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HDPE防渗膜技术在环卫工程中的应用

HDPE膜是一种高密度聚氯乙烯合成材料,在我国各行各业应用较为普遍。中铁十五局四处、云南省环保局、上海市政设计院,经过对HDPE膜的性能研究和试验,HDPE膜对酸、碱和油污及水基化学剂有很好的耐腐蚀性与抵抗性;良好的拉伸强度和对紫外线的抵抗能力;具有很好的防水性能;不变形、不胀缩、可焊接性能好、便于施工、使用寿命长的特点。在世界银行贷款云南环境项目——昆明市西郊城市生活垃圾卫生填埋场土建工程施工中,将2mm厚HDPE膜(本文以下简称为HDPE膜)作为防渗材料,直接大面积应用于防渗工程,获得了成功。

工程概况
昆明市西郊城市生活垃圾卫生填埋场,占地面积0.65km2,设计有效库容量7.8×106m3,日处理垃圾700t,服务年限23年,是目前国内最大的城市生活垃圾卫生填埋场。工程所在地是典型的喀斯特地貌,场区内地层由石炭系、二叠系、第四系红粘土组成,普河断裂带呈南北向通过场区中部,溶洞、落水洞、漏斗等在断裂带周围呈串状排列,结构复杂、裂隙发育。地下有温泉和暗河通过,为使地下资源不受污染,在断裂带及其周围,铺设HDPE膜1148×105m2,贯穿于整个垃圾填埋场总区域内。

2HDPE膜防渗原理
在检验合格的基层和盲沟内铺设HDPE膜,在不同的部位利用不同的焊接方式,将铺设好的HDPE膜焊接成一个整体,周边锚入锚固沟,形成HDPE膜隔断层,使其垃圾渗沥水通过库区底部主次盲沟内穿孔的HDPE管收集并排至污水池处理,然后通过回喷设备回喷至垃圾表面进行加速垃圾腐化及蒸发。

3关键技术
双轨式热熔焊接
双轨式自动爬行热熔焊机主要由模拟电脑、电烙铁式热熔器、导轮三部分组成。通过在HDPE膜互相搭接的地方,利用上下导轮,将热熔器夹在两层HDPE膜之间,由电热熔器产生的350℃~420℃高温将上下两层HDPE膜原材料表层熔化,在导轮的夹力下将上下两层HDPE膜粘合在一起,形成(如图1所示)的双焊缝,称为“双缝焊接”。焊接速度一般为2.0~3.0m/min。


双轨式热熔焊接焊缝剖面示意图

挤压式热熔焊接
挤压式热熔焊机主要由电吹式热熔器、焊枪两部分组成。在焊接区域内将上层HDPE膜抬起,用打磨机打磨成近似45°斜面,上下两层HDPE膜的正反面磨光宽度5~7cm,将直径4mm或5mmHDPE的焊条通过电吹热熔器600℃高温,在焊枪口形成软化状的HDPE泥(焊条),同时通过热熔器的高温气体在焊枪前的排气口中排出,吹在待焊接的两块HDPE膜上,使HDPE膜表层熔化与液态化的HDPE泥(焊条)熔融,形成(如图2所示)焊缝。焊接速度一般为1.6~2.5m/min。

 

施工工艺
4.1工艺流程(见图3)
 4.2材料要求
4.2.1HDPE膜
HDPE膜的规格、型号、种类较多,经过试验,采用了美国GSE公司生产的黑色、厚度2mm、幅宽7.1m、每卷长度为110.0m双光面、双毛面两种HDPE膜,技术性能指标见表1。
4.2.2HDPE焊条
HDPE焊条必须与制作HDPE膜的树脂材料相同,直径4mm或5mm。

图3施工工艺流程图


4.2.3HDPE管
HDPE管为HDPE卷材,管壁厚度≥5mm,各项技术指标应符合表1中的要求。
表1HDPE膜防渗卷材的技术指标

4.2.4土工布
土工布主要起到保护HDPE膜和过滤作用。要求土工布透水性能好、厚度≥3mm,选用了湖南无纺布厂生产的无纺长纤维热定性土工布,技术性能指标见表2。


4.2.5碎石
碎石采用5~10mm、20~25mm两种规格,技术指标符合《建筑用碎石、卵石(GB/T14685—93)》质量标准。


4.3施工要点
4.3.1铺设HDPE膜的基层
(1)表面平整光滑、无裂缝,压实度≥95%以上。
(2)边坡坡度≤45°。边坡若有外露大面积的岩石,必须进行修正凿平或进行喷射混凝土、灌注混凝土处理。为使HDPE膜与边坡混凝土连接良好,在喷射混凝土或灌注混凝土时,在已测设好的HDPE膜接缝处预先埋设与HDPE膜材质相同的HDPE连接板。
表2无纺土工布技术指标



