膨润土防渗技术应用

膨润土防渗技术应用（共4篇）

膨润土防渗技术应用 篇1

摘要：云南安宁—蒙自成品油管道是中缅油气管道的一部分。由于管道经过水源保护地等环境敏感地带, 工程上在管道周围铺设膨润土防渗垫来减小油气管道泄漏对环境存在的潜在威胁。本文重点介绍了膨润土防渗垫的施工过程以及对阴极保护的影响。

关键词：管道,环境敏感点,防渗垫,阴极保护

一、前言

管道运输是国际货物运输方式之一, 是随着石油和天然气生产的发展而产生的一种特殊的运输方式。管道运输具有安全、运量大、成本低、受气候和地面等外界因素影响小等优点。随着我国经济的发展, 对石油和天然气越来越大的需求促进了石油和天然气管道运输及管道建设的快速发展。

云南安宁—蒙自成品油干线是中缅油气管道的一部分。管道建设经过云南省境内双龙水库、飞井水库和龙潭水库等多个引用水源保护地, 为保证水源保护地的安全, 减小对该段环境敏感地区的影响, 管道建设在满足距离要求的同时, 采用膨润土防渗垫来进一步减小油气泄露对环境造成的污染, 力争管道建设对云南优美环境的影响降到最小程度。

二、膨润土防渗垫特点

根据国家有关环保防渗规范与要求, 石油管道、矿山输浆及输液管道等环境工程常采用土工合成材料 (如HDPE防渗膜、膨润土防渗垫) 作为防渗衬层;对于场地地质条件满足粘土土质要求的场址, 也可考虑采用一定厚度的压实粘土作为防渗衬层。安宁-蒙自成品油管道也曾考虑压实粘土作为防渗衬层, 但由于沿线的土质以粉质粘土、土夹石和风化砂岩为主, 渗透系数大, 达不到防渗的要求, 而满足要求的粘土外运取土土源难以找到, 且外运土成本不合理, 粘土机械压实要求高, 施工成本高, 施工期长并受降水等天气因素影响大。因此, 鉴于本工程特点, 最终选用膨润土防渗垫作为防渗材料。

膨润土防渗垫是一种新型天然土工合成材料, 主要由天然矿物质蒙脱土和少量特殊无机添加剂混合后, 通过特殊的生产工艺, 在工厂控制条件下生产成的“毯”式防渗垫衬产品。膨润土防渗点的特点主要有:

1.膨润土垫上下二层由高强度土工织物构成, 具有很高的抗剪强度和抗拉强度, 可较好地适应不均匀沉降。

2.膨润土垫具有相对较厚的厚度, 而且遇水膨胀后厚度有所增加, 并且受外裹土工织物的保护, 不易被顶破或刺破, 具有较强的耐外物损伤能力。

3.膨润土垫具有较大的规格尺寸, 宽度一般4~6m, 长度可达50m以上, 而且铺设时采用自然搭接的方式, 安装方便、施工速度快、不受气温影响, 可有效的缩短工期。

4.膨润土垫主要成分钠基膨潤土颗粒系天然矿物加工而成, 不会因高温或低温环境的影响而降低防渗效果, 使用寿命长, 使用寿命50年以上, 具有永久性的防水防渗效果。按防渗效果, 一层膨润土可替代1~3m压实粘土防渗层。

5.膨润土具有自愈合能力, 受到穿刺后可以自行修复。

6.膨润土常作为土壤降阻剂, 因此膨润土垫具有极好的低电阻率特性。

三、膨润土防渗垫对管道阴极保护的影响

为了确保膨润土防渗垫的低电阻率, 保证管道阴极保护系统不会屏蔽, 本工程任意选取一处管道进行膨润土防渗垫的铺设, 并进行了馈电实验, 以确定膨润土防渗垫是否会对阴极保护电流造成屏蔽以及屏蔽的程度等。馈电实验原理示意图见图1。

其中, 直流电源将发电机提供的交流电整流为测试用直流电;阳极地床使用六根环形布置的角钢接地极, 接地极并联并在接地极处浇盐水, 以减小阳极地床的接地电阻;硫酸铜参比电极使用蒸馏水充分振荡;电压表、毫安表分别使用万用表的毫安档和电压档测试。

测试结果:

1.未向管道注流时, 测得管道的自然电位为-1.001V;

2.接通电源, 调整直流电源, 改变输出电压, 观测电压表和电流表示数变化, 当电压表示数-1.200V时, 电流表示数-1.2m A。

按照《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB-T21448-2008中阴极保护最低电位的要求, 管道点位一般保持在-0.85~-1.2V, 馈电实验时管道施工土壤目前还未完全塌实且当地气候干燥, 土壤电阻率很高, 使管道由自然电位-1V升高至-1.2V也只需1.2m A电流。馈电实验表明膨润土防渗垫对管道阴极保护电流屏蔽作用不明显, 可以适用于现场施工。

