一種可監測多材料聯合防滲體系的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可監測多材料聯合防滲體系，屬于防滲技術領域。
【背景技術】
[0002]壓力滲流在滑坡、潰塌、泥石流等地質災害中起著顯著的作用，滲透過程不僅溶蝕帶走了巖土中的膠體物質和細顆粒、致使其酥松，還對巖土體具有滲壓推動、浮托、潤滑等負面效果。國際大壩委員會(Internat1nal Committee on Large Dams)曾對全世界的堤壩潰決災難進行統計分析，認為滲流異常是堤壩滑塌的最主要誘因。據中國水利部統計，自1954年有記錄以來，我國已經發生大壩潰決事故3515次，其中小型土石壩因漫頂、滲透破壞導致的的潰壩占比超過98%，如2013年新疆聯豐水庫、黑龍江星火水庫、山西曲亭水庫等相繼潰壩，均造成了顯著的人員傷亡和經濟損失。
[0003]迄今國內外的防滲技術大同小異，主要包括:充填灌漿或帷幕灌漿，以混凝土、粘土、自凝灰等為主體的各種防滲(截水)墻，高壓旋噴或擺噴灌漿，土工膜或面板鋪蓋，蓋重壓滲等等。在近四十年防滲研究的過程中，項目組注意到:由于傳統技術在防滲方案的研究、比較選擇時，均未考慮建筑材料的互損劣化及細觀演變趨勢，導致堤壩及其基礎在防滲加固后或者單位投資太高、或者防滲體壽命太短，總體效益普遍很低，每次花費數百萬?數千萬元的維修資金，卻只能在幾年內使滲透及抗滑指標達到標準，遠不能達到工程經濟壽命(50年以上)的設計要求。紅土(laterite)或稱紅粘土，在濕熱多雨地區廣泛存在，我國主要在云貴、兩廣、海南等省區大面積分布。紅土呈弱酸性，其物理力學的支撐物質主要是Si02、Fe203、Al203、Ti02等。項目組近期的研究表明:水泥、石灰等堿性加固材料不僅能與紅土中硅、鐵、鋁、鈦的氧化物發生互損劣化反應，還會破壞紅土粘聚力所必須的酸性水介質、導致其顆粒解構和材料離散化，這無疑就是在紅土地基和紅土類工程上使用傳統防滲技術，其效益太低的根本原因。防滲工程的建造及加固不僅要考慮投資、效果等短期因素，還應當重視材料之間的相互作用、細觀結構在環境作用下的劣化演變、不同材料接觸面的化學降解物理離析等等長期因素，否則不僅難以根治普遍存在的異種材料界面滲漏病害，更難以解決中小型工程中防滲體的性價比太低、維修投資過高、整個工程的正常運行周期太短等難題。
[0004]國內外在防滲體相關領域的研究主要集中在五個方面。⑴紅土的顆粒演化與級配設計:學者們或者分析紅土的成因，或者討論紅土的團粒結構及相互耦合，或者研究反濾料的設計和級配分析方法，或者探究顆粒級配對壓實度的影響……。⑵異種材料接觸界面的滲流與穩定:有科技人員研究了接觸界面的力學性質，有的則討論差別較大的材料接觸面的摩阻力和剪切特性……。⑶防滲與加固:有學者著眼于滲水裂隙對粘土凝聚力的影響研究，或者分析水-土作用機理，或者討論防滲設計方法，或者針對防滲體的性能評價技術進行研究，或者分析庫水位與浸潤線的關系......。⑷與施工相關的工藝:例如有的科技人員研究了高壓噴射的工藝和質量控制方法，有的探討了軟土的加固工藝，有的則為簡化施工工藝而對防滲墻的材料進行了分析……。(5)抗震性能與指標:有學者對防滲墻深度與抗震穩定性的關系進行了分析，還有學者分別探討了地震時土的動力特性與液化現象……。上述在防滲體相關領域的研究，都是針對“單一防滲材料”進行的性能、應用、修復等方面的仿真和試驗分析結論，未檢索到與多材料聯合防滲體系相關的研究信息。
