垂直阻隔技术的应用与对比研究*
甄胜利，霍成立，贺真，郑中华，郑峰，孙晓东，刘力奇(北京高能时代环境技术股份有限公司，北京)
摘要
介绍了垂直阻隔技术的定义及分类，阐述了垂直阻隔技术在填埋场污染防控等领域的应用现状，从防渗墙深度、施工工艺、防渗性能、耐腐蚀性能、防渗材料、使用寿命等方面，重点对比分析了土-膨润土泥浆墙与HDPE膜柔性防渗墙的技术优缺点，同时指出了垂直阻隔技术的发展方向。
垂直阻隔技术;土-膨润土泥浆墙;HDPE膜柔性防渗墙中图分类号
文献标识码:A文章编号:-()01--06
垂直阻隔技术主要是利用地下阻隔封存污染物或改变地下水流向，以达到控制污染水平迁移的目的。为了达到阻止地下污染物迁移的目的，要求垂直阻隔墙有非常低的渗透性，实际应用中要求渗透系数≤1.0×10-7cm/s;同时，阻隔墙要有较好的连续性和耐久性，墙体材料具有较高的稳定性和耐腐蚀性，污染物与其作用不会导致阻隔功能的减弱或失效[1]。
在污染源阻控或污染场地具体应用时，需要基于风险控制目标，根据场地条件、污染物性质、风险特征和阻隔技术自身的特点等多种因素综合考虑，筛选出场地条件下最适宜的工程控制技术[2]。
1垂直阻隔技术分类
1.1根据建筑材料分类
根据垂直阻隔墙的使用材料，垂直阻隔技术可分为泥浆墙(slurrywalls)、灌浆墙(groutingwalls)、板桩墙(sheetpilewalls)、土壤深层搅拌(deepsoilmixing)、土工膜(geomembranes)、衬层技术(liners)[2]。
1.2根据施工方法分类
根据施工方法的不同，可用于垂直防渗墙工程施工的方法有地基土改性法、打入法和开挖法等[3]。
1)地基土改性法施工防渗墙是通过充填、压密地基土等方法使原土渗透性降低形成的防渗墙，在填埋场垂直防渗墙施工中主要有注浆法、喷射法和原土就地混合法3种。注浆法即注浆帷幕的一种方法，按一定的间距设计钻孔，采用一定的注浆方法和压力把防渗材料通过钻孔注入地层，使其充填地层孔隙，达到防渗的目的。该方法在我国的垃圾填埋场防渗中应用较广。喷射法施工是指通过高压旋喷或摆喷方法使浆液与地基土搅拌混合，凝固后成为具有特殊结构、渗透性低、有一定固结强度的固结体。该方法可使防渗墙的渗透系数达到10-6cm/s，固结体强度可达到10~20MPa。原土就地混合法施工方法是将欲形成防渗墙位置的原状土用吊铲等工具挖出，并使其与水泥或其他充填材料就地混合后重新回填到截槽中。为了保证切槽的连续施工，采用膨润土浆液护壁。该方法在美国应用较多，适用于深度较浅的防渗墙。
2)打入法施工防渗墙是利用夯击或振动的方法将预制好的防渗墙体构件打入土体成墙，或者利用夯击或振动方法成槽后灌浆成墙的一种方法。其防渗墙有板桩墙、复合窄壁墙及挤压灌注防渗墙等[3]。板桩墙的施工是将已预制好的板桩构件垂直夯入地层中。常用的板桩有钢板桩和外包铁皮的木板桩，板桩之间要用板桩锁连接，两板桩之间要有重叠，间隙要保持闭合或进行密封，防止渗漏。板桩墙还要有耐腐蚀性。板桩墙比较适宜在软弱土层中使用，对于硬塑性土层则由于打夯困难而受到限制。复合窄壁墙的施工方法:首先通过夯击或振动将土体向周围排挤形成防渗墙空间，把防渗板放入已形成的防渗墙空间，然后注浆充填缝隙形成防渗墙体。