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GCL 防渗性能及其在填埋场中的应用 王 勇 上海市固体废物处置中心, 上海 201815 摘要 膨润土防水毯 geosynthetic clay liner, GCL 由于其具有防渗性能优越、施工方便等优势, 近年来在填埋场防渗衬垫 系统中广泛应用。 根据GCL 自身环境土工特性, 结合城市固体废物填埋场防渗工程案例, 从防渗性能、施工工艺等方 面, 介绍了 GCL 在填埋场中的应用。 关键词 填埋场; 膨润土防水毯; 防渗性能; 施工工艺 THE IMPERMEABILITY OF GCL AND ITS USE IN LANDFILL SITES Wang Yong Shanghai Solid Waste Disposal Center, Shanghai 201815, China Abstract The geosynthetic clay liner GCL has been widely used in the liner system for landfill sites recently due to its excellent impermeability and simple construction etc.It was presented the use of GCL in landfill sites from impermeability, construction technique etc, combined with case histories of urban solid waste landfill sites, and according to the characteristics of GCL. Keywordslandfill site; GCL; impermeability;construction technique GCL 的英文全称为 geosynthetic clay liner ,它是由 上下两层不同的土工布 有纺布与无纺布 中间加上 天然钠基膨润土 ,经过针织加固而成的 ,如图 1 所示 。 图 1 GCL 构造示意 采用GCL 作为HDPE 膜的辅助防渗层, 相对于其 他防渗材料,具有防渗性能优越、 施工方便、 增加库容 等优势 ,可充分弥补单一的HDPE 膜防渗缺陷引起的 渗漏问题; 同时对地下水较高地区, 可有效降低地下 水潜在污染的可能性 。尤其对危险废物安全填埋场, 采用GCL 作为压实黏土的替代材料 , 不仅可以节省 压实黏土占用的库容 ,还可增加防渗衬垫系统的安全 性,显著提升填埋场的经济效益和环境效益。 GCL 在填埋场防渗衬垫结构中的应用 ,需从防渗 性能 、 施工工艺等方面进行综合考虑 。本文根据 GCL 的防渗特性 , 探讨了 GCL 在填埋场防渗衬垫系统设 计时需要考虑的技术问题 ,结合已建填埋场防渗衬垫 设计的实践经验 ,介绍了 GCL 在填埋场防渗衬垫技 术中的应用 。 1 GCL 防渗特性 1. 1 单一GCL 防渗性能 GCL 遇水膨胀后形成一层致密胶凝体 ,渗透系数 可达110 -9 cm s,此时通过其中的渗漏量可采用达 西公式进行计算。按照 JG T193-2006钠基膨润土 防水毯标准 , 填埋场防渗所选用的 GCL 渗透系数 应4 800 g m 2 , 其 厚度6 mm。据此 ,可以根据达西理论 , 推算单位水 头作用下, 通过单位面积GCL 的渗漏率 ,见式 1 Q kgigkg h Dg 1 其中 kg为 GCL 渗透系数 ,取 5. 0 10 -9 cm s; ig为单 位水头作用下通过GCL 的水力梯度 ; Dg为 GCL 的厚 度; h 为单位水头高度,此处取1 m。 经式 1 计算得 Q 5. 0 10 -11 1 0. 006 86 400 98 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 7. 