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文章编号：1007-2993（2024）02-0246-07复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比何顺辉张健谢世平郑勇亚（天津中联格林科技发展有限公司，天津301617）【摘要】为满足环保领域高防渗要求，复合竖向阻隔屏障技术得到了广泛应用。复合竖向阻隔技术是通过引入高性能防渗土工合成材料，与墙体回填材料，如土膨润土、水泥膨润土、土水泥膨润土等，组成复合防渗结构，以解决单层结构竖向阻隔屏障防渗等级不能满足环保要求的问题。HDPE 土工膜竖向阻隔屏障和 GCL 竖向阻隔屏障是当前复合竖向阻隔屏障技术中的代表性技术，介绍两种复合竖向阻隔屏障技术的基本情况、土工材料连接和技术应用，为技术的选用提供参考。【关键词】复合防渗；竖向阻隔；GCL；HDPE 土工膜【中图分类号】TU592 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.019Introduction and Comparison of Composite Vertical Barrier TechnologyHe ShunhuiZhang JianXie ShipingZheng Yongya(Tianjin Zhonglian Gelin Science and Technology Development Co.,Ltd.,Tianjin 301617,China)【Abstract】Currently composite vertical barrier systems are mainly inclusive of HDPE cut-off wall and GCL vertical barriers,both of which are made of wall-backfilled materials,such as soil-bentonite,cement-bentonite or soil-cement-bentonite,etc.,and intro-duced high-performance geosynthetic lining materials.They are made and applied to better address the percolation issues with singlestructural cut-off walls that usually cannot meet the environmental protection requirement.The basic information of two kinds of com-posite vertical barrier systems as well as geosynthetic panel connections and their field applications are presented,which could providereferences for project selection.【Key words】vertical anti-seepage；vertical barrier；GCL；HDPE geomembrane 0 引言竖向阻隔屏障可应用于污染场地治理，其基本作用是将两块区域分隔开来，阻隔污染物与周围环境的联系，管控污染场地中污染物向外界扩散，同时控制外界地下水流入污染场地，从而实现对污染物的有效管控治理1。竖向阻隔屏障的种类繁多，按强度可分为刚性、塑性、柔性墙体2，按照功能可以分为防污和防渗墙体3，按照结构类型可分为单层结构和复合结构4，具体采用何种防渗屏障，主要取决于工程设计要求。如果工程设计竖向阻隔屏障是建筑结构的一部分，则对墙体的强度要求较高，建议采用刚性墙；如果墙体以防渗为主，墙的防渗性能是一个重要指标，采用塑性或者柔性墙可能是正确的选择。常见的塑性混凝土墙、水泥搅拌桩墙和灌浆帷幕等单层结构墙体，由于存在接头易渗、墙体底部绕渗及墙体防渗性能差等问题5，研究表明，在有水泥加入的防渗墙体中，即使在较好的施工管控下，墙体防渗性能也只能达到5107 cm/s6，不能满足工业污染场地竖向阻隔技术规范（HG/T 207152020）等标准要求的渗透系数不大于 1107 cm/s 的技术指标。