三、膨润土防渗点的施工

云南安宁-蒙自成品油干线管道管径D323.9, 沿线管沟开挖、膨润土防渗垫安装及搭接见图2, 膨润土防渗垫技术要求如下:

1.膨润土垫幅宽选用4.0m。

2.管沟底部按1.3m宽设计, 当底部为原状粉质粘土时, 机械压实;当遇风化岩基或尖锐碎石 (土夹石层) 时, 回填200mm厚度细土并机械压实。

3.膨润土垫与管道四周间回填细砂, 并机械压实。

4.封闭的膨润土垫上部回填土厚度至少100mm。

山区地段膨润土防渗垫施工较平原地区要复杂, 管道需要进行购下焊接, 给施工带来不少的难度。平原地段和山区地段膨润土防渗垫施工流程见图3、图4.

四、总结

膨润土防渗垫对长输管道的阴极保护系统影响很小, 适用范围广, 在管道沿线水源保护地等环境敏感地段使用可以极大的减小管道事故对周围环境造成的危害, 保护环境。

参考文献

[1] 、夏剑锋.论中缅油气管道与中国石油安全[J].云南民族大学学报 (哲学社会科学版) , 2012, 29 (2) :110-114.

[2] 、李志斌.土工织物膨润土防渗垫有效性研究及相关机理分析[D].上海:同济大学, 2007.

膨润土防渗技术应用 篇2

【摘 要】沱河生态环境修复工程是河北省的重点工程，在工程中河道防渗处理是关系工程成败的关键。粘土和钠基膨润土防渗毯相结合的综合防渗措施在河道防渗处理中的成功应用，在今后北方湿陷性沙性河道生态修复工作中值得借鉴推广。

【关键词】河道；沙坑；防渗；设计 1.工程概况

1.1 滹沱河是子牙河流域两大水系之一，上游已建有岗南、黄壁庄两座大

（一）型水库和张河湾、郭庄等 11 座中型水库工程。滹沱河自黄壁庄水库以下流经石家庄市区北部，滹沱河河床以中细砂为主，渗透性较强。由于上游由岗南、黄壁庄水库控制，供水全部通过渠道、管道直接输至相应用户，平时没有生态基流，加上近年来水资源量的减少，滹沱河以下区间基本形不成有效径流，因此滹沱河全年几乎都是干涸状态。滹沱河生态环境修复工程位于河心岛周围，上起南水北调倒虹吸，下至第一橡胶坝，主要包括：护坎（岸）、河道整治与防渗防冲工程、河心岛西给水闸、小青河临时退水口门等，形成水面250万m2，蓄水深1.2～2.3m。1.2 滹沱河石家庄市区段沙坑现状特点。

滹沱河生态环境修复一期工程中沙坑面积大，总面积达 142 万 m2的沙坑区，沙坑内不同程度的回填有大量的建筑垃圾，造成沙坑底坑洼不平。沙坑深度大，沙坑平均深度在20米以上，最大深度达到30多米。沙坑比较集中，项目区主要在中部和尾部两条沙坑带，坑宽500多米长度。1.3 工程实施的特点与难点。

滹沱河生态环境修复一期工程，河槽整治中河心岛段护坎与京珠高速段护

坎施工，大多采用较为传统的成熟技术和工艺。但在河道防渗工程中，总面积达 142万m2的沙坑区，回填建筑渣土和沙土，虽经过强夯和灌水水压措施，但回填材料湿陷性和自身的不密实性造成多年沉降量大。2.沙坑沉陷区防渗设计要点

沙坑区防渗区要求防渗材料具有以下特点：防渗功能好、对地形及沉降变形适应性强、自愈能力强，容易修复等特点。3.沙坑防渗材料的选择

人工防渗措施一般包括: 混凝土防渗：这种防渗措施比较适用于水体规则、水面区域面积较小的人工湖工程混凝土防渗主要型式可分为现浇混凝土和混凝土预制块拼装，使用年限一般可达30～50年。混凝土防渗的优点是防渗防冲性较好，耐久性较强，但大范围应用的缺点是工程造价高。

粘性土防渗：粘性土防渗属于传统的防渗方法，对于有优质粘性土的地区具有投资省、工艺简便的特点，并且有利于生态的交换，使用年限一般为25年左右。粘土防渗所需的厚度较大，因而总工程量大，因此较适宜能就地取材的情况。滹沱河沿岸地区土源较为缺乏，南水北调石家庄市区段的弃土将大量用于筑堤、景观建设，因此获取满足防渗的优质粘土的成本较高。

