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摘要：在湿法炼铜堆浸工艺中，防渗系统是堆浸工艺的关键，因为防渗系统不仅阻止酸性重金属溶液渗入地下污染地下水，同时还起到收集浸出液的作用，HDPE土工膜防渗层是堆浸场防渗系统的核心部分，其应用效果是评价堆浸场的重要指标。本文论述了HDPE土工膜在缅甸蒙育瓦莱比塘铜矿堆浸场防渗工程中的成功应用，阐明了HDPE土工膜施工的技术要求，施工方法及其质量控制要点，探究HDPE土工膜在此类工程中的广泛应用。
关键词：HDPE土工膜、防渗、堆浸场、热熔焊接、挤出焊接
一、前言
HDPE土工膜，全称高密度聚乙烯土工膜（HIGH DENSITY POLYETHYLENE），是以石油化工产品聚乙烯树脂为原料，采用特定的配方及生产工艺制成的合成高分子聚合材料。其具有强度高，延伸性能好，变形模量大，耐老化，耐酸碱，抗腐蚀，抗渗性能好，以及易于运输、价格适中、施工简便等特点。土工膜在市政及建筑工程上有着广泛的应用，近年也广泛应用于河道工程、垃圾填埋场、石化工程，并取得了良好的社会效益和经济效益。但由于国内湿法冶炼的矿山项目较少，HDPE土工膜用于堆浸场防渗的案例也较少。随着我国“一带一路”战略的推进，深入实施，在“走出去”的大环境下，积极探讨此类工程的应用，具有非常重要的现实意义。
二、工程概况
缅甸蒙育瓦莱比塘铜矿项目位于缅甸中部，距曼德勒110km。钦敦江流经矿区的东侧，矿区面积32.27平方公里。项目采用湿法冶炼工艺，堆浸、电积生产阴极铜。
堆浸场作为矿石筑堆的场地，要具备足够的承载力，同时基底要具备优良的防渗能力，防止渗滤、浸出液渗入地下，污染土壤和地下水，还要能够具备收集溶液功能。
三、防渗结构层设计
（一）堆浸场防渗基本要求
1、矿石筑堆高度可达84米，要求基底有良好的承载力。基底随着堆体高度的增加，会发生沉降，要求防渗材料具备良好的延展性。
2、矿区常年气温较高，日照强烈，堆浸场使用期30年，防渗层要抗紫外线，耐老化。
3、矿山东侧约1km为缅甸的“钦墩江”，是缅甸人民的母亲河，附近村民的饮用水都从这里取用，严格禁止堆浸场渗滤液、浸出液进入地下污染地下水。
（二）HDPE土工膜简介
在所有的聚乙烯材料中，HDPE膜的密度最大，可达到0.940～0.965g/cm³，在性能方面与普通聚乙烯材料有诸多不同。
1、HDPE膜具有优良的机械强度、耐热性和良好的弹性，随着厚度的增加（一般范围在0.75～2.50mm），其断裂点强度、屈服点强度、抗撕裂强度、抗戳穿强度逐渐增强。
2、HDPE土工膜，抗拉伸强度可达22～45MPa，断裂伸长率可达200%～900%，熔融温度为126℃～136℃。
3、HDPE膜渗透系数K<10-13cm/s，抗渗性能远优于其它防渗材料。
综合考虑上述（一）（二）因素，设计上采用了碾压密实的粘土层加HDPE土工膜相结合的防渗结构层，HDPE土工膜肩负主要防渗功能，同时兼具收集溶液功能。
四、堆浸场铺设施工方案
（一）施工方案制定
1、防渗工程施工活动中，焊接工艺和焊缝布置所带来的渗漏风险比HDPE土工膜材料本身原因造成渗漏的风险大得多。故应选择合适的焊接工艺，合理设置焊缝的整体布局，尽量利用HDPE土工膜优良的防渗性能并减少焊缝整体数量。铺设前，要提交HDPE土工膜的铺设计划、编制铺膜图，经审核批准后，按照铺膜图进行膜材的裁剪和铺设。铺膜图要考虑工作面地形情况，对于凹凸不平的部分和场地拐角部位更需要详细计算，要尽量减少应力集中，故应严格避免十字焊缝，减少T型焊缝。
土工膜的收缩余量计算公式为：
ΔL= K × Δt × L
K= 1.2 × 10⁻⁴
Δt----最大温差，单位：℃
L----土工膜长度，单位：米
ΔL----土工膜收缩余量。
2、土工膜的施工焊接主要有二种方法：双缝热合焊接和单缝挤压焊接。见图一：
图一 土工膜焊缝构造
