万娟，汪豪，谢晓靓，肖衡林*，何俊，赵宏博

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

近年来城市地下工程建设迅猛发展，导致地下水位大幅下降，水资源短缺现象日趋严重[1]。湖泊防渗能有效抑制地表水渗漏, 有助于缓解水资源供需紧张的状况。传统湖泊防渗主要采用水泥混凝土、土工膜、压实黏土衬垫等防渗技术[2-4]。水泥混凝土与土工膜形成的防渗体虽然具有较为理想的抗渗效果，但阻碍了湖泊水体与湖底的物质交换，易引起水质恶化，危害了湖泊生态功能。而黏土衬垫的抗渗能力往往达不到预期效果。因此，寻求防渗效果佳又有利于生态环境的湖泊防渗材料成为本领域的当务之急。土工复合膨润土防水毯(geosynthetic clay liner，GCL)作为一种将膨润土颗粒夹封在两层土工织物之间，通过针刺、粘结等工艺制成的新型防渗材料[5-6]。相较于土工膜和压实黏土衬垫等防渗材料，GCL具有渗透系数低、自愈能力强、生态环保等特点，常被用于建造垃圾填埋场、渠道、湖泊工程的底部防渗层[7-8]。中外学者对各种因素影响下GCL的防渗性能展开了大量研究。除GCL自身性质、渗滤液特征外，GCL破损也是GCL渗透系数变化的重要因素。Mazzieri等[9]和Babu等[10]利用柔性壁渗透仪对破损和原始状态下的GCL进行渗透试验，发现当破损直径小于30 mm,孔洞能自我愈合，破损试样的渗透系数略微增大。陈水生等[11]对破损孔洞直径大小为2.5 mm,4.5 mm膨润土垫进行三轴透水试验，当破损孔径大小为2.5 mm时，相比原始GCL试样，其渗透系数变化较小，当GCL破损孔径增大至4.5 mm,渗透系数增至10-7cm/s。李宪[12]分析了不同破损孔径对GCL渗透性的影响，发现当孔径大于10 mm时,其渗透系数较未破损的试样的渗透系数增大了约两个数量级。盛金昌等[13]通过渗流试验发现，当破损孔径小于10 mm, GCL渗透系数变化不明显。以上研究表明GCL破损孔洞大小对GCL渗透系数有明显影响。在实际工程中，植物根系是造成GCL破损的重要原因。在湖泊防渗工程中，湖泊生态环境较为复杂，为了生态效果和净化水质，常在湖泊种植水生植物。水生植物生长过程中其根系会穿透底部防渗层而影响GCL的防渗效果，特别植物根系枯萎后对GCL防渗性能的影响，中外研究甚少。因此，现通过室外模型试验模拟水生植物在GCL中的生长，取样进行室内渗透试验，研究水生植物根系穿透率、根系状态和根系种类对GCL渗透性能的影响规律，以期为完善GCL性能研究提供参考。

1 试验材料

试验材料包括GCL、黏土、水生植物。试验选用的GCL是上海盈帆工程材料有限公司生产的颗粒状钠基膨润土防水毯，如图1所示。防水毯为两层纺布夹封一层膨润土，纺布与膨润土之间通过针刺法缝合，单位面积质量大于4.82 kg/m2，厚度为6 mm。夹封的膨润土基本性质如表1所示。黏土取自于湖北工业大学生态基地，其基本物理性质如表2所示。水生植物选用再力花、香蒲、芦苇3种常见挺水植物，具有生长速度快，抗逆性强、根系发达、适应能力强等优势，对水质具有一定的净化能力。挺水植物种子均从武汉植物水培公司购置。

图1 颗粒状钠基膨润土防水毯

表1 膨润土基本性质

表2 黏土基本物理性质

2 试验方法

2.1 模型试验

在湖北工业大学生态基地设置6组模型试验池，分别种植再立花，芦苇与香蒲3种水生植物。水生植物在生长过程中由于季节更替或外部环境会引起植株及其根部干枯腐烂。根系干枯腐烂前后根系分别称为正常根系与枯萎根系。每种植物分为A、B两个试验池，A试验池研究正常根系，B试验池研究枯萎根系。模型试验现场图如图2所示，模型试验编号如表3所示。模型试验采用底部直径为1 m、高为1 m的圆桶模拟。单个模型试验材料铺设顺序依次为：10 cm厚压实黏土、直径1 m的GCL、10 cm厚压实黏土、20 cm种植土。材料铺设完成后，每个试验池对应称重20 g植物种子播种，浇水施肥，保证土壤水分充足和植物所需养分，待植物出芽后生长至一定高度，各试验池加入适量的水达到相同水位。

