新型环保材料在水利工程防渗处理中的试验研究

1 水利工程防渗处理的理论基础与技术需求

水利工程防渗处理的核心理论建立在流体力学与土力学的基本原理之上。根据达西定律，渗流速度与水头梯度成正比，与介质渗透系数直接相关，其数学表达式可表示为：

v=k⋅i

其中， u 为渗流速度， k 为渗透系数，i 为水力梯度。这一公式揭示了防渗材料性能评价的关键指标——渗透系数的决定性作用。在实际工程中，还需考虑材料与土体接触面的界面效应，以及长期水压作用下的蠕变特性，这些因素共同构成了防渗系统设计的理论基础。

从技术需求角度看，现代水利工程对防渗处理提出三重标准：首先是工程性能要求，材料需具备低渗透性（通常要求渗透系数低于 cm/s ）和足够的机械强度；其次是环境适应性，需耐受酸碱腐蚀、冻融循环等复杂工况；最后是可持续发展要求，包括原材料获取、施工过程及废弃处理全链条的环保性。正如袁江长所述，“ 新型防渗材料对提高水利工程的安全性、可靠性有科学依据” [3]，这一观点在2025 年水库除险工程实践中得到验证。

当前技术需求呈现三个显著特征：一是差异化需求日益突出，如高寒地区要求材料具备抗冻胀性能，而南方多雨地区则更关注耐水解特性；二是全生命周期评估成为必要环节，传统仅关注施工阶段成本的理念已转变为综合考虑材料生产、运输、施工及退役处理的完整成本链；三是智能化施工需求增长，通过传感器实时监测材料变形与渗透状态，实现防渗系统的动态调控。周峰的研究证实，“ 灌浆技术在提升水利工程防渗效果方面具有重要作用” [4]，这一结论同样适用于新型环保材料的施工工艺优化。

环保材料的引入为满足这些技术需求提供了新思路。以生物基聚合物为例，其分子结构中的活性基团可通过化学键合作用降低孔隙率，同时天然成分赋予其可降解特性。矿物复合材料则利用层状硅酸盐的离子交换能力，在保持低渗透性的同时增强环境稳定性。Yasaman Abdolvand 指出 “， 研究者正不断寻找新的环保稳定方法来改善土体工程性能” ，这一趋势在防渗材料研发领域表现尤为明显。

2 新型环保材料的试验设计与性能分析

2.1 试验材料与方法设计

为系统评估新型环保材料在水利工程防渗处理中的实际性能，本研究选取生物基聚合物与矿物复合材料作为核心试验对象，同时设置传统沥青混凝土作为对照样本。试验设计严格遵循水利工程防渗技术规范，并充分考虑实际工程中的复杂工况条件。

在材料选择方面，生物基聚合物采用甘蔗渣纤维与聚乳酸复合而成，其天然植物成分占比超过 60% ，具备可降解特性；矿物复合材料则以膨润土为基础，通过纳米二氧化硅改性提升其抗渗稳定性。两类材料均通过ISO14040 生命周期评估认证，生产过程碳排放较传统材料显著降低。对照组的沥青混凝土样本按照现行水利行业标准制备，其配比参数参照典型水库防渗工程案例。

试验方法采用多因素正交设计，主要考察三类变量：一是环境因素，包括 pH 值3-9 的酸碱溶液模拟不同区域地下水环境，以及 5-25^∘C 的温度梯度覆盖我国主要气候区；二是力学因素，设置 0.2-0.8MPa 水压范围对应中小型水利工程的常见工况；三是时间因素，通过加速老化试验模拟材料在5 年服役期内的性能演变。测试指标重点包括渗透系数、抗压强度、体积变化率及生物降解率四项核心参数。

渗透性能测试参照《土工合成材料渗透试验规程》，采用变水头渗透仪测定材料在不同水压下的渗透系数变化。为模拟实际工程中的界面渗流效应，特别设计了土体-材料复合试样，测试接触面在循环水力荷载下的稳定性。耐久性试验则通过酸碱交替浸泡与冻融循环（ -20^∘C 至 20^∘C ）相结合的方式，评估材料在极端环境下的性能衰减规律。所有试验均设置三个平行样本以确保数据可靠性。

2.2 环保材料防渗性能的试验结果与分析

试验结果表明，新型环保材料在防渗性能方面展现出显著优势。生物基聚合物在标准测试条件下（0.5MPa 水压、中性 pH 环境）的渗透系数较传统沥青混凝土降低约两个数量级，且其性能稳定性随水压波动变化较小。当水压从 0.2MPa 提升至 _0.8MPa 时，生物基聚合物的渗透系数增幅不足15% ，而对照组沥青材料则出现近 40% 的性能衰减。这一特性使其特别适用于水位变化频繁的水库除险工程。

矿物复合材料在酸碱环境适应性方面表现突出。在 pH=3 的酸性溶液中浸泡 30 天后，其抗压强度仅下降 8.7% ，远低于沥青混凝土 32% 的强度损失率。X 射线衍射分析显示，纳米二氧化硅改性形成的三维网状结构有效阻隔了氢离子侵蚀，这是其耐酸性能提升的关键机制。值得注意的是，在模拟南方酸性土壤环境的复合试验中（ pH=4.5+ 循环水压），矿物复合材料仍能保持稳定的低渗透性，满足水利工程防渗设计标准。

界面渗流测试揭示了材料与土体协同工作的重要性。生物基聚合物因表面富含羟基，与黏土颗粒间形成氢键结合，使接触面渗透系数降低至材料本体的 1.2 倍；而传统沥青材料因热膨胀系数差异，界面渗透系数可达本体的 3 倍以上。这一发现为实际工程中防渗层与地基的衔接处理提供了重要参考，2025 年广东某水库除险工程应用证实，采用生物基聚合物可减少 50% 以上的接缝处理工序。

耐久性试验数据显示，经过 300 次冻融循环后，矿物复合材料的体积变化率控制在 0.8% 以内，其层状结构能有效吸纳水分结晶产生的膨胀应力。对比组沥青材料则出现明显龟裂，渗透系数上升两个数量级。加速老化试验模拟5 年服役期后，环保材料的生物降解率均低于 5% ，表明其在工程寿命期内能保持结构完整性，而服役期满后的自然降解特性又避免了传统材料拆除后的环境污染问题。

3 结论

本研究通过系统试验与工程验证，得出以下核心结论：新型环保防渗材料在技术性能与环境效益方面均显著优于传统材料。生物基聚合物凭借其优异的渗透稳定性和施工便捷性，特别适用于水位波动频繁的中小型水库；矿物复合材料则因其卓越的耐酸碱特性，成为工业区水利工程的首选方案。两类材料在加速老化试验中均表现出良好的耐久性，且服役期满后的可降解特性有效解决了传统材料的环境遗留问题。

参考文献

[1] 张洪建.水利工程中新型环保材料的应用与效能研究[J].《中文科技期刊数据库(文摘版)工程技术》,2025,(2):079-082.

[2] Jihui Ding.Analysis of Influencing Factors of Silt Solidified Soil in Flowing State[J].《World Journal of Engineering and Technology》,201 9,(3):455-464.

[3] 袁江长.水库坝体渗漏风险评估及新型防渗材料的应用研究[J].《中文科技期刊数据库(引文版)工程技术》,2025,(3):124-127.