近年，国内已有工程案例将 HDPE 膜或 GCL 等高性能土工防渗材料用于竖向阻隔屏障中，形成复合竖向阻隔屏障，使得防污性能显著提升，渗透系数能够满足环保要求7-9。目前复合竖向阻隔屏障技术主要有 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障和 GCL 竖向阻隔屏障，本文详细介绍两种复合阻隔屏障的技术特点及其工程应用情况，基金项目：国家重点研发计划（2019YFC1805004）作者简介：何顺辉，男，1987 年生，汉族，河南鹤壁人，硕士，高级工程师，主要从事钠基膨润土防水毯（GCL）相关的生产、施工和科研工作。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024为方案选择提供参考。1 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术 1.1 技术介绍HDPE 土工膜竖向阻隔屏障是在竖向开槽后，将高密度聚乙烯（HDPE）土工膜插入到隔水层，通过连接锁扣与内置止水材料实现多幅 HDPE 膜的互锁连接，然后回填墙体材料形成复合竖向阻隔屏障，回填物可以是土膨润土、水泥膨润土、土水泥膨润土等。HDPE 膜可根据实际场地情况设置在阻隔墙的内侧、外侧或者中间，HDPE 土工膜竖向阻隔屏障所用材料主要有 HDPE 土工膜、土工膜连接锁扣以及墙体回填材料10。HDPE 土工膜竖向阻隔屏障是一种防渗等级较高的竖向阻隔技术，HDPE 土工膜渗透系数不大于 1012 cm/s，且具备优异的抗化学腐蚀性和耐久性等特点，与防渗墙体组成复合防渗结构11，能够作为土木、水利工程中的防渗屏障，也可以应用在环保防渗工程中阻隔污染物扩散的防污屏障。1.2 连接锁扣20 世纪 80 年代，荷兰公司 Geotechnics Hollandbv 联合Cofra bv 发明了一种连接HDPE 专利技术Geolock 土工锁，从而开发出来 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术12。连接锁扣的作用就是将 HDPE 土工膜膜片两两连接在一起，形成一个整体。连接锁扣示意图见图 1，图 1 中黑色部分是由氯丁橡胶和亲水性聚合物制成的膨胀止水条，使其在与水接触时发生膨胀，非受限膨胀达 58 倍，用于连接锁扣的膨胀密封。ABCD 图 1 四种膨胀止水条密封连接锁扣13 国内科研院所对 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术也开展了深入研究，柯翰等14于 2013 年获得的发明专利 ZL201310074264.7浅部增强型土膨润土竖向防污隔离墙的方法，提到了用塑料防渗板插入土膨润土竖向墙浅部改善土膨润土墙浅部防污防渗性能，其中塑料板采用套管方式连接，两套管连接处灌注胶结材料密封接头（见图 2）。1.3 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障施工HDPE 土工膜竖向阻隔屏障具体施工步骤如下：（1）导墙制作。垂直防渗墙采用沟槽开挖法施工时，宜根据场地条件修筑导墙，若场地存在软黏土地层，沟槽两侧可采用水泥搅拌桩加固。图 2 套管连接锁扣14（2）开挖成槽。沟槽开挖施工过程中一般采用泥浆护壁，以保持沟槽稳定性。（3）清底。沟槽开挖完成后，应清除沟槽底部的沉积物。（4）HDPE 膜敷设。将 HDPE 膜制作裁剪成所需长度，在两端焊接连接锁扣，然后把膜平整地下设到已开挖好的槽孔中。如锁扣采用止水条密封，在下放第二幅 HDPE 土工膜片时，在锁扣内安放好止水条，与已下放的 HDPE 土工膜片的锁扣互锁并缓慢下放只设计深度。（5）灌注墙体材料。采用浇筑或回填方式成墙，墙体材料固结及沉降完成后，应移除浮浆层，用相同回填料修补凹陷或沉降，并设置永久覆盖层。此外，除了上述常用的开挖回填方法以外，HDPE 土工膜竖向阻隔屏障的施工方法还包括震动插入法和分段沟箱法13，具体采用何种施工方法，需要根据现场清空和工程要求综合确定。