真空法檢驗土工膜整體質(zhì)量的試驗研究
分析了土工膜生產(chǎn)、運輸、鋪設過(guò)程中可能存在的缺陷，指出目前分階段質(zhì)量檢測方法很難保證鋪設完工后土工膜的整體質(zhì)量，即土工膜防滲體系的不透水性。提出土工膜整體質(zhì)量完整性檢測的概念，以及利用真空原理進(jìn)行土工膜整體質(zhì)量完整性現場(chǎng)檢測的方法。選擇2500 m2 試驗區，進(jìn)行了真空法檢驗土工膜整體質(zhì)量完整性的現場(chǎng)試驗，得出結論：(1)對于地下水埋藏不深的土層，真空法可用于檢測土工膜整體質(zhì)量的完整性;(2) 在利用真空法檢測檢驗土工膜整體質(zhì)量的完整性時(shí)，可根據膜下氣密空間的真空程度，判斷土工膜整體質(zhì)量的完整性;(3)單層土工膜很難保證完工后土工膜的不透水性，防滲可靠性也相對較低，而分離的雙層土工膜可有效提高土工膜防滲的可靠性。最后，分析了土工膜完整性真空檢測系統漏氣的影響因素，并探討了土工膜整體質(zhì)量完整性的檢測方法。
防滲是建設平原水庫和垃圾填埋場(chǎng)的重要問(wèn)題。對于采用土工膜防滲的平原水庫，土工膜缺陷產(chǎn)生庫水滲漏，會(huì )引起庫區周?chē)䴖](méi)和土壤次生鹽堿化，并造成水資源的嚴重浪費。對于采用土工膜防滲的垃圾填埋場(chǎng)，土工膜缺陷會(huì )引起濾液的滲漏[1]，造成周?chē)h(huán)境的污染。因此土工膜材料的完整性(即無(wú)缺陷和漏洞)是防滲成功與否的關(guān)鍵。
目前，土工膜整體質(zhì)量采用分階段控制的方土工膜國家標準》(GB/T 17643- 2011)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制;在土工膜鋪設過(guò)程中，依據《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規范》(SL/T231—98) 等相關(guān)規法，如在土工膜生產(chǎn)和運輸過(guò)程中，依據《聚乙烯范進(jìn)行施工質(zhì)量控制，重點(diǎn)控制接縫的質(zhì)量[2]。一般而言，土工膜在生產(chǎn)、運輸、鋪設過(guò)程中極易產(chǎn)生一定的損傷，并存在一定的質(zhì)量缺陷，如：生產(chǎn)過(guò)程中非均勻性和異物侵入、裝卸過(guò)程中的工具傷害、堆放與鋪設過(guò)程中尖銳物刺破和意外傷害、熱熔焊接過(guò)程中焊縫不嚴或熱灼傷等;此外，在工程運行過(guò)程中，植物根系、嚙齒類(lèi)動(dòng)物也會(huì )對土工膜造成一定的損傷。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為分階段質(zhì)量控制并不能保證完工后土工膜整體質(zhì)量的完整性，進(jìn)行完工后土工膜整體質(zhì)量的檢測，具有重要的現實(shí)意義。
目前，垃圾填埋場(chǎng)工程中存在一些土工膜滲漏檢測方法，如地下水監測法、跟蹤劑法、電學(xué)法、地球物理探測方法等[3~5]，其中電學(xué)法可用于土工膜整體質(zhì)量檢測，其他方法只適用于工程運行中的滲漏檢測。電學(xué)法是利用土工膜電絕緣性和垃圾導電性的原理進(jìn)行土工膜滲漏檢測，檢測時(shí)需要在膜下預埋一定數量的電極，并需要在膜上澆灌導電液體，雖說(shuō)也可完成土工膜整體質(zhì)量的檢測，但難于完成水利工程大面積土工膜整體質(zhì)量的檢測。
下面介紹利用真空法進(jìn)行土工膜整體質(zhì)量檢測的基本原理和現場(chǎng)試驗研究。
1、基本方法