土工膜防渗：土工膜防渗具有渗透系数小、施工简便、工程造价低的特点，在上世纪九十年代前曾广泛用于水利工程防渗。由于土工膜属于非降解材料，将完全隔断水力联系，属生态不友好型防渗措施，在近年来的河湖水面防渗应用中越来越少。另一方面，一旦土工膜的连接不牢或施工过程中形成破损，防渗效果也难以保证。

膨润土防水毯（gcl）防渗：膨润防水毯是一种土工合成材料，由高膨胀性的钠基膨润土填充在特制的复合土工布和无纺布之间，近年来广泛用于人工湖泊水景、垃圾填埋场等防渗工程中。防水毯是用针刺法制成的膨润土防渗垫，形成许多小的纤维空间，遇水时在垫内形成均匀高密度的胶状防水层，有效的防止水的渗漏。gcl的防渗性能介于粘土防渗和高分子材料（土工膜）之间。gcl使用钠基膨润土，遇水时吸附自身重量五倍的水，体积膨胀到原来的15～17倍以上，将钠基膨润土锁在两层土工合成材料中间，起保护和加固的作用，使gcl具有一定的整体抗剪强度。gcl防渗的特点是：

3.1 密实性：钠基膨润土在水压状态下形成高密度横隔膜，厚度3mm时，它的透水性为8×10-9cm/s以下，既满足了防渗要求，又具有微渗性。3.2 持久性：因为钠基膨润土系天然无机材料，即使经过很长时间或周围环境发生变化，也不会发生老化或腐蚀现象，因此防水性能持久。

3.3 柔软性：gcl可随不同地形、不同基础进行变形，与其他防渗材料相比抗不均匀沉降和抗张应变能力强。

3.4 施工简便：与其他防水材料比较，gcl施工相对比较简单，不需要加热和粘贴。只需用膨润土粉末和钉子、垫圈等进行连接和固定。

3.5 适应性强：gcl在寒冷气候条件下也不会脆断，可耐零下32度寒冷气温；在高温受热干缩复水后裂缝可自动完备合。

3.6 自我修复性：由于膨润土遇水膨胀的特点，对于直径小于2mm的植物根系穿刺后可自我修复。

3.7 绿色环保性：膨润土为天然无机材料，对人体无害无毒，对环境没有特别的影响，具有良好的环保性能。

滹沱河河道防渗工程具有工程范围大、地形条件复杂的特点。部分河段原有的采砂坑深度达10m以上，回填材料除河床沙外还有部分建筑碴土，砂坑填

埋后的密实度与其他段相比较小。综合各种防渗措施的优缺点，本次设计中推荐采用膨润土防水毯防渗与粘性土防渗相结合的方法。4.设计要点

根据滹沱河河道砂层透水严重和湿陷性的特点，防渗采用基层、粘土防渗层、膨润土防渗毯防渗层和防渗毯压实保护层四部分。

4.1 基层：对现有砂坑利用清理平整的河床开挖料进行回填层层夯实，使得砂土原基相对密度达到0.65以上，砂土填筑区相对密度达到0.70以上。4.2 粘土防渗层：粘性土防渗通过对合格土料进行分层碾压的方式，取得相对密实的粘土防渗层，完工后的防渗层渗透系数应小于1×10-6cm/s，厚度1.5m，碾压密度要均匀。设计压实度不小于95%。

4.3 膨润土防渗毯防渗层：采用钠基膨润土防水毯单位面积质量≥5000g/m2 4.4 防渗毯压实保护层:采用粘粒含量低的壤土50cm厚，作为压实层，减少膨润土遇水时纵向变形过大，影响其防渗效果。5.施工要求

5.1 膨润土防水毯铺设。

膨润土防水毯铺设应避免在有水和雨天施工。

按编织土工布（黑面，或含有编织布的无纺布）朝下，无纺布（白面）朝上铺设。铺设时将每卷防水毯用吊车或铲车按设计要求就位然后用人工平展摊开。

底面铺设时应平行搭接，水流上游（西）的防水毯应压在下游（东）的防水毯上面，布面不可张拉过紧或褶皱，应适量放松并紧贴地面。

河岸斜坡上防水毯，只能纵向搭接，不能横向搭接。

搭接宽度（二层重叠处）纵、横向均为50cm，二层重叠间必须均匀撒上膨

润土粉或均匀涂抹膨润土胶泥。

防水毯铺设应根据上部土层施工计划相应安排进度，防水毯铺设结束后，立即进行上部土层的施工，避免铺设好的防水毯空置时间过长。每日完成的膨润土防水毯铺设量应与上部土层完成量一致。