1.4 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术的应用 1.4.1 国外应用HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术源自国外，在20 世 纪 80 年 代 已 有 应 用。环 保 防 渗 领 域 中，Owaidat 和 Day15介绍了位于亚利桑那州中部一个含铜矿渗滤液的地下屏障的设计、施工和性能研究的案例，竖向屏障采用由高密度聚乙烯土工膜（HDPE）和土膨润土（SB）组成的复合竖向阻隔屏障，设计渗透系数小于 1107 cm/s，该项目的锁扣类型如图 3 所示。锁扣HDPE 膜厚 100 mil(2.54 mm)亲水性止水条1.25 英寸8 英尺止水条(膨胀后)图 3 锁扣及与其土工膜连接示意图15何顺辉等：复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比247通过使用特制的机械滚筒，将裁剪好的土工膜膜片按顺序放置到填充有自硬化膨润土浆料的沟槽中。图 4 为 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障的施工方法示意图，该案例中特制滚筒的使用简化了 HDPE 膜片的安放和连接，减少了施工中由于大风天气而可能引起的安全问题16。自硬化浆料地基黏土 图 4 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障施工方法示意图16 土工膜竖向阻隔屏障在国外有较多的应用，应用场景有土坝防渗墙、危险废弃物、石油废弃物、污染钻井废弃物、粉煤灰和废弃物、尾矿、化学废弃物等领域的阻隔防渗，土工膜的连接形式有 Geolock 型锁扣、常规锁扣、直接焊接、套管灌浆、GSE“E”型锁扣、土工膜重叠等方式，回填材料有水泥膨润土浆料、黏土/水泥浆料、沙土、天然土、土膨润土浆料等，施工深度最深可达 26.8 m17。1.4.2 国内应用在 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术引入国内之前，国内类似的复合垂直防渗技术为水利工程中常用的垂直铺塑技术。该技术是利用专门的开沟造槽机械，开出一定宽度和深度的沟槽，在沟槽内铺设土工膜，再用土回填沟槽，形成以土工膜为主体的防渗帷幕，应用于水库围坝、堤防等水工建筑物的垂直防渗工程中，所用的土工膜一般为厚度 0.2 mm 左右的聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）塑料薄膜18。国内通过对 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术优化，已将其应用到国内的多个环保工程中，如云南某大渣堆地下水柔性垂直防渗工程19、原长沙铬盐厂铬污染治理项目7、江苏省靖江市某化工厂厂址综合治理工程20等。图 5 为 HDPE 土工膜的竖向安装现场图。1.5 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障隔离技术重要提示（1）由于光面 HFPE 土工膜与普通混凝土墙面不贴合，两者的结合部会形成导排通道，因此不建议HDPE 土工膜竖向阻隔屏障的墙体采用刚性混凝土墙。（2）HDPE 土工膜竖向阻隔屏障需和土膨润土墙（SB）、水泥膨润土墙（CB）、土水泥膨润土墙（SCB）等含有膨润土的低渗透性墙体联合使用，否则 HDPE 土工膜竖向阻隔屏障技术的安全性将下降100010000 倍12。（3）止水条膨胀时间一般不小于 7 天，因此需要给止水条的膨胀预留足够的时间。此外，还需关注场地内的水质情况，以防污染水体影响止水条的膨胀。（4）HDPE 土工膜的渗透系数并不代表 HDPE土工膜竖向阻隔屏障的渗透系数，两者的防渗性能存在明显的差距。图 5 HDPE 土工膜竖向安装17 2 GCL 竖向阻隔屏障 2.1 技术简介GCL 竖向阻隔屏障是由钠基膨润土防水毯（简称 GCL）与低渗透墙体组成的新型复合垂直防渗技术，其是在开挖成槽后，先沿槽壁一侧或者两侧竖向铺设 GCL 复合构件，然后在槽内回填低渗透性墙体材料，筑成具有防污抗渗功能的复合垂直防渗屏障21。图 6 为 GCL 竖向阻隔屏障示意图。