表3 模型试验编号

图2 模型试验现场图

当植物生长180 d趋于稳定，将6组试验池的水清空。A组试验池除去植物茎叶和覆土，保留根系穿透GCL部分，选取6个代表根系，记录植物根系直径，待做正常根系穿透的GCL渗透试验。B组试验池除去植物茎叶，记录植物初始根系直径，再套上遮光膜，待植物根系枯萎后取出根系穿透GCL部分，记录根系枯萎直径，待做枯萎根系下的GCL渗透试验。

2.2 渗透试验

渗透试验采用 GDS全自动环境岩土渗透仪，该仪器由渗透压力室、压力控制器、电脑 GDSLAB 测试软件组成，参照ASTM D6766-12[14]试验。为了避免溶液离子影响GCL渗透系数，渗透液采用去离子水。渗透试验仪器如图3所示。

图3 渗透试验装置

(1)试验材料制备。从A、B组试验模型组取出植物根系完全穿透GCL部分，将穿透部分的GCL裁剪成直径为300 mm×300 mm的方形材料，将70 mm直径的环刀放置在GCL试样上，沿环刀边缘裁剪GCL试样，除去植物根系穿透多余部分并上下封以502胶水，防止水从根系穿过影响测试结果。

(2)把裁剪完成的带根GCL试样，按照透水石、过滤纸、GCL试样、过滤纸、透水石的次序放置于玻璃容器中进行预水化处理24 h。

(3)取出试样放置渗透仓中，渗透仓围压分别设置为35、50、75、100、150 kPa。上水头压力30 kPa，下水头压力15 kPa，待压力稳定后进行渗透试验。为减少温度对渗透试验造成影响，试验均在20 ℃恒温条件下进行。

3 试验结果及分析

试验中穿透GCL试样根系均为1根，水生植物根系穿透GCL试样如图4所示。为表达实际工程中多根根系穿透GCL，用根系穿透率表示根系横截面面积与试样面积之比。

图4 根系穿透GCL试样

A组试验池(正常根系组)每种水生植物取6个代表根系，根系直径与根系穿透率如表4所示。B组试验池(枯萎根系组)每种水生植物取6个代表根系，根系枯萎前后直径与根系穿透率如表5所示。可以看出，根系枯萎后直径略小于枯萎前直径。这里的根系穿透率是根系枯萎前原始横截面面积与试样面积之比。

表4 A组试验池根系直径与根系穿透率

表5 B组试验池根系直径与根系穿透率

3.1 根系穿透率对渗透系数影响

不同围压下GCL渗透系数与根系穿透率的关系如图5所示。

由图5可知，3种植物根系作用下GCL渗透系数均表现出相同规律，即随着围压增大，三种植物根系作用下GCL渗透系数均减小。当围压从35 kPa增大至150 kPa时，再力花根系穿透作用下GCL最大渗透系数从4.13×10-8m/s减小至4.10×10-9m/s，减小了10.3倍。在35 kPa下，芦苇、香蒲根系作用下GCL最大渗透系数为9.62×10-8、1.05×10-7m/s，当围压增至150 kPa，芦苇、香蒲根系作用下GCL最大渗透系数为5.17×10-8、4.13×10-8m/s，减小了1.68倍、2.54倍。这是因为GCL中膨润土在低围压条件下孔隙比较大，随着围压增大，孔隙比逐渐减小，GCL防渗能力增强。

图5 不同围压下植物根系穿透率对GCL渗透系数影响

在围压一定条件下，当再力花、香蒲根系穿透率小于1%时，GCL渗透系数变化较小，渗透系数仍小于10-9m/s；当香蒲根系穿透率小于1.34%时GCL渗透系数均小于10-8m/s。但当再力花根系穿透率从约1%增至约2.5%，芦苇与香蒲根系穿透率从约1.35%增至约3%时，渗透系数曲线斜率突增，GCL最大渗透系数到达10-8m/s数量级，GCL抗渗性能逐渐失效。这是因为当植物根系穿透GCL，在相同围压下，根系对GCL起到支撑作用，使得根系远端GCL处于高应力区，根系近端GCL为低应力区。由于应力集中，GCL中膨润土从高应力区向低应力区转移，导致远端GCL膨润土厚度减小，近端GCL膨润土厚度增大。由于应力作用，膨润土从GCL与根系间空隙挤出。随着根系穿透率增大，近端GCL所受应力越小，膨润土挤出量增多，远端GCL进一步减薄，GCL渗透系数增大。当根系达到一定直径后，GCL渗透系数增大明显，致使渗透系数出现斜率突变现象。B组试验池有类似的规律。