防水毯铺设时应进行外观检查，如防水毯存在破损或意外发生破损，应用大于破损缺口周围50cm的防水毯覆盖在上面后再作固定处理。

防水毯搭接处铺撒防水粉，应该在搭接铺设好后，将搭接处掀开，再均匀铺撒防水粉。确保防水粉铺撒均匀，不被破坏。

在铺设时，如遇下雨，应用塑料薄膜材料或遮雨材料迅速覆盖，当雨水较大时，膨润土膨胀超过300%时，应更换产品并重新铺设。

铺设时，严禁有明火或烟头置于防水毯任何一面上。5.2 防水毯铺设后的固定。

防水毯铺设采用顶部固定，在斜坡顶四周开挖锚固沟，锚固沟深宽度约600mm，把防水毯埋入沟底再用浆砌石覆盖压实。岸坡上的铺设须根据河坎防护施工图所示型式进行，并保证与河底、岸顶的衔接与固定。

外形奇异不规则部分的接缝除用膨润土粉加固外还需在接缝外表涂抹浆状膨润土加强。

两头终结部位均要用锚固杆方法固定。gcl的锚杆部位要固定在水平面最上部，并要固定牢固。锚杆被水淹没并且倾斜度较大时，要用双层gcl施工。锚杆部位宽度为15cm，深度为0.6m以上，锚固杆底部把防水毯折叠后用回填土夯实到90%以上。6.防渗效果分析

滹沱河生态环境修复工程，沙坑防渗施工过程中严格执行施工技术的要求，经现场试验，各分项工程满足规范和设计要求，保证了工程的质量，该工程于2010年蓄水，经过两年的运行，沙坑区未出现任何的沉陷和裂缝等现象，沙坑区蓄水位降深满足设计要求，防渗效果理想。对于北方砂性河道生态恢复工程具有很高的经济效益和很好的推广价值。参考文献

膨润土防渗技术应用 篇3

1 膨润土作为填埋场防渗材料的研究

为了寻找经济、有效的防渗层,研究人员对膨润土进行了各种改性。这方面的研究工作主要有2种思路,一是通过在膨润土中添加一种材料从而形成复合防渗材料,增加其抗渗阻滞性能;另一种是在一定条件下加入改性添加剂使膨润土发生物理化学变化,形成一种新的防渗材料,使用的改性添加剂大多是酸、盐、有机物质等,改性后的膨润土具有较强的吸附性能和较好的力学特性,能够有效控制填埋场渗滤液渗漏[2]。

1.1 未改性膨润土作为填埋场防渗材料的研究

膨润土由于其优良的理化性能和晶体层间结构特性、交换性能,自20世纪80年代起,应用于垃圾填埋场作防渗材料。Doven和Pekrioglu[3]也在这方面进行了研究,可节省大量的优质膨润土,并且降低了工程建设费用,具有明显的经济和环保效益。

1.2 改性膨润土作为填埋场防渗材料的研究

有研究表明,未改性的膨润土只能有效地阻止水或其它低张力渗滤液的迁移,在高浓度的有机渗滤液、油类产品或纯有机液体作用下会产生絮凝和收缩,吸附有机污染物的能力迅速下降,失去阻隔能力,最终导致土壤垫层的保护失效。一个理想的防渗层保障系统,除需具备较低的渗透性外,还需担当反应介质来吸附各类型污染物。Smith等[4]的试验结果表明,含有机膨润土的土层与传统土层或其它类型的土壤相比,能显著地吸附有机化合物(四氯化碳)。吉林大学王铁军等[5]以垃圾渗滤液为对象,通过动、静态实验,研究不同改性膨润土对垃圾渗滤液中不同类型污染物的吸附能力,提出了针对垃圾填埋场不同污染物类型的差异,可以选择不同改性膨润土作为反应型材料构建双层防渗层模式。

目前,制备传统有机膨润土所用的改性剂主要为季铵盐类,品种不多,价格较高,而且表面活性剂的脱附易造成水体二次污染。国内外对于用其它类型改性剂改性膨润土的报道较少。为了开拓改性剂的利用范围,以实现合成有机膨润土去除不同污染物的目的,拓展膨润土改性矿物材料的工业应用范围,近年来,国内外学者开始使用更为经济实用的聚合物改性膨润土。Ashmawy等[6]研究发现,膨润土土工合成材料在渗滤液中富含钙、镁离子时,由于离子交换原因,导致土工合成材料的水力渗透系数增长,防渗性能下降。如果采用经聚合物预处理并浸水饱和的膨润土作为土工合成材料的防渗材料,即可发挥膨润土原有的优良防渗性能,且该材料中膨润土对渗滤液中许多有机、无机污染物表现为化学惰性,使材料整体稳定性增强。但是,现阶段对于使用聚合物改性膨润土应用于实际有机污染物的环境污染控制,如卫生填埋场防渗材料方面报道很少。