复合窄壁墙的施工有梯段夯入法和振动冲压法等。挤压灌注防渗墙，利用冲击锤或振动器将夯入件打入到所要求的深度，夯入件在土体中排挤出一个槽段空间，一般5~6个夯入件循环使用，当第3个和第4个夯入件打入后，前2个打入件可起出，向槽段灌注防渗浆材成墙。灌注浆材料可使用由骨料(砂和粒级为0~8mm的砾石)、水泥、膨润土和石灰粉加水混合而成土状混凝土。防渗墙体材料应满足制成防渗墙体的渗透系数≤10-7cm，并满足抗腐蚀性、能用泵抽吸、具有流动性、便于填充等要求。
3)开挖法施工防渗墙是通过挖掘地下土形成沟槽，槽壁的稳定由灌入的泥浆维护，然后在沟槽中灌注墙体材料并将泥浆排挤出而形成的防渗墙[3]。防渗墙施工可用的材料组成有:塑性材料(Ca、Na膨润土、黏土)、骨料(砂、岩粉等)、水泥、水、添加材料(稳定剂、挥发剂等)。上述矿物防渗材料有时达不到填埋场的防渗要求，需采取进一步的防渗措施。常用的方法是使用复合防渗系统，类似于水平防渗系统中的复合衬层系统，如使用柔性膜(如HDPE)和矿物材料复合组成复合垂直防渗系统。复合垂直防渗系统的优点:1渗透性极低，具有很好的防渗效果;2通过减少过流量，可使长期稳定性增强;3墙体具有较好的强度;4由于柔性膜分布于整个墙体中，避免了墙体可能存在的缺陷;5具有可监测性和可修复性;6由于柔性膜材料可相互连接，避免了墙体连接可能出现的缝隙。常见地下连续墙技术优缺点如表1所示[4-7]。
表1常见地下连续墙技术优缺点
2垂直防渗墙及应用现状
2.1垂直防渗墙简介[2]
最早的防渗墙墙体材料为刚性混凝土，经过近几十年的发展，世界各国都对防渗墙墙体材料进行不断的探索和研究，出现了众多的防渗墙墙体材料，诸如:塑性混凝土、黏土-膨润土泥浆防渗墙、土工膜柔性防渗墙等。
1)泥浆防渗墙常用的材料有黏土、膨润土、水泥、混粉煤灰等。实际应用中通常是多种材料的组合，通常分为:黏土-膨润土，水泥-膨润土，黏土-水泥-膨润土3类。其中水泥-膨润土，黏土-水泥-膨润土的相对渗透系数在10-5~10-6cm/s，黏土-膨润土的相对渗透系数可满足≤1.0×10-7cm/s[8]。近年来该类防渗墙在国外得到了迅速的发展，防渗墙材料类型的选择与场地土壤污染物的性质相关，因为污染物和地下材料可能会腐蚀墙体。
2)HDPE土工膜柔性垂直防渗墙是以高密度聚乙烯(HDPE)土工膜为主体阻隔材料，采用垂直开槽或震击方式将柔性HDPE土工膜垂直插入到相对不透水层，通过连接锁扣与内置止水条实现多幅HDPE土工膜的互锁连接，同时利用灌浆密封材料对土工膜底端进行止水固结形成立体式柔性垂直阻隔墙，达到阻隔污染物水平迁移的目的。
2.2垂直防渗墙的应用现状
黏土-膨润土防渗墙与HDPE土工膜垂直防渗墙作为2种污染场地环境风险工程控制技术，均可以起到阻隔污染物，阻止污染物迁移的效果，有利于减少或避免危险物质释放可能导致的环境和人体健康危害。2种防渗墙在应用范围、结构组成、施工和防渗效果上均存在较大的差异。