土工膜的整體質(zhì)量是指土工膜鋪設完工后的土工膜整體的質(zhì)量，是土工膜生產(chǎn)、運輸、鋪設過(guò)程后的最終質(zhì)量。土工膜的完整性是指土工膜(指土工膜鋪設焊縫后的連接體)無(wú)缺陷和漏洞，即不滲水性。土工膜整體質(zhì)量的完整性檢測是指土工膜鋪設完工后，對土工膜整體防滲性能的質(zhì)量檢測。土工膜整體質(zhì)量的完整性取決于土工膜生產(chǎn)、運輸和鋪設每個(gè)環(huán)節過(guò)程的質(zhì)量控制，整體質(zhì)量的完整性檢測可以檢測生產(chǎn)、運輸和鋪設過(guò)程中產(chǎn)生的任何質(zhì)量缺陷、損傷或不完整性，是土工膜防滲體系最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。
檢驗土工膜整體質(zhì)量完整性的真空法就是利用鋪設完工后的土工膜體系構造土工膜膜下相對氣密空間，抽真空，如果膜下氣密空間內易形成一定的真空度，說(shuō)明土工膜整體質(zhì)量是完整的，否則是不完整的。利用真空法檢測土工膜整體質(zhì)量完整性的具體方法是：
(1)預埋真空表。預檢土工膜鋪設前，在膜下表層土中預埋真空表，作為檢驗土工膜整體質(zhì)量完整性的監測設備。
(2)構造膜下抽氣系統。對于平原水庫土工膜庫盤(pán)防滲結構(即水庫庫底全鋪土工膜)，可利用原庫盤(pán)防滲結構土工膜膜下的砂溝排氣系統作為抽氣管路系統，也可在土工膜膜下預埋軟式透水管作為抽氣管路系統;對于垃圾填埋場(chǎng)土工膜防滲結構，可在土工膜下預埋軟式透水管，作為抽氣管路系統。
(3)按工程要求鋪設土工膜。
(4)構造土工膜膜下氣密空間。氣密空間的頂層為土工膜;氣密空間的底層為不透氣層，如地下水等。氣密空間的四周可采用多種方法形成氣封，如地下水埋深較淺的(2 m 以?xún)?，可在預檢土工膜四周挖溝至不透氣層，將土工膜接長(cháng)并垂直向下延伸至不透氣層以下;對于地下水埋深相對略深的(2 m~10 m 以?xún)?，可在預檢土工膜的四周溝內充水，滲水與不透氣層相接形成水封帷幕。
(5)選擇抽真空機組。根據預檢土工膜的大小，選擇合適的抽真空機組，并將抽真空機組管路與膜下抽氣管路系統連接。對于大型土工膜防滲工程，可采取分塊檢測的方法。
(6)進(jìn)行膜下抽真空檢測。根據膜下真空表所示真空度，判斷土工膜整體質(zhì)量的完整性。
2、試驗研究
2.1、試驗區
試驗區地面高程38.5 m，上部土層為壤土和砂壤土，其中壤土滲透系數5.7×10- 5 cm/s，砂壤土滲透系數2.8×10- 4 cm/s。地下水位4.5 m。
2.2、試驗設計
試驗場(chǎng)地選擇50 m×50 m 的正方形平地，在場(chǎng)地四周開(kāi)挖3 m 深的溝，溝內充水。在場(chǎng)地表層沿正方形對角線(xiàn)鋪設Φ100 軟式透水管作為抽氣管路系統，然后在其上鋪設一布一膜復合土工膜(布200 g/ 膜0.2 mm)，并將土工膜延伸至四周水溝底部，溝內水下滲，與地下水連通后，可形成膜下氣密空間。
抽真空設備選用2 臺7.5 kW 射流泵，射流泵通過(guò)橡膠管接入試驗區中心點(diǎn)處軟式透水管。抽真空時(shí)，膜下非飽和土中孔隙氣體有兩個(gè)氣流通道，一是通過(guò)復合土工膜底層的布，傳入透水管，沿透水管匯入透水管中心，再經(jīng)軟式橡膠管由射流泵抽出;二是通過(guò)非飽和土中孔隙，向射流泵橡膠管口處聚集，并被抽出。監測系統：沿膜下兩相互垂直的中心線(xiàn)分別安裝9 只真空表，其中1～8 號真空表用于監測膜下非飽和土表層的真空度;9 號真空表位于正方形中心，即射流泵橡膠管與軟式透水管結合處，用于監測射流泵進(jìn)口處的真空值。并進(jìn)行巡視觀(guān)測，主要觀(guān)測土工膜漏氣狀況等。試驗區布置和監測設備埋設情況見(jiàn)圖1。