210 -4 m3 d 将上述标准计算条件下, 通过 GCL 的渗漏率称 为标准渗漏率 。据此, 可将 GCL 的标准渗漏率作为 防渗控制条件, 折算其他防渗替代材料所需要的性能 参数。这里以压实黏土为例, 推算相应的黏土厚度, 见式 2 、 式 3 Q kgigkcic, ig h Dg , ic h Dc 2 kg Dg kc Dc 3 其中 kg、kc分别为GCL 和压实黏土的渗透系数; Dg、 Dc分别为 GCL 和压实黏土的材料厚度 。 由式 3 可见 ,在相同防渗标准控制条件下,防渗 材料厚度与防渗材料渗透系数的大小成正比 ,即渗透 系数越小 ,所需要的防渗材料厚度越小 。按照压实黏 土的渗透系数控制标准 , 取 kc1 10 -7 cm s 实际 施工控制条件下很难达到 , 若需达到与6 mm厚 GCL 同等的防渗标准 ,所需要的黏土厚度见式 4 Dc1 10 - 9 5 10 - 110. 006 0. 12 m 4 按照现有的压实黏土施工工艺 ,填埋场防渗黏土 实际能达到的渗透系数仅为 110 -6 cm s,此时所需 的黏土层厚度约为1. 2 m 。即6 mm厚 GCL 的防渗效 果大致与 1. 2m 厚的压实黏土相当。 1. 2 单一 HDPE 膜防渗性能 为进一步比较GCL 作为复合防渗材料的性能优 势,首先需对单一HDPE 膜的防渗性能进行分析。对 完整无损的 HDPE 膜, 其渗透系数很低, 其渗漏类似 于水蒸气穿过防渗膜所发生的分子损失 ,由此引起的 渗漏通常可以忽略不计。但对 HDPE 膜 ,由于质量缺 陷或施工焊接缺陷, 往往会产生许多大小不一的渗漏 小孔 ,是引起HDPE 膜渗漏的主要因素。 假设衬垫上的水头 h 为常量, 而防渗膜下覆材 料的渗透性相对防渗膜很大, 对防渗膜上小孔的渗漏 量没有阻力,导致从防渗膜渗漏下来的渗沥液快速渗 流至其他区域。若小孔的形状和大小已知,可用伯努 利方程估算穿过防渗膜上孔的渗漏率, 单位面积上的 渗漏率可以用式 5 计算 Q nCba2gh A 5 其中 Q 为单位面积上的渗漏率 ; Cb为渗透系数, 对 圆孔情况大约为 0. 6; a 为土工膜中一个圆孔的面积, g 为重力加速度 , h 为衬垫上渗沥液水头高度 , n 为孔 洞数 , A 为防渗面积。 按标 准的 防渗膜 施工 质量 控制 标准 , 约每 4 047 m 2上有一个面积为1 cm2的渗漏孔洞, 在上覆渗 沥液水头1 m的情况下, 按此计算的渗漏率为 5. 68 10 -3 m d。 1. 3 HDPE 膜和GCL 的复合防渗性能 在HDEP 膜和GCL 组成的复合防渗衬垫系统中, 主防渗HDPE 膜下面为低渗透性的 GCL ,其防渗效果 主要取决于主防渗膜及下覆衬垫之间的防渗性能。 复合防渗衬垫的渗漏机制为 滞留的渗沥液处于复合 衬垫的防渗膜上面 ,如果防渗膜有缺陷 , 渗沥液首先 通过防渗膜的缺陷, 然后通过防渗膜与低透水性材料 间的一段空间, 最后进入并通过GCL 层 。 单位面积上的渗漏率计算见公式 6 Q nCqa 0. 1h0. 9k0. 74 g A 6 其中 Q 为单位面积上的渗漏率; a 为土工膜中一个 圆孔的面积 , h 为衬垫上渗沥液水头高度 , kg为下覆 GCL 的渗透系数, n 为孔洞数 , A 为防渗面积。 Cq为 界面接触质量因子, 对接触较好的条件下 防渗膜褶 皱尽可能少 ,下覆GCL 质量及铺设较优, 接触表面光 滑 , Cq取 0. 21; 对接触较差的条件下 防渗膜铺设有 一定的褶皱 ,下覆GCL 铺设质量较差 ,接触表面也不 光滑 , Cq取1. 15。 按标 准的 防渗膜 防渗 质量 控制 标准 , 约每 4 047 m 2上有一个面积为1 cm2 的渗漏孔洞, 在上覆 1 m水头的情况下, 下覆防渗材料为低透水性的 GCL kg≤510 -9 cm s 时 ,按此计算的渗漏率为接触较 好时 4. 25 10 - 8 m d、 接触较差时 23. 2910 - 8 m d。 1. 4 防渗性能综合比较 根据以上计算分析, 在标准设计条件和施工质量 控制前提下 , 单一 GCL 、单一 HDPE 膜、以及 HDPE 膜 GCL的复合防渗衬垫系统的渗漏率如表 1 所示。 