[0005]在國家自然科學基金項目(50869003、41462013、51069003)、云南省應用基礎研究計劃重點項目(2013FA033)，云南省自然科學基金(1991E016Q、1995Y1016、1997E047M、2010ZC048)，以及云南省教育廳(10968221、10978057)，昆明理工大學創新團隊(14098193)、精品課程(10968137)等多次立項資助下，本項目組經過長期研究認為，使用單一材料構成的防滲體都存在著明顯的壽命缺陷:粘土心墻、斜墻對易溶蝕顆粒級配的依賴很大，防滲效果較差，且較低烈度的有感地震就會造成松弛離析或斷裂；混凝土、石灰、自凝灰等材料屬于強堿性物質，其構成的防滲墻不僅造價和技術要求高，且會與酸性的紅土主體發生化學反應而破壞接觸界面、造成大量細微管涌；土工膜太薄，不僅難以抵御數十年動植物的啃咬撕裂，更難以適應固結、地震后紅土的不均勻沉陷形成的膜后較大架空……。因此，對防滲體實施大面積有效的密集監測、并采用多種材料進行聯合防滲勢在必行。本項目組弄清了紅土防滲體的非正常劣化因素，獲知了水泥等強堿對紅土材料的侵蝕，提出了傳統防滲體返修期太短、難以達到設計壽命的根源，明晰了較為長期的材料互損演變機制，發明了光纖土工膜并獲得了 3項專利授權，較多研究論文已在《巖土工程學報》、《巖石力學與工程學報》、《建筑材料學報》、《水力發電學報》、《Advanced Materials Research》、《AppliedMechanics and Materials》等等國內外權威期刊上發表，并被SC1、El等國際著名檢索機構收錄。研究成果表明:迄今紅土地基和堤壩采用的防滲抗滑技術和加固材料都存在明顯的缺憾，由于化學反應、力學效應、水土作用等因素的長期聯合侵蝕，這些缺陷僅僅依靠材料篩分、結構碾壓、反濾排水、加筋充填等傳統措施顯然都無法根治。實際上，短周期內反復對防滲體進行加固治理，已經在許多紅土工程上造成了巨大的浪費，并且形成了制約該領域繼續發展的瓶頸。因此，研究不僅具有相應強度、而且能夠抵御環境侵蝕、便于大面積密集監測的多材料聯合防滲體系，已經成為十分緊迫的任務。為此本項目組2014年專門申請并獲準了國家自然科學基金項目:滲流誘發紅土滑坡的防滲新模式探索，項目批準號:41462013。
[0006]傳統的各種防滲抗滑技術，其共同缺陷可歸結為:①傳統防滲體存在明顯缺陷、不能承受環境水土的長期侵蝕，因此遠不能達到設計壽命防滲加固材料存在重要缺陷，其與紅土等酸性巖土體互相破壞，是造成堤壩及其基礎在短期內反復維修、越修越漏、誘發邊坡滑塌和潰壩的根源；③鋪蓋和灌漿形成的防滲體較薄，容易在有感地震時出現斷裂，且滲透破壞的發展很快；④防滲體現有的監測設施不完善，傳感器布置的間距太大且與防滲體的親和性太差。各種環境侵蝕都是由外至內逐漸發展的，若能將傳統防滲體與腐蝕物質相隔離，則長期侵蝕問題即可迎刃而解。土工膜屬于價格低廉的耐酸堿柔性防腐材料，除了具有施工簡便、修補快捷等優勢，其耐久性也已經超過了土石堤壩的設計經濟壽命。土工膜的主要缺陷是:⑴強度太低，墊層的平整度和穩定性在很大程度上決定了土工膜是否長壽；⑵不能及時確定堤壩內部的破損部位，由此將喪失寶貴的搶險時間。
[0007]前述第⑴個問題，可選用具有高強度且能適應巖土結構變形的抗力過渡材料一碳纖維布來解決。碳纖維布是一種價格相對低廉的高強度柔性材料，其抗拉強度彡3200MPa，高于鋼材；比重2.0?3.0g/cm3，不到鋼材的一半；最小厚度僅0.2mm左右。這種材料耐酸堿腐蝕、抗磨損和刺穿，適宜在惡劣環境中長期服役；可任意剪裁、易于搭接粘結，且能適應巖土體的不均勻沉陷或固結變形，目前已經大量應用于建筑工程之中。前述的第⑵個關鍵技術，課題組在已經結題的項目中獲得了實質性進展，發表了相關成果，獲準了“光纖土工膜”的發明專利權，能夠實現防滲體的實時大面積密集監測。
[0008]地震和長期滲流極易使紅土類地基和堤壩出現裂隙、內部架空。本發明設計的防滲方案為:以粘土或混凝土作為內置傳載體，將抗滲面傳來的各種荷載傳遞給主體結構；以碳纖維布保持傳載體斷裂后的基本形體及傳載功能，并為土工膜提供均勻抗力和平整的墊層；以光纖土工膜抗滲