2 聚丙烯酰胺改性膨润土作为防渗材料的研究

聚丙烯酰胺是丙烯酰胺均聚或与其它单体共聚而成的含量在50%以上的线型水溶性高分子化学物,是一类国内开发较晚的有机高分子絮凝剂,广泛应用于城市生活污水处理、油田含油污水处理、炼油厂炼油废水处理、造纸废水处理及印染废水的脱色处理等方面。膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的黏土,由于其特有的层状结构,能吸附水分子、阳离子和有机分子,在废水处理方面的应用也有一定的基础,将二者结合起来,协同作用,必然会产生事半功倍的效果。

另有学者已经开始系统研究聚丙烯酰胺和膨润土之间的相互作用,如Inyang和Bae[7]对聚丙烯酰胺与膨润土之间的作用进行了较为深入的研究,实验结果显示,聚丙烯酰胺在一定条件下可被膨润土较好地吸附,为聚丙烯酰胺或丙烯酰胺单体与膨润土复合制备聚丙烯酰胺/膨润土复合材料奠定了理论基础。

2.1 聚丙烯酰胺改性膨润土的应用现状

聚丙烯酰胺改性膨润土是指膨润土(干样)占聚丙烯酰胺/膨润土复合材料(干样)质量百分数(以下简称膨润土质量百分数)50%以上(含50%),即膨润土作为基料。其制备方法与传统聚丙烯酰胺/膨润土复合材料合成方法基本一致,主要有插层聚合和聚合物插层法,一般指有机单体嵌入到膨润土层间发生原位聚合及聚合物分子链通过扩散而进入膨润土层间。通常插层聚合又可以分为插层加聚合和插层缩聚。聚合物插层法有溶液插层和熔融插层。因此,聚丙烯酰胺改性膨润土的合成重点在于聚丙烯酰胺的制备方法以及其与膨润土的结合的方式。目前,对于聚丙烯酰胺改性膨润土的应用主要围绕吸水性复合材料展开,在石油、食品、日用化工、农林园艺、生理卫生用品、医药等方面获得广泛的应用[8];但关于聚丙烯酰胺改性膨润土在防渗材料方面的应用研究报道甚少。

2.2 膨润土土工合成材料的研究进展

随着环境工程、地下工程等对防渗要求的不断提高,膨润土土工合成材料(Geosynthedc Clay Liner,简称GCL)作为一种新型防渗土工复合材料正逐步得到工程界的认可,并且在越来越多的工程领域得到应用。

2.2.1 GCL的结构

GCL是在2层土工合成材料之间夹封1层膨润土或其它透水性极小的材料,采用针刺、缝合或粘合加工而成的一种土工复合防渗材料。有的GCL产品只有1层土工膜,其上用水溶性粘合剂粘合1层薄薄的膨润土。覆盖层土工织物可以是无纺织物,也可是有纺织物。采用针刺工艺可使上层土工织物的一部分纤维穿过膨润土和下层土工织物,使三者形成一个整体。穿透底层土工织物的纤维靠自身缠绕、摩擦或通过加热的方法使它和土工织物层结合在一起。李宪等[9]按其结构组成,将几种基本的GCL产品作了以下分类:粘合GCL(双层)、针刺GCL、缝合GCL和粘合GCL(单层),见图1。

2.2.2 GCL的研究现状

国内外学者对于GCL特性研究开展的工作比较广泛,包括其物理特性、力学特性和水力特性,也取得了很多有意义的研究成果,对改进产品性能提供了依据。但是国内外对于粘合型GCL产品性能的研究很少,特别是涉及胶粘剂类型及其对GCL性能的影响报道不多。

2.2.3 聚丙烯酰胺改性膨润土作为土工复合材料的研究

Fox等[10]提出GCL防渗材料中的胶粘剂对于膨润土衬垫在负载下的位移乃至损坏起到很大作用。这主要是由于一般的粘合剂固化后吸水性低,它的加入会降低膨润土的渗透性能,且粘合结构的形成还可使膨润土之间因为被隔离而失去其原有的特性。另外,粘合剂与膨润土的遇水膨胀倍数存在较大差异,从而致使土工材料(特别是单层GCL)遇水膨胀时易发生开裂,抗水解性能差,影响防水材料的整体防渗性能。因此,对于胶粘型GCL,为保证其整体渗透、吸附性能,重点应研究一种抗水解、化学性质稳定的水溶性胶粘剂。