由表 1 可知 ,单从渗漏率看, 上述几种防渗层结构抗 渗漏性按优越性依次为 复合防渗衬垫系统、单一 GCL、单一 HDPE 膜。 单一GCL 的防渗性能要比单一 HDPE 膜的性能 优越, 其渗漏率仅为单一 HDPE 膜防渗时的 13左 右。在防渗膜有缺陷的情况下 ,通过 HDPE 膜 GCL 的复合防渗衬垫的渗漏率明显低于单层防渗衬垫上 有相似缺陷的防渗膜渗漏率 , 其渗漏率要低 5 个数 量级 。 99 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 表 1 GCL 防渗性能比较 防渗材料单一GCL单一HDPE 膜H DPE 膜 GCL 渗沥液水头 m0. 30. 30. 3 主防渗层厚度 mm61. 51. 5 渗透系数 cm s-15 10- 91 10- 13110- 13 圆孔面积 c m211 4 047 m2上圆孔个数 个11 渗漏率 m d- 17. 24310- 45. 68110- 3 4. 2510- 8 接触较好时 23. 2910- 8 接触较差时 因此, 采用GCL 作为 HDPE 膜的辅助防渗层, 构 成安全度更高的复合防渗衬垫系统 ,其防渗效果是安 全可靠的 。 2 GCL 与其他防渗材料的综合比较 2. 1 GCL 对 HDPE 膜的互补性 在填埋场防渗衬垫系统中使用 GCL, 不是要取代 HDPE 膜, 而是与之配合共同使用, 形成一个防渗效 率更高复合防渗层, 以弥补单一 HDPE 膜防渗存在 不足 。 1 弥补 HDPE 膜孔洞缺陷。弥补土工膜铺设完 成后以及填埋作业期间产生破洞的不足 。根据美国 环境土工学会的研究文献说明 ,每10 000 m 2的 HDPE 膜, 平均会有 26 个破洞 大小不一 , 其中 15是 HDPE 膜的自身孔眼, 69是出现在搭接的焊缝上 。 一旦发生沿破洞产生的渗漏,GCL 的高膨胀性和自愈 合功能将发挥作用, 弥补 HDPE 膜铺设完成后以及填 埋作业期间产生破洞的不足, 确保防渗结构的连 续性 。 2 有效解决 HDPE 膜老化 、干湿冻融破坏问题。 由于HDPE膜是石油副产品, 会有老化问题, 其抗干 湿冻融破坏能力也较差, 而 GCL 作为天然防渗材料, 不存在老化问题 ,抗干湿冻融破坏能力较好。 3 GCL 施工安全可靠性更高 。HDPE膜的施工对 设备及技术要求比较高 , 而 GCL 的铺设只需按照标 准进行搭接,施工简便,可操作性较好。 4 有效解决地基不均匀沉降引起的变形问题。 由于HDPE 膜通过焊接形成整体结构, 当地基不均匀 沉降过大时, HDPE 膜内部应力逐渐加大 , 在一些焊 接部位或突变部位将产生应力集中 ,如果应力过大就 会造成膜的撕裂。而对 GCL 而言 , 由于采用自然搭 接无需焊接或粘结 ,在遇到不均匀沉降时 ,可以充分 利用搭接缝的搭接宽度, 允许适量滑移来释放应力, 从而不会发生撕裂破坏。此外 ,GCL 接缝处由于膨润 土膨胀的自愈性 ,不会受到滑移变形的影响 ,所以该 处的渗透系数与其他部分一致 , 保证了防渗的连 续性 。 5 接触界面稳定性的安全保障 。采用双楔体分 析方法分析边坡复合衬垫系统的抗滑稳定性 ,选用满 足界面摩擦角要求的 GCL, 以保证边坡防渗衬垫系统 的稳定性。 2. 2 GCL 对压实黏土的替代性 由于GCL 具有防渗性能优越、占用空间小 、 施工 方便等特点 ,有逐渐取代或部分取代压实黏土作为防 渗辅助层的趋势 。相对压实黏土,GCL 在以下几方面 更具有优势 1 防渗性能。一般压实黏土的渗透系数在 1 10 -5 ～ 110 -7 cm s, 大部分压实黏土的渗透系数达 不到安全防渗标准, 只有细粉土质黏土等优质黏土经 过严格的施工碾压后, 才可达到 110 -7 cm s的防渗 标准 ,其与 GCL 的防渗性能相差几十甚至几百倍 。 2力 学 性 能。 