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垃圾填埋场中的土工膜:衬垫、盖子和浮罩概述

时间:2019-02-20已阅读过: 60次

        今天我们所说的土工膜,主要是高密度聚乙烯( HDPE ),已经被用作填埋场的底层衬垫将近30年了。它们还被用作盖子,最近几年土工膜还被用作渗沥液池上的浮盖。总的来说,它们表现得非常好,但并非出人意料的是,也有一些例外情况指导我们开发更好的系统。

在开始详细回顾这一领域正在发生的事情之前,让我们先定义术语:


在安全壳设施的地板和侧面衬上阻挡层


将阻挡层覆盖在固体废物容纳设施的顶部


漂浮覆盖一层土工膜,漂浮在包含的液体上,该液体密封在池塘边缘的底部衬垫上,并随液位上升和下降。


因此,土工膜衬里包含有价值的产品和/或保护地下水,土工膜帽包含填埋气体并防止沉淀变成渗沥液,浮罩防止气味排放并防止有价值的资源如饮用水的蒸发/污染。


高密度聚乙烯用途的演变

20世纪80年代初,HDPE基本上取代了PVC作为土工膜的首选材料,因为它具有广泛的耐化学性、高强度、在不添加添加剂的情况下获得的相对固有的柔韧性、耐候性(允许其不被覆盖)、以及通过热方法而不是使用溶剂和粘合剂进行整体熔焊的能力。那时PVC接缝可以被剥离,HDPE接缝则不能。


HDPE土工膜衬里系统正在采石场垃圾填埋场安装点击此处放大图像

很快发现,特别是在寒冷的环境中,当HDPE在低温下收缩时,内衬中产生的拉伸应力会产生脆性应力开裂( SC ),这是HDPE天然气分配管中以前经历和研究过的现象。应力开裂是在低于材料拉伸屈服或断裂应力的恒定应力下发生的脆性开裂。发现SC是树脂配方的函数,因此在不同土工膜制造商的高密度聚乙烯中,SC可能有很大不同。然而,这些年来配方已经得到改进,以至于SC现在很少出现在国际HDPE树脂和土工膜制造商的材料中。

垃圾填埋场滤液调节池覆盖的土工膜

由于这种对SC的敏感性,标准设计目标是土工膜仅起屏障的作用,而不是衬里系统的承重构件,因此要求土工膜衬里得到充分支撑。虽然这在图纸上很容易实现,但由于HDPE的高热膨胀系数,在实践中很难实现。皱纹在实践中很难消除。因此,HDPE土工膜在覆盖时不可避免地受到应力。部分由于这一原因,双层衬里系统是使用二级(下部)衬里作为安全备用衬里开发的。如果两个土工膜之间的渗沥液检测系统( LDS )不被允许填充泄漏的液体,这种方法非常有效。避免二次衬里上的液压头会导致衬里系统不泄漏。一次和二次土工膜都有类似数量的不可避免的缺陷,但是如果通过一次(上部)衬里泄漏的液体不能积聚在二次衬里的几个缺陷上,那么双系统不会泄漏到路基中。


定位泄漏

收集泄漏液体允许确定通过主衬里的泄漏流速。与此同时,在20世纪80年代后期,人们引入了电气技术来定位被液体和土壤覆盖的土工膜中的泄漏。大约25 %的泄漏是在土工膜本身的安装过程中引入的,75 %的泄漏是在土工膜被覆盖时引入的。每单位面积的泄漏数量随着衬垫面积的增加而减少,并且随着安装中的相对细节工作量的减少而减少。泄漏频率从约12/ha下降到约2/ha以上。


电气调查显示,大多数衬里装置都不同程度地泄漏,这主要是由于所执行的施工质量保证( CQA )的有效性。为了尽量减少渗漏,土工膜与压实粘土衬垫以及后来的土工合成粘土衬垫相结合,制成复合衬垫。对于GCLs,通常是两层土工织物,其间夹有膨润土颗粒并针刺在一起,其原理是土工膜中的泄漏会使膨润土水合,导致膨润土膨胀并密封泄漏。GCL和土工膜之间的紧密接触阻止了液体沿该界面的横向传输,从而显著减少了单个主衬里泄漏。然而,土工膜中的褶皱仍然是一个潜在的问题,产生了土工膜不与GCL接触的区域,以及衬里受到应力且更有可能失效的区域。推土机铺覆盖土来刮去皱纹也很常见。因此双复合衬里系统的发展。


然而,尽管理论上是可取的,但实际的做法是,起皱的第二衬层上放置有起皱的HDPE土工网/土工织物复合低密度聚乙烯,这些复合低密度聚乙烯又被起皱的第一土工膜覆盖。应力是不可避免的;没有实现紧密接触,并且次级衬里中的褶皱导致次级衬里上积水。尽管如此,大多数衬里系统似乎运行良好。


零泄漏可以实现吗?