刘阳生等[11]选用山东高阳县产的钙基膨润土和钠基膨润土,经过对10多种水基胶粘剂的筛选,选取聚丙烯酸酯乳液作为实验材料。按照美国Gundle公司生产的双层结构的膨润土防渗卷材Gundseal工艺流程,使膨润土通过胶粘剂的粘结力成为薄型卷材,外用有机薄膜材料封装,制成防渗卷材。测试结果表明,在膨润土中加入聚丙烯酸酯类胶粘剂后,改善了膨润土的渗透性能和力学性能。

刘学贵等[12]研究了一种改性膨润土土工合成材料,涉及一种改性聚丙烯酰胺的合成方法。该方法首先以丙烯酰胺为单体,以过硫酸铵为引发剂,以甲酸钠为链转移剂合成低分子量的聚丙烯酰胺;用甲醛在碱性条件下对低分子量的聚丙烯酰胺羟甲基化;使羟甲基化聚丙烯酰胺和丙烯酰胺在碱性条件下进行缩合反应得到改性聚丙烯酰胺;室温下改性聚丙烯酰胺水溶液和交联剂、促进剂、引发剂及膨润土混合均匀,快速交联即可制备土工合成材料。在制备聚丙烯酰胺改性膨润土防渗材料中,聚丙烯酰胺可起到两方面的作用,一是对其进行聚合物改性,非离子型聚丙烯酰胺改性膨润土,可利用聚丙烯酰胺丰富的官能团及其絮凝作用对垃圾渗滤液中不同类型污染物具有吸附能力,加之聚丙烯酰胺在水处理方面的絮凝特性,除提高膨润土对阴、阳离子污染物去除的有效性,还可以减少二次污染。二是聚丙烯酰胺可对膨润土进行有效的粘结和包裹,由于两者吸水膨胀系数相当,使防渗材料在吸水膨胀后不开裂、不分散,具有很好的稳定性、机械性能及抗渗性能。

3 结语

目前,国内对城市垃圾处置方式以卫生填埋为主,其最关键技术是防渗材料的选用和铺设。由于膨润土特殊的层间结构特性和理化性能,聚丙烯酰胺具有丰富的活性官能团和较佳的絮凝效果,利用经过改性的聚丙烯酰胺改性膨润土作为填埋场防渗衬层是一种较佳的选择。而且,我国膨润土资源丰富,储量居世界首位,占世界总量的60%,种类齐全,既有钙基膨润土,又有钠基膨润土,保有储量的绝对数和总的资源量完全能够满足我国卫生填埋场环境污染控制和修复建设的需要。

参考文献

[1]刘长礼,张云,张胜,等.填埋场粘性土防渗层中强化微生物对垃圾污染物的净化作用[J].地球科学进展,2004(S1):506-510.

[2]陈永贵,叶为民,张可能.填埋场粘土类防渗系统研究进展[J].工程地质学报,2008(6):780-787.

[3]Doven A G,Pekrioglu A.Material properties of high volume flyash cement paste structural fill[J].Journal of Materials In CivilEngineering,2005,17(6):686-693.

[4]Smith J AJ,affe P R,Chiou C T.Effect of 10 quaternary ammo-nium cations on tetrachloromethane sorption to clay from water[J].Environmental Science&Technology,1990,24(8):1167-1172.

[5]王铁军,赵勇胜,屈智慧,等.无机改性膨润土防渗层性能研究[J].吉林大学学报(地球科学版),2008(3):463-467.

[6]Ashmawy A K,El-Hajji D,Sotelo N,et al.Hydraulic performanceof untreated and polymer-treated bentonite in inorganic landfillleachates[J].Clays Clay Miner,2002,50(5):546-552.

[7]Inyang H I,Bae S.Polyacrylamide sorption opportunity on inter-layer and external pore surfaces of contaminant barrier clays[J].Chemosphere,2005,58(1):19-31.

[8]董雁,郑玉婴,Yan D,等.聚合物/蒙脱土复合材料的研究进展[J].漳州职业技术学院学报,2008,10(1):21-25.

[9]李宪,束一鸣,武良金,等.新型防渗材料GCL的一些特性试验[C].全国第六届土工合成材料学术会议论文集,西安:2004.

[10]Fox P J,De Battista D J,Chen S H.Bearing capacity of geosyn-thetic clay liners for cover soils of varying particle size[J].Geosynth Int,1996,3(4):447-461.

[11]刘阳生,白庆中,李强,等.新型膨润土防渗卷材的研制及其性能[J].清华大学学报(自然科学版),2000(11):102-105.

