HDPE 土工膜作為污水蒸發池防滲層的應用研究

龔柏瑜 李瑞寧

1. 成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610021；2. 中國國機集團中機中聯工程有限公司，重慶 400039

0 前言

土庫曼斯坦南約洛坦氣田某天然氣處理廠在運行過程中，每天產生大量的生產和生活污水。這些污水主要來自于：生產運行時工藝裝置、循環水場和鍋爐房等處排出的污水；處理廠工藝裝置開/停工時排出的檢修污水；廠區綜合樓、門衛值班室等處排出的生活污水。整個廠區污水量約為1 447 m3/d，經過處理后外排進入污水蒸發池，污水水質情況為：TDS ≤50 000 mg/L；SS ≤100 mg/L；oil ≤5 mg/L；6 ＜pH 值＜9。

污水蒸發池所需面積為1 447×330÷1.6 ≈30×104m2，蒸發量按1.6 m/a 計，共設計2 個500 m×300 m×2 m 的污水蒸發池。

1 HDPE 土工膜作為防滲層的優越性

1.1 污水蒸發池防滲材料的選擇

傳統的水池設計一般采用鋼筋混凝土結構，但鋼筋混凝土結構水池的缺點在于：

a）大小受到一定限制；

b）混凝土材料的收縮性要求在設計過程設置伸縮縫，水池的抗滲性因此受到嚴重影響；

c）混凝土工程量巨大，成本非常高。本處理廠的污水蒸發池尺寸為500 m×300 m×2 m，體積較大，無法采用鋼筋混凝土結構，故需考慮選用其他結構形式。 本處理廠位于沙漠，地質情況單一，均為砂壤土，開挖非常方便。經研究，就地開挖一個大坑作為蒸發池的方案可行，根據《生活垃圾衛生填埋場防滲系統工程技術規范》［1］，污水蒸發池的防滲層設計應符合下列要求：

a） 能有效阻止滲瀝液透過，以保護地下水不被污染；

b）具有相應的物理力學性能；

c）具有相應的抗化學腐蝕性能；

d）具有相應的抗老化能力；

e）應覆蓋整個池底及四周邊坡，形成完整、有效的防水屏障。

圖2 與道路相連處的大樣圖

圖3 管道穿池壁的防滲大樣圖

在滲透材料的選用上，經探索發現HDPE 土工膜［2］抗撕裂物理力學性能優良，耐低溫、抗老化、耐腐蝕，且具有較長的使用壽命，在污水處理廠防滲、人工湖防滲、污水蒸發池防滲、隔油池防滲、沉淀池的內襯和二次襯層等防滲工程應用廣泛。因此HDPE 土工膜成為污水蒸發池抗滲材料的首選。

1.2 HDPE 土工膜性能

HDPE 土工膜也被稱為高密度聚乙烯膜［2］，它是以結晶度高、非極性的熱塑性中（高）密度聚乙烯樹脂為原料生產的，密度為0.94 g/cm3或以上的塑料卷材。HDPE 土工膜具有如下優異性能：

a）是一種具有很高防滲系數（1×10-17cm/s）的柔性防水材料，正好滿足污水蒸發池抗滲的需要；

b）具有良好的溫度適應性，在高溫110℃和低溫-70℃的環境下都可以使用，滿足了污水排出溫度要求并能適應土庫曼斯坦惡劣的自然氣候；

c）具有良好的防腐性能，能抗強酸、堿、油等化學性的腐蝕，是很好的防腐材料，滿足污水排放oil ≤5 mg/L、6 ＜pH 值＜9 的要求；

d）具有很高的拉伸強度［3］，使HDPE 土工膜能夠在土庫曼斯坦惡劣的地質與氣候條件下使用，在地質不均勻沉降的情況下的抗應變能力強，滿足高標準工程的需要；

e）在惡劣自然環境下的抗老化、抗紫外線［4］性能好，能長時間裸露使用，不易被分解且保持其原來的性能；

f）采用優質原生塑料與碳黑粒子，不含任何防腐劑，是一種非常環保的材料；

g）抵抗植物根系穿透的能力強；

h）施工方便快捷，規格多、鋪設形式多樣化，可滿足不同工程防滲要求，采用熱熔焊接的方式，焊縫強度較高，施工方便、快速環保。

2 HDPE 土工膜的應用

污水蒸發池的設計及施工包括基礎層的設計、防滲層的結構設計、污水蒸發池施工、HDPE 土工膜施工質量保證、HDPE 土工膜缺陷修補五個主要部分。

2.1 基礎層設計

根據天然氣處理廠及配套工程天然氣處理廠巖土工程詳細勘察報告，污水蒸發池位于挖方區，以原狀中等密度砂土層（地基承載力特征值不小于180 kPa）為持力層；基坑底部預留10 cm 厚土層采取人工清理平整。