黏土-膨润土泥浆墙技术由于其施工简单、工程造价低、场地适应性强等特征，应用比较广泛。最初使用黏土-膨润土泥浆作为防渗墙体材料的是美国，在欧洲主要是以水泥-膨润土泥浆墙为主[9]。黏土-膨润土泥浆防渗墙的施工具体方法是[10]:首先用挖土机在地基中开挖一个狭长的槽，宽度在0.6~1.5m，其具体宽度与施工机械的特点相关，但必须大于预定的宽度;然后在沟槽开挖的过程中用膨润土泥浆作为护壁材料来维持槽壁的稳定;当沟槽开挖完成并检验合格时，将开挖出的土壤材料混和膨润土或膨润土泥浆作为回填材料，待搅拌均匀后，用推土机或抓斗或者采用水下灌浆的方式将回填材料注入沟槽而形成连续的柔性墙体。目前国内黏土-膨润土、水泥-膨润土泥浆防渗墙墙体材料开发应用一直很缓慢。直到年，在深圳大亚湾核电站，由法国地基公司施工做成了我国第一道水泥-膨润土泥浆防渗墙。上海老港生活垃圾填埋场的部分垂直防渗墙也采用水泥-膨润土泥浆作为墙体材料，不仅节约了成本，而且加快了施工进度，但是由于工程应用技术缺乏，墙体整体的渗透系数未达到设计指标要求。国内对黏土-膨润土、黏土-水泥泥浆的研究并不多，尤其是对各材料对墙体的抗渗透性能影响的研究更少。
以HDPE土工膜为主体防渗材料的柔性垂直防渗技术在国外具有较成功的应用案例，如在澳洲布里斯班、美国宾夕法尼亚州的污染场地修复中得到应用，最大插膜深度为20m。国内北京高能时代环境技术股份有限公司在云南驰宏历史遗留渣堆污染综合治理的柔性垂直防渗工程中，已成功实现了最大插膜深度30m，目前该柔性垂直防渗墙技术已经成功在江苏靖江、新疆等地推广应用。
3土-膨润土泥浆墙与HDPE膜柔性防渗墙的技术对比
针对土-膨润土泥浆墙和HDPE膜柔性垂直防渗墙的不同特点，围绕防渗墙深度、施工工艺、防渗性能、耐腐蚀性能、使用寿命、墙体完整性、抗变形能力、施工技术难度与质量控制、防渗墙厚度等方面，对2种不同垂直防渗墙的优缺点进行了对比分析和总结。
3.1垂直防渗墙深度
1)黏土-膨润土泥浆防渗墙采用垂直开槽方式，开槽过程中采用泥浆护壁，然后将制备好的黏土-膨润土泥浆灌注到槽体内置换护壁泥浆构筑防渗墙。目前，泥浆墙在美国的最大深度已经超过60m[2]。
2)HDPE土工膜防渗墙的铺膜方式可分为开槽式和震击式，其中开槽式采用泥浆护壁，然后用钢框固定或液压机铺膜。目前国外最大铺膜深度25m[11]，国内已经实现垂直铺膜深度30m。因此，就防渗墙深度而言，HDPE土工膜防渗墙的深度要低于黏土-膨润土泥浆防渗墙。
3.2施工工艺
1)黏土-膨润土泥浆防渗墙施工工艺相对简单，主要包括垂直开槽、泥浆护壁和泥浆置换成墙3个施工工艺[10]。
2)HDPE土工膜防渗墙施工工艺主要包括:垂直开槽、泥浆护壁、垂直铺膜、膜体连接、密封剂灌注、完整性检测、回填成墙。相比泥浆墙垂直防渗施工工艺相对复杂[11]。
3.3防渗性能
3.3.1黏土-膨润土泥浆防渗墙
黏土-膨润土防渗墙的渗透性取决于混合料的配合比，渗透性对原料及掺加量具有很强的依赖性[1]。黏土-膨润土防渗墙的渗透系数一般在10-6~10-7cm/s[12]，渗透性受膨润土掺入量的影响较大，其渗透系数随着膨润土的减少而减小[13]。工程应用中，为了得到抗渗性能好的泥浆防渗墙，应尽量用较小的水胶比，适当增加膨润土用量，控制黏土用量，掺入适量的粉煤灰和减水剂，同时还要严格控制施工质量[14-15]。