試驗方案：首先選擇缺陷土工膜，進(jìn)行單層土工膜抽真空試驗，觀(guān)測缺陷土工膜抽真空情況;如果缺陷土工膜膜下難以形成真空，再覆蓋一層沒(méi)有明顯缺陷的土工膜，進(jìn)行分離的雙層膜抽真空試驗，觀(guān)測抽真空情況。
圖1 試驗區布置圖
2.3、單層缺陷土工膜抽真空試驗
試驗前，在溝內充水，并維持1.5 m~2.0 m水深1 天，溝內下滲水與地下水連通后，以水封方式形成場(chǎng)區內膜下氣密空間。進(jìn)行了兩次單層土工膜抽真空試驗。第一次采用1 臺射流泵，真空表及液位觀(guān)測儀均無(wú)變化，原因在于土工膜缺陷漏洞較多，難以形成膜下真空。第二次修補了部分較為明顯的缺陷，采用2 臺射流泵，進(jìn)行試驗，結果僅真空表9(連接射流泵接口處)讀數為12 kPa 左右，其它真空表均無(wú)變化。表明：缺陷土工膜難以形成膜下真空。
2.4、分離的雙層土工膜抽真空試驗
在單層缺陷土工膜抽真空試驗的基礎上，又鋪設一層厚0.08 mm 沒(méi)有明顯缺陷的薄膜，進(jìn)行分離的雙層土工膜抽真空試驗。采用2 臺射流泵進(jìn)行試驗。試驗開(kāi)始，即出現土工膜逐漸貼緊地面的現象，真空表讀數開(kāi)始上升，可以形成膜下真空。試驗持續4 h，膜下即形成20 kPa 左右的真空度，達到預期目的，遂停止試驗。試驗過(guò)程中真空表讀數隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2～4。
圖2 第1~4 號真空表讀數隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
圖3 第5~8 號真空表讀數隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
圖4 第9 號真空表讀數隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
從圖2～4 中，可以看出：
(1) 真空泵啟動(dòng)，土工膜下真空表讀數上升，說(shuō)明易形成真空。抽真空1 h，射流泵進(jìn)口真空表9 讀數為13 kPa，相應其它位置真空表處形
成4 kPa~6 kPa 的真空;抽真空4 h，射流泵進(jìn)口真空表9 讀數為26 kPa，除表1 處形成11 kPa 的真空外，其他位置形成18 kPa~21 kPa 的真空。經(jīng)查表1 位于邊界處，該處延伸至水溝底部的土工膜局部漂浮在水溝水面，造成局部氣密條件較差。但這足以說(shuō)明在相對氣密條件下，膜下可形成真空。
(2)在抽真空試驗中，場(chǎng)區內一直存在氣流鳴響聲，證明存在土工膜漏氣點(diǎn)。在射流泵停止抽真空后，泵口真空表9 迅速回零，而膜下其他位置真空表讀數隨時(shí)間逐漸降低，并在55 min 后回零，說(shuō)明膜下真空系統不能保持真空度，存在漏氣點(diǎn)。
(3)鋪設分離的雙層膜后，可形成膜下相對氣密空間，說(shuō)明分離的雙層膜可使膜體漏洞互補，能有效地增強土工膜的防滲效果。
3、討論
3.1、真空檢測系統及漏氣因素分析
土工膜整體質(zhì)量完整性檢測真空系統是：真空系統的頂層為理想的不漏氣的土工膜，底層為地下水(或不透氣土層)，四周為閉氣防滲體或帷幕。真空檢測系統漏氣的主要影響因素有：
�、偻凉つふw質(zhì)量缺陷，包括膜體缺陷、施工連接縫漏氣，以及運輸、鋪設過(guò)程中的局部損傷等;
�、谙到y四周閉氣不嚴，存在漏氣點(diǎn);③監測設備、抽真空設備與系統密封不嚴，引起局部漏氣。
3.2、真空檢測完整性判據探討
