钠基膨润土防水毯在桑干河治理工程中应用

常桂龙，杨林中，萧 威，沈承秀，罗光明，骆祥君

（1.河北省张家口市涿鹿县水务局，河北 张家口075600；2.北京万方程科技有限公司，北京100038）

1 桑干河概况

桑干河发源于山西省北部宁武县的管涔山分水岭村，源子河发源于山西省左云县的截口山，靠近长城。桑干河流经朔州市、大同市，至阳高县尉家小堡村，于固定桥入册田水库，册田水库下游进入河北省境内。经宣化，涿鹿到怀来县朱官厅屯附近与洋河汇合流入官厅水库。

桑干河上的主要支流有黄水河、 浑河、 御河等。全长700多km，涿鹿县境内流径长度47.2km。县境以上流域面积24341km2，县境内1232km2。河北省、怀涿盆地，在涿鹿县的保庄村东与洋河汇合，直入官厅水库。

桑干河流域气候冬季寒冷少雨雪。春季偏北或偏西北风盛行，气温回升快、蒸发量大，形成干旱雨少天气。夏季气温暖湿，是一年中的主要降雨季节，但雨量较少，多年平均降雨量350～450mm，年水面平均蒸发量1343mm。区域内地形复杂多样，植被稀少，土壤侵蚀较为严重。桑干河全流域多年平均输砂量608万m3。春秋季节风沙肆虐，气候和生态环境恶劣，河北省涿鹿作为北京挡风沙、 阻污染的重要门户之一，加强生态环境治理尤为重要。

2 桑干河综合治理工程

2.1 桑干河治理项目

桑干河工程以提高河道防洪标准为主，结合蓄水形成景观水面，是一项综合利用的水利工程项目，河道景观水面工程包括行洪河槽及防渗、防冲措施，由两岸堤防、河道滩地、亲水平台、河道防护、跌水、橡胶坝等组成。主要建筑物抗洪标准20年一遇，为IV等工程，堤防工程4级。

2.2 防渗形式

根据地质勘探分析，渠基主要为卵、砾石层和部分壤土层，卵、砾石渗透系数为1.2×10-1cm/s，具强透水性。本工程防渗形式，采取3个方案。

2.2.1 黏土防渗方案

河底和边坡采用含黏粒量大于20%的重粉质壤土压实防渗，渗透系数不大于1×10-6cm/s，铺设厚度0.8m，回填土分层铺筑压实。铺设后日均渗漏量1262m3/d。其优点是防渗效果好、接近自然生态环境，地上水和地下水可以交互联系，适当互为补充，并可以提高河道的自净能力。适用于地下水位高的河段。缺点是施工难度大，投资大，造价高。

2.2.2 膨润土防水毯防渗

河底和边坡采用膨润土防水毯防渗，由于河段为卵石基础，为使防水毯充分发挥防渗效果，防水毯上下各铺设20cm厚壤土，并压实。防水毯采用钠基膨润土防水毯，单位面积质量大于等于5000g/m2，渗透系数小于等于5.0×10-9cm/s。其优点是防渗效果好，且接近自然生态环境，地上水和地下水可交互联系，有利于河道自我净化，施工简单易行； 缺点是投资偏大，不适合地下水位偏高的河段。

2.2.3 复合土工膜防渗

河底和边坡采用土工膜防渗，膜厚0.3mm，单位质量400g/m2，膜上浇筑0.15m厚C20素混凝土防护，日均渗漏量46m3/d。防渗效果一般，管理维护简单，但割断了地表水与地下水的联系，不利于水丰年补充地下水，不适用于高地下水位河道。

从工程施工、运行管理、投资渠道、地下水位等多方比选、论证，最终决定对地下水位较高水位河段采用黏土防渗方案； 对于地下水位较低河段采用膨润土防水毯防渗方案。

3 地下水位低河段防渗材料选用

桑干河地处干旱少雨的华北地区，夏季极易发生洪水灾害。根据地区特点，为确保防渗效果，选择更加理想的防渗新材料，保证河道建成后，在不渗漏的基础上，实现地上地下水的交互融通、河道水质自我净化能力的形成和提升，本工程选择了防渗较好的钠基膨润土防水毯。

4 钠基膨润土防水毯

1987年，德国诺威公司首创防水毯，其后伴随着工程应用，防水毯得以不断改进，逐步取代传统防渗材料。国内北京万方程科技有限公司最早开始研究防水毯技术，并于2010年申请并获国家发明专利。后来陆续在奥运龙形水系、郑州郑东新区如意湖、河北省滹沱河生态治理等重点工程中应用。2016年由北京万方程科技有限公司牵头制定了CECS457—2016《钠基膨润土防水毯应用技术规程》行业标准，对防水毯生产、施工、管理、市场等方面起到了指导、规范化作用。