4.3.2HDPE膜的铺设
(1)在铺设HDPE膜之前,对铺设的范围进行测量,在现场画出接缝的位置,确定接缝的焊接方式。
(2)按测量尺寸进行裁剪。裁剪时,HDPE膜预留伸缩量不得少于铺设总面积的15%,每个锚固沟锚固长度≥2.5m。
(3)HDPE膜的铺设按先边坡后基底,先高处后低处的原则滚动铺设。使HDPE膜平顺贴底,尽量减少皱褶及拖移。HDPE膜展开后,应及时用砂袋(25kg)临时固定,铺设结束后及时锚固。
(4)HDPE膜的接缝,斜坡地段应与斜坡坡向平行,在水平地段接缝应位于单元底部,距坡脚≥1.5m,接缝的搭接宽度≥130mm。
4.3.3HDPE膜的焊接


 (1)HDPE膜的焊接方式以双轨式热熔(即双焊缝)焊接为主。因地形限制无法采用双轨热熔焊接时,采用挤压式热熔焊接。
(2)在焊接作业前,每天必须进行试验性焊接,调整及确定焊接机在当天作业所采用的温度与速度,试验性焊接检测撕裂强度和剪切强度合格后,方能正式焊接。


 4.3.4HDPE膜的缺陷修补
(1)对需要修补的地方,在进行修补焊接之前≤10min再次打磨光,使焊接面干净。
(2)对于有缺陷的焊缝,用HDPE膜覆盖补条焊接方式,重新用挤压法焊接,补条焊接必须覆盖以前的接缝边缘≥50mm。
(3)破坏性试验取样部位,用挤压法按补条焊接方法修补,所有补条必须超出缺陷区域边缘至少15cm,并做成圆角。


 4.4铺设无纺土工布
在铺设土工布时,应避免起皱、撕裂等现象,用土工布缝合机将土工布缝合成一个整体,周边同HDPE膜一起锚入锚固沟。必要时应多层铺设土工布。


 4.5锚固
(1)锚固沟在铺设HDPE膜前几天进行开挖,一般为80cm×100cm(宽×深),各个角做成半圆形。
(2)HDPE膜伸入锚固沟内铺设≥250cm,焊缝必须延伸到锚固沟内HDPE膜边缘。
(3)锚固沟内HDPE膜和土工布铺设完成后,及时用粘土分层回填夯实或用混凝土填充固定。


 4.6盲沟内安装穿孔的HDPE管
(1)盲沟在铺设HDPE膜的前几天开挖,坡度为2%,拐角处应作成半圆角。主次盲沟的配置形式一般采用鱼骨型(如图4所示)。


图4主次盲沟配置形式示意图
(2)盲沟内与库区一起铺设HDPE膜和土工布,检验合格后,在沟底均匀铺设粒径5~10mm的碎石20mm厚。
(3)在铺设好的碎石垫层上,铺设穿孔的HDPE管,将1/3未穿孔的HDPE管部分朝下,为导水槽,坡度为2%,用碎石临时固定,管网交会处分别用弯管、三通、四通接头连接。
(4)HDPE管安装完毕后,用粒径20~25mm的碎石回填至设计标高,同时在碎石上面铺设土工布,并与库区铺设的土工布缝合在一起,盲沟结构如图5所示。
 

 

质量控制
原材料检查
5.1.1HDPE膜HDPE管安装示意图(图5)
HDPE膜运到施工现场后,按每10000m2为一取样单位取样,不足10000m2也按10000m2取样,随机抽取样品四个,每个样品长度80cm,宽度50cm,按表1中的要求项目送至有检测资质的试验室进行检测,不合格的严禁使用。
5.1.2无纺土工布
 


图5HDPE管安装示意图
 

土工布按每5000m2为一取样单位,不足5000m2也按5000m2取样,按表2中所列的项目进行试验。
5.1.3碎石


 碎石按400m3为一取样单位,不足400m3也按400m3取样,样品从不同的16个部位抽取,样品的重量≥200kg。按《建筑用碎石、卵石(GB/T14685--93)》试验方法试验。