污水蒸發池深2 m,為保證邊坡穩定，采取自然放坡，坡度30°。

2.2 防滲層結構設計

污水蒸發池的防滲系統工程應在工程設計使用年限內有效地發揮其功能，必須選用合理的保護層對防滲結構層［5］進行保護。

本工程的防滲結構采用單層防滲結構，即兩布一膜的復合土工膜（復合防滲膜）形式，其抗拉、抗撕裂、抗頂破等物理力學性能指標高，具有強度高、延伸性能好、變形模量大、防滲性能好、耐酸堿、抗腐蝕、耐老化等特點，能滿足污水蒸發池的防滲需要。

土工布作為土工膜的保護層，保護防滲層不受損壞。為減少紫外線照射，增強抗老化性能，在池底部分的上層土工布表面鋪設350 mm 厚的砂壤土保護層；在池壁部分采用現澆混凝土面板護坡的形式對土工布進行保護。污水蒸發池結構設計見圖1～3。

2.3 污水蒸發池施工

HDPE 土工膜鋪設過程包括材料裁剪、試焊、調試焊接設備、錨固、檢查驗收等。

在HDPE 土工膜鋪設前，應根據設計及現場情況，編制鋪膜圖，然后根據鋪膜圖進行膜材的裁剪和鋪設。鋪膜圖要考慮工作面地形情況，對于凹凸不平的部分和場地拐角部位更需要詳細計算，減少十字焊縫以及應力集中。

鋪設HDPE 土工膜的表平面應該平整，沒有廢渣、樹根、棱角鋒利的巖石等。所有填料都必須級配良好，無有機物、垃圾或其他有害雜質。完工地基的上部15 cm 內不應包含直徑大于4 cm 的石頭或碎屑，地基土不應產生壓痕或受到其它有害影響。地基性質不應有大的變化或等級上的突變。基層密實度達到90%以上。完工后的地基不受雨雪、冰凍以及其它惡劣氣候條件的影響。若有地基開裂、明顯膨脹、突起或類似情況都應該重新整理以消除這些不利因素［1］。

HDPE 土工膜的接縫處理是一個關鍵工序，直接影響其防滲效果。一般接縫方式有：搭接，搭接寬度宜大于15 cm；熱焊，宜于稍厚的土工膜基材，焊縫搭接寬度不小于5 cm。不推薦膠接,因長時間水浸泡易開膠,防滲效果差［6］。

本工程采用的是2 mm HDPE 土工膜，焊接技術可采用雙縫熱合焊機焊接或擠壓熔焊機焊接。

2.3.1 雙縫熱合焊機焊接

HDPE 膜焊接接縫搭接長度為100 mm。焊接前應對搭接的20 mm 左右范圍內的膜面進行清理，用濕抹布擦掉灰塵、污物，使搭接部分保持清潔、干燥。焊接部位不得有劃傷、污點、水分、灰塵或其它妨礙焊接和影響施工質量的雜質。在正式焊接操作之前，應根據經驗先設定設備參數，取300 mm×600 mm 的小塊膜進行試焊［1］。

2.3.2 擠壓熔焊機焊接

鋪設前應檢查接縫處基層是否平整、堅實，如有異物，應事先處理妥善。檢查焊縫處的搭接寬度不小于60 mm，接縫處的膜面應平整且松緊適中。定位黏接時黏接點的間距不宜大于60～80 mm。應控制熱風的溫度，既不可燙壞土工膜，又要使其不能被輕易撕開。用打毛機將焊縫處30～40 mm 寬度范圍內的膜面打毛，達到徹底清潔，形成糙面，其深度不可超過膜厚的10%，不損傷膜面。在正式焊接之前，要取不小于300 mm×600 mm 的小樣，初定設備參數進行試焊。切取試件進行剪切和剝離試驗。

焊接時不得焊偏，不允許滑焊、跳焊。焊縫中心厚度為墊襯厚度的2.5 倍，且不低于3 mm。一條接縫不能連續焊完時，接茬部分已焊焊縫要至少打毛50 mm，然后進行搭焊。使用的焊條入機前必須保持清潔、干燥，不得用有油污或臟物的手套、 臟布、棉紗等擦拭焊條。根據氣溫情況，對焊縫及時進行冷卻處理。擠壓熔焊作業因故中斷時，必須慢慢減少焊條擠出量，不可突然中斷焊接，重新施工時應從中斷處進行打毛后再焊接［1］。

2.4 HDPE 土工膜施工質量保證

2.4.1 HDPE 土工膜焊縫非破壞性檢測

熱合雙焊縫的非破壞性檢測采用充氣法，擠壓熔焊單焊縫的檢漏采用真空法和電火花法［1］。

2.4.1.1 充氣（正壓）法檢驗

檢驗步驟一：將擬檢驗的焊縫段A、B 點的焊縫上層膜切開，并將A、B 點處空腔封閉；插入針頭并封閉；啟動空壓機或其它加壓裝置，在0.21 MPa 壓力下穩定3～5 min，壓降不超過1/15，則檢驗通過。