膨润土具有遇水膨胀的特性，钙基膨润土膨胀时，其膨胀仅为自身体积3倍，而钠基膨润土遇水时吸附自身重量5倍的水，体积膨胀到原来的20倍以上，将钠基膨润土锁在两层土工合成材料中间，起保护和加固作用，使防渗衬垫具有一定的整体抗剪强度。钠基膨润土防水毯具有以下特性。

4.1 密实性

钠基膨润土在水压状态下形成高密度、 凝胶状横隔膜，厚度3mm时，相当于100倍的30cm厚度黏土的密实度，具有很强的自保水性能。

4.2 耐久性

钠基膨润土系天然无机材料，即使经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象，因此防水性能持久，具有永久的防水性能。

4.3 便捷性

与其他防水材料比较，施工相对比较简单，工期缩短。施工后不需要特别的检查，如果发现防水缺陷也容易维修。

4.4 耐寒性

不受施工期间气温影响，在寒冷气候条件下也不会脆断，不会发生冬季冻裂导致漏水现象。

4.5 自愈性

防水材料和对象的一体化，钠基膨润土遇水时，具有20～28倍的膨胀能力，即使混凝土结构物发生震动和沉降，或遇意外穿刺，膨润土也能自行修复表面裂纹或创伤。

4.6 生态环保性

膨润土为天然无机材料，对人体无害无毒，而且便于水生植物生长，植物根系可以穿透防水毯自由生长，而不影响防渗效果。会呼吸而不渗水，利于水生动物、 微生物的生长，对水环境改善具有重要作用，可有效防止水体污染。

5 复合土工膜与膨润土防水毯比较

5.1 使用寿命长

复合土工膜属化学类物质，有机材料，被动防水，易老化，使用寿命有限；膨润土防水毯是天然的无机材料，抗渗体为钠基膨润土，主动防水，不会老化，也不会因干湿和冻融反复循环而降低防渗效果，具有永久防水性能，使用寿命长。

5.2 透水性低

不能与二衬合为一体，易窜水；膨润土防水毯透水性极低，能与二衬合为一体，不易窜水。

5.3 柔韧性一般

遇基层异物、 水压不匀易造成破漏，致防渗失败；膨润土防水毯属柔性材料，能较好地适应不均匀沉降，可以适应复杂的施工现场。

5.4 不具备自我修复功能

发生破损，修复难度大；膨润土防渗毯具有独特的自我修复功能，即使锐利异物刺破膨润土膨胀后形成的凝胶可迅速自行修复，防水安全保障性能优异。

5.5 改善生态环境

膨润土防水毯属于环保型材料，施工时，不会产生任何污染，同时不会完全隔断防渗体上下水体的联系，可保持与周边生态环境的交互融合，利于水生动植物、微生物生长繁殖，形成良好的生态环境，且植物可穿透防水毯自由生长，也不至于发生漏水，是一种改善生态环境的新型材料。

5.6 施工

复合土工膜施工需要特殊焊接、黏结工具，而且工艺要求高，焊接质量检测繁琐，管线贯穿封口困难，对施工温度有限制；膨润土防水毯对铺设场地及回填覆盖土的要求比较低，对施工温度没有要求，一般的基底经压实后就可满足铺设要求，自然搭接，节点处理便捷可靠，尤其在管道、贯通及建筑物周边等特殊界面的结合部位，施工更便利，接缝处的密封性更有保障，质量检测方便，铺设简便而且成本低，有效缩短施工周期。

经过充分比较、论证后，确定选用钠基膨润土防水毯作为桑干河综合治理工程底部防渗铺设材料。

2014年桑干河综合治理一期工程县城段4.5km工程完工全段蓄水，水面宽210～220m，形成了5个连续的景观水面，水面面积96万m2，总需蓄水量174万m3。采用钠基防水毯的1～4标段，蓄水1.5m，一个月内水面深度仅下降了不足20cm。

经过治理后的桑干河，河道开阔、抗洪、蓄水能力大为提升，水生动植物自由呼吸、生长，河道水面宽广浩大、波光粼粼、清澈碧绿。吸引了历史以来涿鹿人未曾在此地见过的水鸭、白鹤、白天鹅等国家稀有的水生动物的落户。

桑干河景观改善，吸引了来自世界各地的旅游观光者和经营投资者。带动了当地旅游业的发展，为涿鹿的经济发展注入了新的活力。

6 结语

（1）涿州桑干河整治成功经验，对于60万km2的黄土高原湖泊河道具有典型推广价值。

（2）对于京津冀协同发展湖泊河道治理，具有以点带面，建设生态缓冲带，提供了一个非常好的选择； 对于华北平原城市和农村黑臭水体水质提升很好的平台。

（3）为北方干旱、半干旱地区流域整治的规划、设计、施工提供了模板。