“令人满意”并不意味着通过主衬里的泄漏为零。电气调查统计显示,零泄漏是不合理的期望。没有泄漏的主衬里确实存在,但是它们肯定不能得到保证。有许多双层衬里系统,只有水滴从LDS中流出,但所有者对此并不满意。修补衬里的要求只会导致泄漏流量增加。在美国,通过具有300 mm静水压头的主土工膜的可接受的最大允许泄漏率(规定的最大值)通常为每天200升/公顷,超过该值,泄漏将被发现和修复。在城市污水处理厂,低于2米的水头,每天5000升/公顷。这太高了,更合理的是大约2000升/公顷。因此,合理的衬里设计应假设最大允许泄漏流量,并结合一个暗渠系统,该系统将处理该流量,而不会进一步损坏路基和衬里。

建设在山区的垃圾填埋场用的土工膜

良好排水的重要性

目前,这一点在污水处理厂中最为重要,在污水处理厂中,泄漏水中的细菌活动可以继续,与路基营养物质的额外反应会产生大量甲烷和其他气体。衬管下面有积水,这些气体没有通道可以逸出到斜坡顶部的排气口。气体积聚,衬垫上升,直到它冲破水面变成鲸鱼。鲸鱼通常含有高于水面的气体,而衬垫下面的水位与衬垫上面的水位相同。衬里下面必须有一个良好的排水系统,水可以从中排出,并且必须有足够的容量,任何产生的气体都可以向上倾斜排放到斜坡通风口。典型的无纺布衬垫是不够的。


随着在重大问题发生之前识别泄漏的重要性,作为CQA的最后阶段,在衬管被覆盖到600 mm到1米之间的深度后,对所有主要土工膜衬管进行地电衬管完整性调查已成为一项规定要求。在这个阶段,土壤覆盖面上的进一步活动不太可能对土工膜造成进一步的损坏,但是它仍然可以很容易地暴露出来进行修复。事实上,纽约州环境保护部看到了对主要土工膜进行调查的实际好处,因此增加了对次要土工膜的占地面积进行调查的要求。


填埋封盖

为了最大限度地减少必须处理和处置的初级沥滤液量,土工膜也被引入垃圾填埋场,以防止沉淀进入,并捕获和去除垃圾填埋气体( LFG )。虽然HDPE也已用于瓶盖中,但优选的材料通常是线性低密度聚乙烯( LLDPE )或另一种更柔韧的材料,如PVC或柔韧聚丙烯( fPP ),这将更好地适应与废物内不同沉降相关的应变和合成应力。因此,土工膜必须能够符合差异沉降的轮廓,而不会引起应力,例如,可能引发应力开裂。结晶度较低的材料,如LLDPE和fPP,在制造状态下对SC不敏感。这一要求也清楚地表明,就长期性能而言,土工膜的延展性远比其强度更重要。力量对于能够应对安装的严酷性来说才是重要的。



工业垃圾填埋场上的BGM盖,顶部裸露,斜坡植被覆盖。点击此处放大图像

为了防止衬垫和顶盖从斜坡上滑落,衬垫和顶盖通常具有纹理或结构,以增强与GCLs和土工复合材料上的下层土壤或无纺土工织物的摩擦。纹理是一种随机的“粗糙的海洋”轮廓,而结构化轮廓是设计成与不同的配合面最佳互动的工程轮廓。为了防止覆盖土壤在土工膜顶部滑动,上表面也可以有纹理或结构。然而,如果上界面的界面剪切强度高于下界面的界面剪切强度,则土工膜会产生拉伸应力,从长远来看,这可能会造成破坏,特别是对HDPE而言。因此,使用对SC不敏感的盖材料的另一个原因。


当覆盖土滑落时,垃圾填埋场的盖出现了许多边坡破坏,主要是由于设计时没有考虑饱和土壤条件。在某些情况下,覆土会在土工膜上滑动,使土工膜未受损,而在其他情况下,覆土会带走土工膜并撕裂土工膜。这是双面或单面摩擦增强的函数。因此,现在有使用外露土工膜盖( EGC )的趋势。


外露土工膜帽能提供什么?

暴露的盖子消除了土壤盖子的问题,降低了盖子的成本和施工时间,增加了空气空间。相反,设计必须考虑风力提升、LFG压力提升、暴露于紫外线辐射和更高温度以及大量和高速的降水径流的可能性。在美国,大约有八个外露的土工膜盖( EGCs )是用强化fPP、HDPE和乙烯共聚体合金( EIA )建造的。佛罗里达的一个HDPE电子元件成功地经受住了两次飓风。fPP-R上限已经运行了10年,并且将被允许再运行10年。PP表现良好,因为它的热膨胀系数低,并且没有褶皱。HDPE中的褶皱倾向于向下移动斜坡,但在较低温度下不会向上移动。这需要仔细考虑锚沟的图案。LLDPE由于其较低的耐候性而不用于EGCs。


特别是在寒冷地区,预制沥青土工膜( BGM )是EGCs的新候选材料。BGMs是定制的工程土工膜,由玻璃纤维绒和浸透氧化或弹性改性沥青的无纺土工布组成。它们可以在远低于0°C的温度下展开和焊接,它们具有非常低的膨胀系数,抗风力和LFG上升能力很强,焊缝可以100 %超声波测试。他们能忍受粗糙的路基和覆盖土壤。


浮动盖

强化聚丙烯、HDPE和氯磺化聚乙烯( CSPE Hypalon )已被用于渗滤液池的浮盖,以减少气味,防止事故沉淀变成需要处理的渗滤液。在其他一些应用中,特别是在饮用水水库中,PP浮动盖和衬垫在褶皱顶部和其他受力位置遭受应力开裂故障。这似乎是压力和液体环境、压力和热氧化之间的协同作用,压力和紫外线辐射加速了添加剂的损失。然而,在浮罩应用中破裂的相同材料在暴露的盖子中表现非常好。对聚丙烯有更多的了解,但这与HDPE早期的SC问题没有什么不同。


展望未来

我们将来会看到什么?单单元复合衬垫、具有自愈合能力的五层和七层土工膜、用于焊缝宽度和长度100 %以上焊缝结合强度无损测量的红外热像图以及用于焊接机控制的反馈、更多地使用电(和其他)测量进行泄漏定位、在GCLs和土工复合材料上喷涂无缝衬垫,以及用于发电的带有纳米光伏表面层的外露土工膜。


衬里技术才刚刚开始发展。


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