(1)可利用土工膜膜下觀(guān)測點(diǎn)處真空度與真空泵進(jìn)口處真空度的相對比值判斷土工膜整體質(zhì)量，比值接近于1，土工膜整體質(zhì)量最好;比值越小，整體質(zhì)量越差。
(2)利用停止抽真空后土工膜膜下觀(guān)測點(diǎn)處真空表讀數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)判斷土工膜整體質(zhì)量。觀(guān)測點(diǎn)處真空表讀數不隨時(shí)間變化，為一水平線(xiàn)，說(shuō)明土工膜整體質(zhì)量好;觀(guān)測點(diǎn)處真空表讀數隨時(shí)間變化，為一下降的斜線(xiàn)，并伴隨著(zhù)漏氣汽笛聲，說(shuō)明土工膜整體質(zhì)量存在缺陷，斜線(xiàn)斜率越陡，整體質(zhì)量越差。
(3)根據本次試驗情況，可以利用10 kPa~20 kPa的低真空度作為真空法檢測的氣壓標準，即如果土工膜膜下能形成10 kPa 左右的低真空度，可以認為土工膜整體質(zhì)量基本滿(mǎn)足防滲的要求。
3.3、土工膜防滲可靠性探討
理想、完整的土工膜是不滲水的，但由于土工膜厚度較薄、強度較低，在土工膜生產(chǎn)、運輸、鋪設和運行過(guò)程中又極易受損、不易發(fā)現，目前土工膜分階段質(zhì)量檢測的控制方法，很難保證完工后土工膜整體的不透水性;因此，對于大中型防滲工程而言，單層土工膜防滲的可靠性相對較差;但雙層土工膜能夠相互彌補彼此的缺陷，有效提高土工膜防滲的可靠性。
4、結語(yǔ)
通過(guò)上述分析和試驗研究，可以得出以下結論：
(1)對于采用土工膜防滲的大中型工程，目前分階段質(zhì)量控制的方法很難保證鋪設完工后土工膜整體的不透水性。
(2)對于地下水埋藏不深的土層，真空法可用于檢測土工膜整體質(zhì)量的完整性。
(3)在應用真空法檢測土工膜整體質(zhì)量的完整性時(shí)，應首先結合土工膜的防滲結構，構造相對氣密空間，再根據膜下觀(guān)測點(diǎn)處形成真空度的程度判斷土工膜整體的完整性，或根據膜下觀(guān)測點(diǎn)處真空度與真空泵進(jìn)口處真空度的相對比值判斷土工膜整體的完整性，或根據停止抽真空后的觀(guān)測點(diǎn)處真空表讀數隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)判斷土工膜整體質(zhì)量。
(4) 對于大中型防滲工程，單層土工膜防滲的可靠性相對較低;但分離的雙層土工膜，能相互彌補彼此的缺陷，有效提高防滲系統的可靠性。
參考文獻
[1] 劉建國，聶永豐，王洪濤，等. 填埋場(chǎng)不同防滲配置下滲濾液及污染物泄漏[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，44(12)：1684- 1687.
[2] 顧淦臣. 復合土工膜的施工和質(zhì)量保證[J] . 水利規劃設計，2001，(1)：48- 55.
[3] 王斌，王琪，董路，等. 垃圾填埋場(chǎng)土工膜滲漏電學(xué)檢測法的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2003，16(2)：55- 57.
[4] 能昌信，董路，姜文峰，等. 土工膜滲漏檢測系統研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28(4)：1- 3.
[5] 史進(jìn)，薛貴挺. 電學(xué)滲漏檢測在防滲土工膜完整性檢測中的應用[J]. 環(huán)境保護科學(xué), 2007, 33(6):78- 80.