黏土-膨润土防渗墙施工完成后，其抗渗能力保持长期稳定具有重要意义，然而实际工程应用中防渗墙会受周边地质条件及水质情况的影响，渗透系数发生变化。钙基膨润土中的钙离子容易与黏土矿物颗粒表面的单价阳离子发生置换反应，使扩散双电层厚度减小，结合水含量降低，因而有效孔隙率增加，宏观上造成渗透系数变大[12]。H.Y.Jo等[16-17]曾对土-膨润土防渗墙回填材料、土工合成衬垫(GCL)以及压实的砂-膨润土混合土的渗透系数进行研究，结果表明其渗透系数可能会由于回填材料与无机阳离子的相互作用而增大。
D’Appolonia等[18]研究发现:氢氧化钠溶液在土-膨润土回填材料中渗透时，防渗性能会降低到原来的1/5~1/10;有机溶液、电解质溶液浓度增大或因强酸溶液作用都会使黏土，特别是膨润土的结构变化，而导致渗透系数上升。此外，M.Kashir等认为膨润土对尾矿酸液(AMD)的长期阻滞能力较差，并认为AMD作用下破坏土颗粒表面双电层使之形成絮凝结构导致渗透系数增大[19]。因此，无法确保黏土-膨润土防渗墙的渗透性在施工完成后长期维持在允许的范围之内。
3.3.2HDPE土工膜防渗墙
HDPE膜的主要成分为高密度聚乙烯原生树脂(约97.5%)，采用HDPE膜的垂直防渗墙渗透性极低，高密度聚乙烯的渗透系数达到10-12cm/s，甚至更低。HDPE膜段之间采用锁扣插接，配合以橡胶止水条，形成连续的整体防渗结构面，防渗墙具有很好的防渗效果[3]。因此，土工膜的低渗透性和连接的完整性是其他防渗墙难以达到的。
3.4耐腐蚀性能
3.4.1黏土-膨润土泥浆防渗墙
黏土-膨润土泥浆墙的渗透系数和施工方式受场地土壤和污染物影响较大;金属离子会改变材料的渗透性能，导致墙体阻截性能下降，渗透性增大;非极性有机液体极易渗透;有机物溶液、电解质溶液浓度增大或强酸碱作用下，结构发生改变，渗透系数呈数量级增大;溶解性有机污染物不改变材料的结构，也不影响材料的渗透性;允许拉伸应变力较小;墙体厚度较大。适用于水利工程、新建的平原型填埋场(起止水功能)、无强度要求的隔离工程、阻隔时间不太长的地下水截获工程等。
A.K.Mishra等[20]研究了盐浓度对土壤-膨润土混合物质的影响，实验比较了不同盐类不同浓度(NaCl和CaCl)2对墙体材料渗透系数的影响。实验结果表明，二价离子比单价离子对墙体材料的渗透系数影响要大;在低浓度时两者影响都不明显，高浓度时都会导致渗透系数增加，渗透系数随浓度的增大而增大。
3.4.2HDPE土工膜防渗墙
HDPE土工膜防渗墙由土工膜和矿物材料共同作用，对酸、碱、盐、无机类具有良好的抗侵蚀能力;渗透系数较低;适用于防渗要求等级高、有效阻隔期较长的工程。
3.5主体防渗材料
3.5.1黏土-膨润土泥浆防渗墙
黏土-膨润土泥浆墙的主体防渗材料为膨润土。目前，膨润土的主要类型有钙基膨润土和钠基膨润土。我国已探明膨润土储量的90%以上为钙基膨润土。与钠基膨润土相比，钙基膨润土遇水膨胀性性能较差，且钙基土在水中迅速崩塌成散粒状团块，可塑性与吸水率均低于天然钠基土。但由于数量庞大，价格便宜，目前国内的塑性混凝土防渗墙所使用的膨润土主要为钙基膨润土。丁国庆等[21]研究了膨润土种类及掺量对塑性混凝土性能的影响，结果表明使用钠基膨润土的塑性混凝土的相对渗透系数明显低于钙基膨润土，且使用钠基膨润土的塑性混凝土的抗压强度和弹性模量也为钙基膨润土塑性混凝土抗压强度和弹性模量的1.5倍左右。
