠基膨润土的试验方法”来加以鉴别。严防人工钠化膨润土制品冒充天然钠基膨润土制品进入防渗工程的工地。

 

  8. 天然钠基膨润土防水毯和人工钠化膨润土的简易鉴别方法:


   1)追迹供货毯所装膨润土来源,有无地勘报告,厂家的土是否挖于80~100m以下深层,地质部门是否认定过等,据了解美国相应标准也规定只能用怀俄明等两处的天然钠基膨润土他们在农垦、水利、环保、地下工程防渗一直都不用不耐久的人工钠化膨润土。无天然钠基膨润土矿山的膨润土毯生产企业应查购土增值税发票,看其购土来源和数量。

 

    值得庆幸的是住建部已决定对相关国标GB50108—2008行标中的JG/T193—2006膨润土条款进行修订;地标DB11/581—2008(即将升为国标)中已规定必须使用天然钠基膨润土防水材料);工信部组编订的《天然钠基膨润土防水毯》即将报批。

 

   2)将烘干后的毯中膨润土试样(颗粒状)放进玻璃杯中,在倒入1:1~3的盐酸溶液至颗粒表面1cm以上观察,天然钠基膨润土几乎无反应,或仅有很小细泡;人工钠化膨润土反应剧烈,有很多气泡逸出。注意倒稀酸时,千万尽量远离自身面部,严防受伤。

 

   3)将膨润土试样用蒸馏水进行不少与4次的漂洗,直至水溶液PH呈中性。将漂洗样烘干后作X衍射测定蒙脱石的特征峰值d(001),天然钠基膨润土仍显示出Na蒙脱石的特征峰值d(001)约为12.5A,而人工纳化土则约为15A,即Ca蒙脱石的特征峰值。

 

(4)一般的膨润土矿,国土资源部门均有较详细的地质勘探资料,都检测过膨润土的矿物组成,化学组成,物化指标。一般天然钠基膨润土原矿的Na2O含量都远超1%比天然钙基膨润土高的多。还可在天然钙基膨润土和人工钠基膨润土中,同时分别加水后,用手搓,人工钠基膨润土比天然钠基膨润土粘感性和滑感性强。原因是Na2CO3附着在其表面。

 

    9. 我国不缺少天然钠基膨润土,缺的是开发

 

    我国的膨润土储量世界第一,我国的天然钠基膨润土储量也是世界第一。据地矿部门已勘探的膨润土资源,分布面广,资源十分丰富,大型矿床多,属性属型齐全。据统计全国有26个省(自治区)都有矿床,已勘探的资源总量

75亿吨以上,其中天然钠基膨润土储量占一半以上,居世界之首。远景储量更大,一些大沙漠中的储量也很大。一些书刊文章中说中国缺少天然钠基膨润土(一些厂家和一些所谓专家也将这一说法作为推行人工钠化膨润土防水毯及其辅料的错误依据),这种说法是不正确的,原因是大多矿点的天然钠基膨润土均在80~100m深以下,采挖难度大,成本高。而钙基膨润土则在地表就有露头,采挖方便,成本很低(约是前者的1/5—1/4)。这就是目前全国有大小上千个膨润土采挖点,99%采挖的是钙基膨润土,绝大部分是乡镇企业。只有大型企业才有人力物力开挖天然钠基膨润土,这在国外也是一样的。我国有的矿点几年前就已投入上亿建造开挖天然钠基膨润土地下通道,至今也还未形成生产能力。

 

   世界最著名的天然钠基膨润土矿在美国怀俄明州,据说已挖到380米深,几近见底。而格鲁吉亚开采最多的是在前苏联时代。我国的辽宁凌源天然钠基膨润土是日本侵华时就已开挖至140米深,因装备不足已停挖多年。浙江平山天然钠基膨润土矿,因城市建设需要已停挖多年。

 

   吉林刘房子天然钠基膨润土储量大,品质好,利用原有200米多深的采煤巷道可大量开挖,仅一个巷道即可采2000多万吨,以前基本是出口原矿,现在进行深加工,形成大型永久性天然钠基膨润土系列防水产品生产基地。据了解现正在几十平方公里的富矿区进行勘探作业,以求更大发展。上世纪80年代地质勘探部门估计吉林天然钠基土储量有130多亿吨,钙基膨润土有110亿吨。

 

   新疆和丰天然钠基膨润土的储量巨大,随交通条件的改善会受到重视。新疆托克逊膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占2/3以上;新疆拉伊格来克膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占多数。

 

   内蒙古兴和膨润土矿区储量1.6亿多吨,其中钠土占2/3。

 

   新疆、内蒙古境内的大型沙漠及戈壁荒滩下也都有大型膨润土矿床,例如内蒙古阿拉善的巴尔布拉格膨润土矿区储量大约3亿多吨,其中优质钠基膨润土占一半以上。

 

江苏甲山膨润土矿区储量1.5亿多吨,其中钠土占0.6亿多吨。

 

河北立石膨润土矿区储量1.4亿多吨,其中钠土0.7亿多吨。

 

广西田东膨润土矿区储量0.2亿多吨,其中钠土占一半以上。

 

广西宁明膨润土矿区储量远多于田东矿区,钠土储量也占一半以上。

 

江西广丰膨润土矿区储量达0.2亿多吨,其中钠土占一半以上。

 

安徽屯溪膨润土矿区储量1亿多吨,其中钠土占一半以上。

 

辽宁黑山膨润土矿区膨润土储量0.4亿吨,其中钠土占2/3。

 

辽宁朝阳发现的一个很小的膨润土矿区储量达0.2亿吨,其中钠土占2/3。

 

山东莱阳膨润土矿区储量上千万吨,其中钠土约占一半。

 

还可列出许多,而尚未勘探的更多。我国整个东北、华北、西北在远古时都反复、大面积地爆发过火山。因此说,中国钠基膨润土少是缺乏深入了解,或不想大投入,而借此推销人工钠化土,以使不了解国情者上当。

 

  10. 耐久性及关系到环境和公众安全性的工程材料的性价比很重要

 

    什么是又好又快?那就是在保证好的前提下尽量快,在保证质量的前提下尽量省。寿命仅几年,甚至仅半年卖价每平米10元的材料和寿命百年卖价每平米50元的材料,建设、设计、施工、监理等各方应毫不犹豫地采用后者,缺少这种胸怀,其结果将要付出每平米几百元的代价进行修补,这还不包括环境和公众安全所付出的代价。本文2.(4)提到的实例,以及为保护母亲河所修建的若干垃圾填埋场,很多地下工程防水,河湖防渗失效的众多实例都证明不讲质量,仅看价钱的害处。有些资深专家说目前防水材料中60%以上不合格,可偏偏这些不合格材料最畅销,最赚钱。这应引起各方警觉,加以杜绝,进而真正用科学发展观,重建耐久工程。特别是工程防渗材料的性价比中,应将耐久性,抗污染性放在首位.