檢驗步驟二：將B 點的焊縫上層膜的封閉處切開，根據氣體泄出的聲音判斷A、B 間氣道是否連續、通暢； 檢驗步驟三：將B 點的焊縫切開以及針孔處焊接封閉。

2.4.1.2 真空（負壓）法檢驗

將焊縫檢測區域涂肥皂水（要超出真空盒以外100 mm），然后放置真空盒并壓緊；開啟真空泵或其它抽氣裝置，當真空度達到-0.035 MPa 表壓，堅持10 s，觀察是否有氣泡產生，無氣泡產生為合格；下一段焊縫檢測時，真空盒要和前一段重疊100 mm；直徑D ≤300 mm 的補丁或局部焊縫可用圓形真空罩進行負壓檢測。

2.4.1.3 電火花檢驗

焊接前在焊縫中置入導線；用電火花儀對焊縫進行掃描，合格的焊縫為火花束無變化；有空隙或薄弱的焊縫處將出現明亮火花，火花束集中進入，以此判定不嚴密部位。

2.4.2 HDPE 土工膜焊縫破壞性檢測

工程驗收時應進行焊縫的強度檢驗，包括剪切強度和剝離強度。自檢時按照150 m 焊縫檢測一組的頻率進行，見證取樣檢驗按每104m2取樣件一塊的標準，由監理指定或隨機取樣，送國家質量監督部門授權的塑料制品檢驗、鑒定單位予以檢測。焊縫的剪切和剝離強度，不得低于相關規定的標準。土工膜檢測指標詳見表1［1］。

表1 HDPE 土工膜檢測指標

2.5 HDPE 土工膜缺陷修補

對焊接檢驗切除樣件部位、鋪焊后發現的材料破損與缺陷、焊接缺陷以及檢驗時發現的不合格部位等，均應進行修補。

修補的方法： 點焊，對材料上小于5 mm 的孔洞及局部焊縫的修補完善，可用擠壓熔焊機進行點焊；加蓋，對不夠厚度或不夠嚴密的擠出焊縫，可用擠壓熔焊機補焊一層；補丁，對大的孔洞、刺破處、膜面嚴重損傷處、取樣處、十字縫交叉處以及其它各種因素造成的缺損部位，均可用加蓋補丁方法來修補。補丁尺寸：十字縫處為切角的方形300 mm×300 mm，或直徑D=300 mm。其余情況下，一般邊長不小于200 mm，補丁邊距缺陷處不小于80 mm；修補后要對成品抽樣做檢漏實驗［1］。

3 結論

根據天然氣處理廠多個污水蒸發池實踐證明，蒸發池用HDPE 土工膜厚度不應小于0.25 mm，太薄的土工膜可能產生氣孔，且施工過程中容易受損而降低防滲效果。施工過程中，要特別注意做到鋪設不宜太緊，不得打皺，拼接要牢固。要嚴格按現行相關技術規范施工，把握好準備、鋪設、拼接、檢驗和回填五道質量關。

綜上所述，使用2 mm HDPE 土工膜作為污水蒸發池的防滲層結構材料是非常可行的，該方法具有施工簡便快速、耐基礎變形、效果好、成本低的特點，經濟效益和社會效益明顯，為以后類似工程提供了借鑒。

［1］CJJ 113-2007，生活垃圾衛生填埋場防滲系統工程技術規范［S］.CJJ 113-2007, Technical Code for Liner System of Municipal Solid Waste Landfill［S］.

［2］CJ/T-234-2006，垃圾填埋場用高密度聚乙烯土工膜［S］.CJ/T-234-2006, High Density Polyethylene Geomembrane for Landfills［S］.

［3］GB/T 1040，塑料拉伸性能的測定［S］.GB/T 1040, Plastics-Determination of Tensile Properties ［S］.

［4］GB/T 16422.3，塑料實驗室光源暴露實驗方法 第三部分：熒光紫外線［S］.GB/T 16422.3, Plastics-Methods of Exposure to Laboratory Light Sources Part 3: Fluorescent UV Lamps［S］.

［5］周敬超. HDPE 土工膜在城市生活垃圾衛生填埋場中的應用［J］.水利水電科技進展，2013, 23(3): 53-56.Zhou Jingchao. Application of HDPE Geomembrane to the Urban Domestic Solid Waste Landfills［J］. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2013, 23(3): 53-56.

［6］鄧君富.巴格德雷天然氣處理廠工程土工膜施工工藝［J］.鉆采工藝，2010，33(z1): 182-184.Deng Junfu. Bargh DE Lay Natural Gas Processing Plant Engineering Construction Technology for Geomembrane ［J］. Drilling & Production Technology, 2010, 33(z1): 182-184.