膨润土防渗技术应用 篇4

滹沱河沿岸地区作为石家庄市区的重要组成部分,同时也是城市规划重点发展区域,在未来的经济社会中占据着重要的地位[2]。20世纪70年代中期,由于上游来水持续减少,造成滹沱河市区段常年断流,地下水位逐年下降,河床沙化日趋严重[2]。因此,迫切需要对滹沱河进行防洪综合整治。在滹沱河防洪综合整治工程中,大量使用了新型生态环保防渗材料—钠基膨润土防水毯。该防水毯主要以钠基膨润土为原材料,采用针刺法、针刺覆膜法或胶粘法加工制成的毯状防水材料。钠基膨润土防水毯作为一种新型生态环保防渗材料,具有密实性好、柔韧性好、抗拉强度高、耐穿刺性强、抗老化性强、易施工等特点[3,4,5]。20世纪80年代后期,广泛应用于市政、水利、人工湖、园林绿化及垃圾埋填场等众多领域中。

在滹沱河防洪综合整治工程中,河道的土层渗透系数较大,钠基膨润土防水毯防渗效果尤为重要。为定量分析钠基膨润土防水毯作为防渗材料的可行性和必要性,本文结合滹沱河防洪综合整治工程,在河道中选取典型断面,并运用有限元分析软件AutoBank6.0对单位面积质量为5000 g/m2的针刺法钠基膨润土防水毯的防渗效果进行模拟和分析。根据相关勘察资料、工程具体情况和钠基膨润土防水毯的渗透系数,计算典型断面处的水力特性参数,分析工程中所使用的钠基膨润土防水毯防渗效果,从而为以后钠基膨润土在水利工程中的广泛应用提供理论和技术支撑[6]。

1 有限元简介

1.1 有限元概念及基本思想

有限元法是对工程中出现的离散化问题进行数值计算的一种简便方法,它可以解决在实际工程中无法使用理论推导和室内试验无法实施的问题,从而使工程问题简易化的研究手段[7]。基本思想是把求解的连续区域进行离散化,使其成为一个组合体,它是按一定的排列方式连接的、有限个单元所构成的组合体。

1.2 有限元计算步骤

一般有限元计算分为6个步骤:(1)连续体的离散化;(2)位移模式的选择;(3)力学特性;(4)等效结点力计算;(5)平衡方程的建立;(6)求解结点未知位移和单元应力。

1.3 基本假定

建立模型前,对模型做了如下假定:(1)渗流服从Darcy定律;(2)考虑水和土体的压缩性,渗透时土体的孔隙比和孔隙率不变;(3)土体内水的饱和度不变。

2 滹沱河典型断面选取

2.1 断面的选取原则

在建立模型时,因工程中标段较长,各断面的模拟结果具有相似性,故将渗流的三维空间问题转化为二维平面问题,选取具有代表性的典型断面进行分析。因此选取1号水面断面,其构造如图1所示。

水头的高低是影响膨润土防水毯渗透系数的主要因素,水头越高,膨润土防水毯在水压的作用下吸水量越大,膨润土膨胀后越密实,渗透系数反而越小,同时也增强了钠基膨润土防水毯的防渗效果。为系统研究不同水头作用下钠基膨润土防水毯的防渗效果,选用1.0、1.5、2.0、2.5 m4种水头分别对钠基膨润土防水毯的防渗效果进行模拟。但因河道较宽,如果取用整个过水断面,各部位几何尺寸相差较大,无法按比例明确显示,为清晰显示模拟结果,将河道中间位置省略,只取河道一侧进行计算分析。

2.2 断面参数

断面的主要参数有渗透系数、水头、几何尺寸等。根据河北省水利水电勘测设计研究院的设计图纸和钠基膨润土防水毯的模型试验结论,可确定断面尺寸与钠基膨润土防水毯及土层的渗透系数,根据工况要求,变化水头高度,建立4种有限元模型,并对其结果进行对比。不同水头作用下的钠基膨润土防水毯与土层渗透系数如表1所示。

3 断面的有限元模型建立

选用有限元软件“AutoBank6.0”对钠基膨润土防水毯渗流进行分析计算,计算方法采用二维有限元渗流数值模拟法,取滹沱河防洪综合整治工程典型断面,根据计算断面的实际情况确定简化模型。