基于钠基膨润土的优异特性，国内常常将钙基膨润土进行钠化改性，即所谓人工钠化膨润土。主要利用蒙脱石层间阳离子的可交换性，通过添加钠化剂(无机钠盐或有机钠络合改性剂)，提高介质的钠离子浓度，使其进入蒙脱石层间，置换出原已吸附的阳离子的改性技术，被称为“人工钠化”。人工钠化土与天然钠基土在性能上仍然有很大的差异，主要表现为以下几点[22]
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1)人工钠化土稳定性差，其物理性能的稳定时限大致小于18个月。特别对富含方英石和碳酸钙的膨润土，当其外界环境处于pH7.8时，人工钠土物理性能的稳定时限会更短。我国曾有一批人工钠化土，作为钻井泥浆用土出口美国，各项指标均达API标准。半年后，美方要求退货，重检各项指标，已大不如前，究其原因，此批人工钠土的原矿是富含方英石的膨润土，在半年中，方英石与碳酸钠充分反应成偏硅酸钠(水玻璃)，钠化已无效，半年后又恢复为钙土。
2)人工钠化膨润土的碱度是天然钠基膨润土碱度的10倍，碱度过大会削弱其抗渗性能。
因此，鉴于钙基膨润土和人工钠化膨润土在使用过程中存在的问题，美国、欧洲等地黏土-膨润土、水泥-膨润土等泥浆防渗墙采用的为天然钠基膨润土。
3.5.2HDPE土工膜防渗墙
HDPE土工膜防渗墙的主体材料为高密度聚乙烯土工膜，对酸、碱、盐、无机类具有良好的抗侵蚀能力;渗透系数较低;膜体材料质量执行GB/T—土工合成材料聚乙烯土工膜的要求。
3.6使用寿命
3.6.1黏土-膨润土泥浆防渗墙
黏土-膨润土防渗墙容易受海水介质、地下污染物的腐蚀，通过化学反应(阳离子置换等)，导致膨润土防渗性能降低，渗透系数上升。此外，干湿循环、冻融循环都可能引起墙体产生裂缝，导致墙体阻滞能力削弱[2]。该类防渗墙的稳定性受多种因素的影响，而在配合比设计中，目前缺少统一的方法和标准。工程设计人员只能结合以往的工程经验和给定的性能指标和力学参数进行反复多次的试配，才能得到最优配合比，以确保取得最佳的防渗效果。
美国采用以黏土-膨润土泥浆作为回填材料，用开槽施工方法修建防渗墙。最初黏土-膨润土泥浆墙是被用于阻截地下水流，防止地基或大坝等构筑物被侵蚀，后来逐渐被用在矿山、垃圾填埋场、化工等场地的污染物扩散控制[14]。20世纪70年代，美国EPA建议开始使用黏土-膨润土泥浆墙阻截污染地下水，以使用寿命30a作为设计限制时间[23]。
3.6.2HDPE土工膜防渗墙
土工膜的持久性受多种因素影响，其老化过程主要取决于温度波动、紫外线辐射、张力波动、物理侵蚀和化学侵蚀，一旦填埋完成后，前4种因素的影响往往不会发生，化学侵蚀则起到关键作用[24]。而HDPE膜稳定性好，耐受各种复杂化学环境和各种化学品。谢云峰等[2]认为HDPE膜耐受各种复杂化学环境，抗腐蚀性强，理论使用寿命可以达到a，HDPE土工膜最早应用于工程实践至今约60a。采用HDPE的垂直防渗墙体具有较好的强度，通过减少过流量，可使长期稳定性进一步增强[24]。
3.7防渗墙完整性检测
1)黏土-膨润土泥浆防渗墙的完整性一般通过施工过程中的质量控制实现，目前，并未见报道有效的泥浆防渗墙完整性检测方法。