2.2 GCL 复合构件 2.2.1 材料介绍GCL 为高性能土工防渗材料，常用的产品类型为针刺加强型 GCL，图 7 为 GCL 生产示意图，是经针刺工艺把膨润土固定在两层土工织物之间而制成的毯状防水卷材。GCL 防渗主要是利用膨润土遇水248岩土工程技术2024 年第 2 期膨胀的性质，膨润土遇水水化，使其主要成分蒙脱石吸水发生层间膨胀，在两层土工织物构成的受限空间内形成的致密凝胶态防水层22。GCL 渗透系数小于5109 cm/s，其在复合竖向阻隔屏障中能够提升整体的防渗性能。GCL 复合构件 图 6 GCL 竖向阻隔屏障示意图 无纺布无纺布膨润土编织布针刺工艺 图 7 针刺加强型 GCL 生产示意图 GCL 复合构件23是为实现 GCL 在沟槽内垂直铺设而进行的定制化改造，如图 8 所示，GCL 复合构件底部安装有支撑板、配重 U 型槽，顶部固定在钢制卷芯上，两侧标有搭接线，配合专用是施工机具24,25，使 GCL 能够平直、受控的竖向铺设。GCL 复合构件竖向铺设前，在配重 U 型槽内放置配重块，为GCL 垂直铺设提供下坠力。配重块由黏土、膨润土、水配置而成，在向沟槽内灌注回填材料成墙后，配重块可在有限空间内吸水膨胀，封堵沟槽底部可能存在的孔隙，避免出现墙体底部绕渗的问题。固定卡箍钢制卷芯搭接线后支撑板测量绳放置环50 cm配重 U 型槽铆钉 图 8 GCL 复合构件示意图21 实际应用时应根据场地污染情况和防渗等级要求选择 GCL 类型，如现场污染较轻，选用常规颗粒型 GCL 即可，如现场污染严重或防渗等级要求较高时，需选择防渗性能更好的粉末型 GCL 或覆膜型GCL。此外，可根据污染物特点选择对应的改性GCL，进一步提升产品的阻隔、吸附能力。2.2.2 GCL 复合构件搭接连接在水平防渗施工中，搭接连接是 GCL 最常用的连接方式，GCL 竖向阻隔屏障技术将 GCL 搭接连接方案移植到了竖向施工领域，并研发了如图 9 所示的接头箱，能够保证 GCL 复合构件的竖向搭接效果。图 9 下放接头箱 接头箱为矩形或者矩形+半圆结构26，与 GCL复合构件接触的一侧宽度为 50 cm，垂直沟槽一侧的宽度小于沟槽宽度约 5 cm，使得搭接区域被接头箱完全占据，如图 10 所示，在浇筑墙体材料时，接头箱能够阻挡回填材料及其他异物进入搭接区域，从而保证搭接连接效果。另外，下放接头箱的过程可使已铺设的 GCL 复合构件进一步紧贴槽壁，且接头箱具有压覆作用，防止墙体材料在浇筑过程中进入 GCL 复合构件背面。接头箱需插入沟槽底部，长度需大于槽深 1 m 以上，以防止接头箱倾倒。图 10 浇筑墙体材料时的接头箱 接头箱在相邻槽段成槽合格后方可拔出，以防何顺辉等：复合竖向阻隔屏障技术介绍与对比249止沟槽开挖过程中，施工机械对已铺设的 GCL 复合构件产生破坏。接头箱拔出后释放其占据的搭接区域，然后下放连接槽的 GCL 复合构件，待 GCL 复合构件下放到设计深度后，继续在两端的搭接区域下放接头箱，下放在已搭接端的接头箱，在墙体材料浇筑1/3 后拔出，以保证成墙的连续性；下放在待搭接端的接头箱，则需在相邻槽段成槽合格后才能拔出接头箱。接头箱应缓慢下放，并在其与 GCL 复合构件接触面涂抹密封剂和润滑剂，以防止下放接头箱对已铺设的 GCL 复合构件产生破坏。搭接部位是 GCL 竖向阻隔屏障的薄弱点，搭接部位防渗性能是否满足环保防渗要求，成为研究领域关注的重点。浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室对 GCL 搭接部位防渗性能进行测试，结果表明搭接区域等效渗透系数总是随侧向压力增大而减小。搭接区在低侧向压力状态下（p=10 kPa），不涂抹搭接膏的等效渗透系数即达到 2.27108 cm/s，涂抹搭接膏等效渗透系数明显降低，完全满足环保防渗要求27。2.3 低渗透性墙体环保防渗项目对竖向阻隔墙体的防渗阻隔性能要求较高，因此墙体类型一般选择土膨润土墙、水泥膨润土墙、塑性混凝土墙等低渗透性墙体。此外，在保证墙体渗透系数不大于 107 cm/s 的前提下，还可以针对特定污染物，在低渗透性墙体内添加活性炭、沸石、硅藻土等吸附反应材料，将墙体设计成为低渗透性反应墙28，以提升墙体对污染物的吸附反应能力。工程实际应用中，会根据现场实际情况有针对性选择 GCL 与低渗透墙体的组合类型，经试验室验证后方可应用。