3.1 计算简化几何模型

根据典型模型的断面参数,将典型断面简化后的几何模型如图2所示。

3.2 模型边界条件

原则上,边界条件可分为流场的几何边界形状位置和边界上起支配作用的条件。从描述流动的数学模型看,边界条件可分为2类:固定水位边界条件和出逸边界条件。

该模型中,水位以下与水接触位置设置为固定水位边界,水位以下不与水接触位置设置为可能的出逸边界。以2.0 m水位为例,模型的边界条件如图3所示。

3.3 网格划分

取简化后模型为渗流模型的计算域,网格划分前首先确定底部边界线,单元网格剖分方式为自动网格划分,以水头为2.0 m为例,计算域内的网格划分如图4所示。

4 计算结果分析

4.1 浸润线分析

所谓浸润线是指渗流在断面内的自由面与横剖面的交线,即浸润面与横剖面的交线,浸润线体现了土体中渗流水的自由表面的位置。图5为不同水头作用下断面的浸润线。

从图5可以看出,不同水头作用下的浸润线走向大致相同,即在保护层中浸润线高度与自由水面高度相同,穿过保护层后沿水位线以下的出逸边界线下行至模型端部;但水头越高,保护层中的浸润线位置越高,渗流的路径也就越长。

4.2 单宽渗流量分析

不同水头作用下,断面的单宽渗流量变化曲线如图6所示。

从图6可看出,随水头的逐渐增加,单宽渗流量逐渐变大,原因在于,水头增加后,作用在保护层和钠基膨润土防水毯上的水头压力和水力梯度相应增大,从而导致单宽渗流量变大。

4.3 水力梯度分析

水力梯度是指沿渗透路径水头损失与渗透路径长度的比值,反映了渗流沿水流方向在每单位距离上的水头下降值,也可理解为渗流通过单位长度渗透途径时,克服摩擦阻力所耗失的机械能。2.0 m水头作用下,断面的水力梯度分布如图7所示。

从图7可以看出,在河道边坡范围内,水力梯度最大值位于河道断面的坡脚位置(值为57.14),沿断面边坡向上逐渐减小,在水位线处,水力梯度最小(值为3.175);河道底部水力梯度值与坡脚位置相同。其原因在于,距自由水面线垂直距离最大的位置为坡脚和河道底部,最小距离为自由水面线处,断面的渗透路径为保护层与钠基膨润土防水毯的总厚度值,是一定值,当水头一定时,离自由水面线垂直距离越大,水位差也越大,由此产生的水头压力越大,从而导致单位距离上的水头下降值也越大,即水力梯度越大。

不同水头作用下的最大水力梯度值变化曲线如图8所示。

从图8可以看出,随着水头的逐渐增加,各断面的最大水力梯度值也逐渐变大,原因在于,随着水头的增加,最大水位差变大,因此,最大水力梯度值也变大。(下转第73页)

5 结论

(1)浸润线高度与自由水面高度相同,穿过保护层后沿水位线以下的出逸边界线下行至模型端部;但水头越高,保护层中的浸润线位置越高,渗流的路径也就越长。

(2)随着水头的逐渐增加,单宽渗流量逐渐变大。

(3)在河道边坡范围内,水力梯度最大值位于河道断面的坡脚位置,沿断面边坡向上逐渐减小,在水位线处,水力梯度最小;河道底部水力梯度值与坡脚位置数值相同。

(4)随着水头的逐渐增加,各断面的最大水力梯度值逐渐变大。

摘要：根据石家庄市滹沱河防洪综合整治工程的实际情况和钠基膨润土防水毯的渗透系数,在河道中选取典型的断面,对铺设的钠基膨润土防水毯进行有限元渗流模拟,主要计算典型断面处的水力特性参数。模拟结果表明:钠基膨润土防水毯作为一种新型环保防渗材料,其防渗效果显著。随着水头的逐渐增加,单宽渗流量和各断面的最大水力梯度值均逐渐增大。模拟结果可为钠基膨润土防水毯在水利工程中防渗应用提供理论和技术支撑。

关键词：钠基膨润土防水毯,有限元,浸润线,单宽流量,水力坡度

参考文献

[1]王学广,王泽秀.滹沱河石家庄市区段河道人工湖防渗技术研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(3):38-41.

[2]宗培新.膨润土防水毯应用及开发利用现状[J].中国建材,2005(8):48-50.

[3]张凯.土工膜防渗平原水库膜下气场数值模拟[J].南水北调与水利科技,2012,10(5):97-100.

[4]朱永涛,肖伟华,朱永红.钠基膨润土防水毯在陡河青龙河防洪排涝综合整治工程中的应用[J].水科学与工程技术,2011(4):36-38.

[5]Zhang F,Low P,Roth C.Effects of monovalent exchange able cations and electrolytes on the relation between swelling pressure and interlayer distance in montmorillonite[J].Journal of Colloid and Interface Science.1995.173:34-41.

[6]赵建武,张永红,张增伟.膨润土防水毯基础底板防水工程中的应用[J].施工技术,2007,36(3):49-53.