黏 土 层 的 应 变承 受 能 力 较 小 ≤1 , 而且受干湿冻融循环影响较为明显 , 而 GCL 的应变承受能力较大 ≥ 10 ,而且不受干湿冻 融循环的影响, 能满足大多数填埋场的应用要求。 3 施工工艺 。黏土是需要夯实的 ,大部分地方寻 找足够数量而且合乎规格的黏土比较困难,在施工时 又需要大量的水来维持其潮湿度,受气候条件影响较 明显, 施工周期也较长 , 而且需要大量的品质管理测 试。相比而言,GCL 是成形产品 ,可随时安装, 安装快 速,受气候条件影响较小 ,无需特别的技术工人和设 备,而且品质管理测试简单容易。 4 节省空间 。使用 GCL 所节省的空间可以增加 填埋场的有效容量 ,从而增加营运收入 , 这在安全填 埋场处理危险废物中更为明显 。 5 成本更优。黏土层给人的直感是便宜的, 但是 考虑到土源、 搬运、 施工、 品质管理测试等综合因素,尤 其是在优质黏土匮乏的地区,GCL 更合乎成本效益。 3 GCL 施工工艺 3. 1 场地要求 当GCL 直接铺设在地面上时, 地基表面必须严 格遵照工程规范要求施工 , 完成施工的地基必须坚 固,没有突然的高度变化 、 空鼓 、 裂缝 、 结冰、 积水。地 基土不得出现大颗粒土或砾石 ,在高标准要求的工程 中,地基土中应 当有 80的颗粒通 过0. 25 mm 的 筛子 。 100 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 地基表面必须平滑, 没有植物 、 尖石 、 石子 、 木棍、 施工碎片以及其它有可能损坏GCL 的异物, 12 mm 的地面凸起也要铲碎或压实。 3. 2 安装铺设 可行的铺设方法是推土机向后行驶 ,将吊前推土 机前端的GCL 铺开 。如果推土机在地基土上留下了 车印,应在铺设工作继续前恢复原状 。可能损伤到 GCL 的施工设备不能直接作用在 GCL 上 。 如果有足够的空间, 可以采用将 GCL 在坡顶由 吊车吊起 ,然后由一组工人沿斜坡方向向下拉展 GCL 的铺设方式。GCL 不能以在坡顶向下自由滚落的方 式铺设。铺设GCL 时尽量减少GCL 的在地基上的拖 拉,以免引起GCL 与地面接触面发生损坏。 GCL 的铺设和搭接应当与斜坡倾斜的方向平行, 如果坡度4∶ 1, 在距坡顶或坡底1 m内,GCL 不能有 横向搭接。所有的 GCL 应当平铺在地面上 , 不能有 任何弯曲或褶皱 ,尤其是GCL 边缘暴露的地方。 GCL 不能在有积水或下雨时施工 , 当天铺设的 GCL 上必须覆盖回填土、土工膜、或者临时的防水油 布。GCL 不可以无遮盖过夜。如果 GCL 在无遮盖情 况下水化 ,有必要换掉水化的部分 。 3. 3 锚固回填 锚固沟的前端应当为圆形 , 不能有任何尖角, 锚 固沟内的松软土层应当被移除或夯实。GCL 必须完 全延伸到锚固沟的底部, 但不必延伸到锚固沟的后 墙。GCL 放置在锚固沟后, 必须采用回填土的方法来 固定 。回填土不应使用有棱角的石块等容易使 GCL 破损的土质。回填土颗粒的大小、均匀程度以及化学 兼容性都应当满足规范要求, 回填土的颗粒大小 以 25 mm为佳 。 应使用压力最小的机械设备放置回填土 ,在回填 过程中 , 应当始终保证 GCL 与机械设备间有最少 300 mm的土层 。在交通密集的地区 , 回填土的厚度 不应600 mm 。最终的回填土层厚度根据不同的情 况有所不同 ,但不应 300 mm, 以保证提供一定程度 的压力承载,防止因设备引起的损坏,侵蚀等 。 回填过程中注意防止回填土进入两层搭接的 GCL 中间 ,在斜坡上施工时, 应当从下至上的放置回 填土,以减少作用在 GCL 上的压力。当 GCL 上需要 铺设毛面的土工膜时 ,为减小摩擦 ,可在 GCL 与土工 膜之间铺设一层临时性的土工合成物, 以使毛面土工 膜比较容易移动到合适位置上 。 3. 4 搭接控制 GCL 的搭接方式是将两块 GCL 的末端重叠搭 接。要防止松软土或碎石进入搭接区,在搭接处要使 用膨润土粉加强防漏 。搭接时要注意 GCL 完全覆盖 在地面上没有空隙, 以防止地基土进入搭接区 。GCL 纵向搭接长度不能小于 150 mm , 横向搭接长度不能 小于600 mm 。 