5.2施工过程检验


5.2.1试验性焊接检验
在施工前或施工中每隔4h以及电压变化后,必须做试验性焊接,焊接长度双轨式热熔焊接300cm,挤压式热熔焊接100cm,然后在试焊接的焊缝中取二组(每组样品为4个)焊接试件,宽度25.4mm和60.0mm,长度为(200+焊缝宽度)mm,在工地现场用张力试验设备,分别做剪切强度和撕裂强度试验。
试验标准为:材料本身出现损坏而焊缝无损为合格。
结果判定:若有90%的试样样品测试合格,该焊缝判定合格,可进行生产性焊接,否则,调整温度和速度再次进行试验性焊接,直至检验合格。


 5.2.2非破坏性检验
所有焊缝必须沿焊缝全长进行非破坏性试验,非破坏性试验可在焊接过程中或焊接全部完成后进行。非破坏性试验有两种测试方法,一种是空气压力法,检验双轨式热熔焊接接缝的质量,另一种是真空箱法,用于检验挤压式热熔焊接接缝的质量。


 5.2.2.1空气压力法检验
将热熔焊缝的一个端点密封,在这个端点插入一根空心气针,启动空气泵送气至焊缝中间,检查焊缝中间空气是否畅通,无堵塞现象后,密封另一个端点,再次启动空气泵送气至焊缝中间,在250~300Pa的气压下形成气室,当停止送气后,达到稳定5min压力表指针不动,或加压后之瞬间其指针下降≤30Pa为合格,否则寻求漏气点进行修补,再进行试验,直至全部合格。


 5.2.2.2真空法检验
在挤压式的焊缝上涂上一层肥皂液,将适当大小的透明真空箱(带压力表)置焊缝上,保持真空箱内的压力为-250Pa,移动真空箱,通过透明窗检查HDPE膜上是否有肥皂气泡出现,时间≥15s,给所有有肥皂气泡出现的地方标上标记,按规范要求进行修补,并重新进行试验,直至全部检验合格。


 5.3破坏性检验
破坏性检验按每500m焊缝长度为一取样单位取样,不足500m焊缝长度也按500m焊缝长度取样。样品为35cm×45cm一块,送至有检测资质的试验室进行抗裂强度和抗剪强度试验。若检测不合格,则应加倍取样,进行复验,如果复验结果全部合格,判定焊缝合格,复验结果不合格,应全面进行补强悍接,并重新取样复验,直至全部检验合格为止。

 


注意事项
(1)刮风、下雨、大雾,不应铺设和焊接HDPE膜。
(2)HDPE膜焊接前,两片HDPE膜搭接之处正、反面均应擦洗干净,膜表面不应有油脂、水分、灰尘和其它物质,以免影响焊接质量。在焊接过程中,不能使用溶剂或粘接剂。
(3)在铺设场地遇到混凝土建筑物时,焊缝必须在预先埋设的HDPE连接板上,将HDPE膜与HDPE连接板焊接在一起。
(4)在施工区域内遇有管线须穿越HDPE膜时,应先按照管经之大小及数量,以HDPE膜预制若干套管,使穿越的管子在套管中通过,然后再将套管与HDPE膜予以焊接,以免渗漏。
 

 

应用效果
(1)HDPE膜大规模应用于环卫工程施工,在我国是首次采用,施工技术达到了国内领先水平。世行检查团认为:“该填埋场防渗施工技术非常令人满意,将来可作为中国此类项目施工的一个典范。”
(2)采用先进的模拟电脑焊接设备,进行成片的铺设,焊接质量好,施工速度快,与传统的施工方法相比,提高工作效率3倍,缩短了施工工期,降低了工程造价,经济效益显著。


 (3)在防渗区将HDPE膜焊接成整体,避免了传统的防渗漏技术在使用中易形成的隐患,防渗效果好,阻隔了渗沥水污染地下资源,保护了生态环境,社会效益显著。


 (4)在昆明西郊垃圾填埋场土建工程施工中,铺设HDPE膜1148×105m2,检测焊缝长度22577.1m,其中空气法检测焊缝长度20907.2m,合格率100%,真空法检测焊缝长度1669.9m,合格率100%,破坏性检测焊缝抗裂强度和抗剪强度48组,合格率100%,分项工程合格率100%,单位工程优良率97.6%,被评为云南省优良工程。


结束语
HDPE膜是一种新型的防渗材料,具有良好的物理力学性能、可焊性好、不变形、不胀缩、使用寿命长的优点。在施工中具有操作简单,质量稳定,防渗效果好,施工进度快,消除了传统的防渗漏技术在使用中易形成渗漏的隐患,在二十一世纪地下空间、地下建筑物、环保、江河治理工程将有很大的发展前景。



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