2)HDPE土工膜防渗墙可采用电学检测方法(双电极法)对土工膜的完整性进行检测，利用HPDE膜电绝缘性，在垂直防渗膜铺设过程中，在垂直膜一侧分别放置多个发射电极，另一侧设置接收电极。根据电势分布图进行分析判断，其中电势异常值最大的点判断为可能破损点[25]。
3.8抗形变能力
1)黏土-膨润土泥浆防渗墙墙体内部容易产生应力集中，在荷载的作用下会由于与周围土层存在变形差异而产生明显的裂隙或破裂[14]。国内在塑性混凝土的力学性能方面的研究还不够深入，实际工程中，塑性混凝土墙体受力状态十分复杂，仅用单轴强度评价其强度性能，不能客观评价墙体在实际三向受力下的状态和性能，也不能反映墙体在复杂作用(如库水位升降、地震的作用)下的渗透性能和稳定性，造成设计参数不合理。汤俊杰[26]对塑性混凝土基本性能的研究表明，塑性混凝土较一般刚性混凝土具有较大的极限应变，但在无侧限条件下受压极限应变值也仅为1%左右。
2)HDPE土工膜防渗墙墙体内的HDPE膜可以随着土体的变形而发生相应的较大的变形和拉伸，保持整体的完整性，此外，使用的密封剂同样具有很强的抗变形能力。防渗墙主体材料HDPE土工膜执行GB/T—土工合成材料聚乙烯土工膜的要求，材料质量可控。
3.9施工技术难度及质量控制
1)黏土-膨润土泥浆防渗墙施工过程中需要对墙体进行一定时期的养护，所用到的胶凝材料种类多，施工工艺相对简单，对泥浆配合比技术要求较高，必须保持黏土-膨润土泥浆质量的均匀性，对现场技术人员、施工人员以及施工过程中的监理人员的经验和技术要求较高。
2)HDPE土工膜防渗墙安装技术要求高，用到的防渗材料、泥浆质量、连接构件、底端固结、密封剂、检测和监测等环节非常重要，一个环节处理不好，整个系统便达不到预期防渗效果。因此对设计和施工要求严格，必须制订周全的工程方案，现场技术和施工人员需要具备专业的理论基础和工程经验，施工技术难度相比泥浆防渗墙技术难度大。
4垂直防渗技术的发展方向
HDPE膜-膨润土复合防渗墙被认为是目前最为安全有效的地下污染源阻隔技术[27]。该复合防污帷幕是在传统的土-膨润土墙或水泥-膨润土墙中插入1.5~3mm厚HDPE土工膜形成的，利用HDPE土工膜卓越的防渗性能(≤1.0×10-12cm/s)、抗化学腐蚀性能和使用寿命长(≥a)等特点，与膨润土的高吸附性能和自愈合性能结合，形成一种很好的垂直屏障，从而对地下污染源实现有效的封堵。由于HDPE膜-膨润土复合垂直防渗墙的诸多优点，将会成为垂直防渗技术的未来发展方向。
5结论
土-膨润土泥浆墙和HDPE膜柔性防渗墙是目前应用较为广泛的垂直防渗技术。在工程应用时，需要基于风险控制目标，综合考虑根据场地条件、污染物性质、风险特征和阻隔技术自身的特点等多种因素，筛选出最适宜的工程控制技术。为了达到控制污染的目的，垂直阻隔墙需要达到低渗透性要求(实际应用中要求≤1.0×10-7cm/s)，同时阻隔墙需要较好的完整性、良好的耐侵蚀能力和持久性。HDPE膜-膨润土复合垂直防渗墙将会成为垂直防渗技术的未来发展方向。
参考文献/p>
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