使用膨润土加强防漏时 , 先将两块 GCL 搭接好, 再掀开上面一块 ,然后将膨润土连续均匀的撒在 GCL 末端150 mm宽的带形区域内 。 3. 5 破损修补 如果GCL 在安装过程中损坏 撕裂、刺穿等 , 可 以从一卷新的GCL 上切割一块“补丁”盖在破损的地 方来进行修补。补丁的四边距离破损的地方长度不 能300 mm , 铺放“补丁”前应在破损周围撒一些颗 粒状膨润土或膨润土浆 。如有必要也可以使用一些 粘合剂以防止“补丁”移位 ,或者在破损的地方下面垫 一小块GCL 。 4 GCL 应用案例 我国沿海地区地基土的典型特点是 淤泥质黏土 层较厚、 含水量较高、 地下水位较高,如果防渗系统做 得不好,存在潜在的地下水污染风险。针对上述问题 , 为有效解决地下水过高引起的防渗安全问题 ,类似填 埋场设计中均采用GCL 作为辅助防渗的复合防渗结 构,少数标准较高的安全填埋场还设计了双层复合防 渗衬垫结构。典型案例所采用的防渗体系见表 2。 表 2 GCL 应用案例 工程名称库底防渗结构边坡防渗结构 上海市固体废物处置 中心一 期 库区 工程 安全填埋场 HDPE 膜 GCLHDPE 膜 上海市固体废物处置 中心一期库区扩建工 程 安全填埋场 HDPE 膜 GCL HDPE 膜 GCL HDPE 膜 GCL HDPE 膜 上海老港填埋场四期 工程阶段二库区 HDPE 膜 GCL HDPE 膜 HDPE 膜 GCL HDPE 膜 5 结论与建议 1 单从GCL 的防渗性能看, 在标准施工质量控制 下,GCL 的防渗性能要优于HDPE 膜,也要优于常用的 压实黏土。采用 HDPE 膜 GCL 的复合防渗衬垫结 构,其渗漏率相对单一防渗结构有较大程度地降低。 下转第108 页 101 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 具有潜在活性玻璃相的生成,很好的改善钢渣易磨性。 4 电子束辐照改质对钢渣易磨性的影响 王怀法 [ 3] 等研究了电子束辐照对石英等几种颗 粒材料磨碎细度的影响, 试验结果证明 电子束辐照 可以大幅度提高细粒级的产率 ,辐照剂量700 kGy时, 石英磨碎产品中 45 μ m粒级产率提高了 13. 7, 铁 矿石则表现为辐照后粗粒级产率明显降低 。所以借 鉴电子束在选矿中的应用 ,将电子束应用于钢渣的易 磨性改善。辐照条件及参数见表 3。辐照结果见图 7、图 8。 表 3 钢渣试样辐照条件及参数 项目辐照剂量 kGy时间 s单位辐照量 Gys- 1 0渣样 00 0 1渣样550100 2渣样10100100 3渣样 50500100 4渣样 1001 000100 5渣样3003 000100 6渣样6006 000100 图 7 不同辐照时间下钢渣粒级分布对比 从图 7 和图 8 粉磨结果可以看出 , 75 μ m细颗 粒随辐照时间的增加逐渐递增 ,但递增幅度明显有所 减缓, 这说明随着电子束辐照时间 辐照剂量 的增 加,钢渣易磨性提高 ,但提高程度逐渐减弱,电子束辐 照剂量和钢渣易磨性提高之间有一个阈值,也非越大 越好 。 图8 200 目筛下量随辐照时间的递增幅度 颗粒材料破裂过程实质上是外力作用下力学缺 陷和损伤形成和演化的过程。电子束辐射在颗粒体 内部形成的大能量释放和电击穿,可在颗粒体内造成 微观缺陷及显微裂隙 ,从而强化颗粒的磨碎过程。 5 结论 1 熔融态下掺入粉煤灰能促进钢渣的可磨性 ,且 钢渣可磨性随粉煤灰掺入比例增加而提高。 2 粉煤灰和尾矿砂均能促进钢渣安定性的提高, 使钢渣具有足够的稳定性 ,安全用于生产 。 3 经现场中间包静态试验验证, 粉煤灰在工业生 产中改质钢渣效果依然明显。 4 电子束辐照能改善钢渣易磨性 ,且随辐照剂量 和辐照时间的增加而增加 ,但存在一个阈值。 参考文献 [ 1] 肖琪仲. 钢渣的膨胀破坏与抑制[ J] . 硅酸盐学报, 1996, 24 6 635 -640. 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