3.2 根系状态对渗透系数影响

在围压50 kPa时正常状态与枯萎状态下GCL渗透系数与根系穿透率的关系如图6所示。

由图6可知，当根系穿透率小于1%，根系穿透率增大，再力花、芦苇不同根系状态下GCL渗透系数无明显变化；当根系穿透率小于1%时，根系穿透率增大，香蒲不同根系状态下GCL渗透系数亦无明显变化，均维持在10-9m/s数量级。这是因为植物根系穿透GCL形成破损，在渗透试验中根系穿透试样水化时破损周围的膨润土膨胀使破损部分逐渐愈合，破损直径减小。当破损直径较小时，水化后能完全愈合，致使渗透系数无明显变化[15]。

图6 不同根系状态下植物根系穿透率与GCL渗透系数关系

当根系穿透率约为1%、2.5%，在相同根系穿透率条件下，再力花根系枯萎状态下GCL渗透系数约为正常状态下的1.6倍、1.53倍；当根系穿透率约为1.5%、3%，在相同条件下，芦苇根系枯萎状态下GCL渗透系数约为正常状态下的1.26倍、1.34倍；当根系穿透率约为1.5%、3%，香蒲根系枯萎状态下GCL渗透系数约为正常状态下的3.13倍、1.36倍。因此，当根系穿透率大于1%，在相同条件下，3种植物根系枯萎状态下GCL渗透系数均大于正常状态，为正常状态下的1.26～3.13倍。

这是因为植物根系枯萎分解转化成腐殖质，促使土体中的团聚体结构增加，降低了土壤容重；同时，植物根系在膨润土中枯萎分解后形成的孔道，增加了非毛管孔隙的数量，增大了膨润土透水性，使得根系枯萎状态下GCL渗透系数较正常状态下明显增大。其他围压作用下有类似规律。

3.3 根系种类对渗透系数影响

在围压50 kPa时根系种类对GCL渗透系数影响如图7所示。

由图7可知，当根系穿透率小于1.5%，香蒲、再力花、芦苇根系作用下GCL渗透系数均小于10-8m/s。说明穿透率较小时，根系类型对GCL渗透系数影响不明显。当植物根系穿透率大于2.5%，再力花根系作用下GCL最大渗透系数为2.91×10-8m/s，香蒲、芦苇根系作用GCL最大渗透系数接近10-7m/s，说明再力花根系穿透对GCL防渗性能影响小于香蒲、芦苇。

图7 不同根系种类下植物根系穿透率与GCL渗透系数的关系

当枯萎根系穿透率小于1%，根系类型对GCL渗透系数影响也较小，但随着根系穿透面积增大，再力花枯萎根系作用下GCL最大渗透系数远小于香蒲、芦苇。不同水生植物在生长过程需要不等的养分，当植物根系深入GCL中时会吸收其中膨润土元素，使得相同直径穿透下GCL渗透系数存在差异。在相似根系直径条件下，3种挺水植物对GCL渗透性能影响程度表现为：香蒲、芦苇根系对GCL渗透性能影响程度相当，再力花根系对GCL渗透性影响较小。因此，可以将再力花作为生态防渗工程的首选植物。

4 结论

通过对再力花、芦苇与香蒲根系作用下的GCL渗透试验，得出以下结论。

(1)在相同围压，3种植物根系作用下GCL渗透系数随根系穿透率增大而增大。再力花、芦苇和香蒲根系穿透率小于1%时，GCL最大渗透系数小于10-8m/s，依然保持较好的防渗能力。但随着植物根系穿透率继续增大，膨润土自愈能力逐渐减弱，3种植物根系作用下GCL最大渗透系数达到10-7数量级，GCL防渗能力开始失效。

(2)围压为50 kPa时，当植物根系穿透率大于1%，在相同条件下，3种植物枯萎根系GCL渗透系数较正常状态下增大了1.26～3.13倍。

(3)对比3种植物根系作用下对GCL渗透性影响，再力花在不同根系状态下，对GCL抗渗性能影响程度小于芦苇、香蒲。