2.4 GCL 竖向阻隔屏障施工流程 2.4.1 建造导墙导墙是竖向阻隔屏障施工必不可少的临时构造物，成槽前先要构筑导墙，其具有挡土、挖槽基准、施工平台、存蓄泥浆等功能，建造导墙前应测量放线准确。2.4.2 开挖成槽一般情况下，沟槽底部需深入相对隔水层大于 1m，成槽过程中使用泥浆护壁，以保证槽壁稳定。所用的成槽设备与地质条件、开槽深度、成槽宽度紧密相关，一般黏土地层用液压抓斗机或长臂挖机即可，岩石地层需用到双轮铣或冲击钻等开槽设备。护壁泥浆主要的功能是维持施工过程中槽壁稳定，但在 GCL 竖向阻隔屏障技术中，护壁泥浆还部分承担着密封剂、润滑剂的作用。优质的护壁泥浆填充 GCL 表层无纺布，阻断了无纺布的导排作用，在搭接时起到密封剂的作用。此外，护壁泥浆还有一定的润滑作用，能够使接头箱下放更加顺畅。2.4.3 GCL 复合构件竖向安装验槽合格后，使用 GCL 竖向安装装备沿槽壁一侧或两侧竖向安装 GCL 复合构件，使 GCL 能够平直、受控的竖向铺设（见图 11）。图 11 GCL 复合构件下放 如图 12 所示，GCL 复合构件通过搭接形成防渗整体，搭接宽度需45 cm4，依靠 GCL 优异的防渗性能，能够解决单层墙体存在的防渗性能差，接头部位渗漏等问题，非常适合在环保等高防渗要求领域中应用。图 12 相邻槽段 GCL 复合构件的搭接连接 2.4.4 墙体成墙墙体材料不同，成墙方法也不相同，塑性混凝土、水泥膨润土等墙体材料一般采用水下浇筑混凝土方法施工，土膨润土（SB）墙一般采用回填方法施工。2.5 GCL 竖向阻隔屏障技术的应用GCL 竖向阻隔屏障技术为柔性复合竖向阻隔屏250岩土工程技术2024 年第 2 期障技术，该技术 2017 年以来已应用到多个环境综合治理项目中（见表 1）。工程实践证明，该技术安全可靠，防渗性能优异，渗透系数1107 cm/s，符合环保防渗要求。表 1 GCL 竖向阻隔屏障项目序号工程名称施工时间1静海区东城存量垃圾填埋场环境治理项目20172定远县炉桥镇非正规垃圾填埋场整治工程20183颍上县慎城镇颍滨村非正规垃圾堆放点整治工程20194宁河冯庄子垃圾临时存放点存量垃圾原地封场工程GCL复合垂直防渗屏障综合治理工程20195来安县汊河镇非正规垃圾堆放点整治工程20206蚌埠市王岗非正规垃圾填埋场综合整治项目20207霍山县生活填埋场封场项目垂直防渗工程20218青海云天化磷石膏库风险隐患整治项目20229合肥瑶海区老厂区东二地块污染土壤修复项目2022 3 结论复合竖向阻隔防渗屏障技术是在现有的开槽类防渗墙的基础上发展而来的，通过引入高性能防渗土工材料，大幅提升了防渗墙的整体防渗性能，解决了单层结构防渗墙容易存在接头处渗漏、防渗等级低等问题。HDPE 土工膜竖向阻隔屏障和 GCL 竖向阻隔屏障是目前复合垂直防渗技术的两种代表性新技术，虽然防渗土工材料及竖向连接方式不同，施工难度和工程造价方面也有所差别，但近几年两种技术在工程中都得到了广泛的应用，使得复合竖向阻隔技术正在成为环保领域垂直防渗工程的重要选项。对两种复合竖向阻隔技术的性能特点、施工方式以及应用情况进行介绍，为技术的选择和应用提供参考。参考文献 孙蕾.垃圾填埋场渗漏修复中柔性垂直防渗、帷幕灌浆的应用研究 J.智能城市，2021，7（13）：147-148.1 黄亮.水泥膨润土泥浆垂直防渗墙室内配合比试验研究 D.上海:同济大学,2008.2 中国土工合成材料工程协会教育工作委员会.土工合成材料 M.北京:中国建筑工业出版社,2021.3 HG/T 207152020工业污染场地竖向阻隔技术规范 S.4 肖成志,陶子琪,张金利,等.GCL 复合垂直防渗墙中污染物运移的一维解析解 J.长江科学院院报，2023，40（1）：132-139.5 JOHNSON A I,FROBEL R K,CAVALLI N J,et al.Hydraulic Barriers in Soil and RockM.Philadelphia:ASTM Publication Code Number,1985.6 郭晓芳,董洋,张景鑫,等.柔性垂直防渗墙技术在铬 7 污染治理项目中的应用 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