（二）施工工艺流程
土工膜铺设各工序包括材料展开、裁剪、试焊、调试焊接设备、焊接、锚固、检查、检测、验收等过程。具体的施工流程见图二：
图二 施工流程
（三）施工工艺要求
1、铺设土工膜的要求
①土工膜外观必须达到规范的要求，须干燥和整洁，其切口应平直、无明显锯齿现象，无明显机械加工划痕，不允许有气泡、杂质、裂纹、分层、穿孔修复点、接头，不允许土工膜表面有油渍、燃料或喷溅的化学物。
②铺设土工膜的区域内禁止使用火柴、打火机和化学溶剂或类似的物品。
③铺设过程中应避免土工膜产生皱纹和折痕，铺设完毕自然松弛，与膜下基层贴实，不可有悬空。当日铺设的土工膜须在当天进行焊接。
④铺设就位后的土工膜在进行调整位置时应注意保护已安装好的防渗膜；接缝搭接宽度应满足规范要求（热熔焊接为100±20，挤出焊接为75±20）；铺设时应根据气温的变化、现场地形和膜的性能要求预留出相当的伸缩变形量，接缝、搭接的方向与位置应合理，减少接缝受力，避免出现在应力集中的部位。水平接缝与坡脚的距离须大于1.5米。
⑤土工膜锚固需根据现场地形采用合理、灵活的方法。
2、土工膜焊接要求
土工膜的施工焊接主要有二种方法：双缝热合焊接和单缝挤压焊接，其操作应符合规范要求。土工膜的拼接接缝采用双缝热合焊接，局部修补可采用单缝挤压焊接。焊前必须进行试焊，并进行拉力试验，定量测试焊缝的撕裂强度和抗剪强度；T字形接头焊缝应采用同规格土工膜打补丁，补丁尺寸不小于500 mm ×500 mm；补丁需修圆。每条焊缝应逐条检验，焊缝不得出现虚焊、漏焊或超量焊。
①双缝热合焊机的施工程序和工艺要求
A、双缝热合焊机的施工程序见下图
图三 热合焊机焊接程序图
B、施工前的准备工作
在正式焊接之前所要进行的准备工作包括以下几个方面：
对铺膜后的搭接宽度的检查：HDPE膜焊接接缝搭接宽度为100±20。
在焊接前，要对搭接的200mm左右范围内的膜面进行清理，用湿润抹布（不得拧出水滴）擦掉灰尘、污物，使这部分保持清洁、干燥。
焊接部位不得有划伤、污点、水分、灰尘以及其他妨碍焊接和影响施工质量的杂质。
C、试焊
在正式焊接操作之前，应根据经验先设定设备参数，取300×600mm的小块膜进行试焊。然后在拉伸机上进行焊缝的剪切和剥离试验，如果不低于规定数值，则锁定参数，并以此为据开始正式焊接。否则，要重新确定参数，直到试验合格为止。当温度、风速有较大变化时，亦应及时调整参数，重做试验，以确保施工的焊机性能、现场条件、产品质量符合规范要求。
图四 电热楔断面图
D、试焊成功或失败的评定标准
对粘结的焊缝进行剪切和剥离检验时，只能膜被撕坏，不能出现焊口的破坏（即FTB），如图所示：
图五 热合焊试焊焊件质量评判示意图
E、热合机焊接的操作要点
开机后，仔细观察指示仪表显示的温升情况，使设备充分预热。向焊机中插入膜时，搭接尺寸要准确，动作要迅速。
在焊接中，司焊人员要密切注视焊缝的状况，及时调整焊接速度，以确保焊接质量。焊接中要保持焊缝的平直整齐，应及早对膜下不平整部分采取应对措施，避免影响焊机顺利自行。遇到特殊故障时，应及时停机，避免将膜烫坏。司焊人员必须监控焊机的电源电压是在220±11 V之内，否则应即时停机检修。
②单缝挤压焊机的施工程序和工艺要求
A、挤压熔焊机的焊接程序
图六 挤压熔焊机焊接程序图
B、施工前的准备工作
检查接缝处基层是否平整、坚实，焊缝处的搭接宽度是否符合规范要求（75±20）。同时，接缝处的膜面应平整，松紧适中，不致形成“鱼咀”。
C、定位粘接
用热风枪将两幅膜的搭接部位粘接。粘接点的间距不宜大于60～80mm。要控制热风的温度，不可烫坏土工膜，又不得能轻易撕开。
D、打毛
用打毛机将焊缝处30～40mm宽度范围内的膜面打毛，达到彻底清洁，形成糙面。以增加其接触面积，但其深度不可超过膜厚的10%、打毛时要轻轻操作，尽量少损伤膜面。对厚度等于或大于2.0mm的膜，膜边沿要打出45°的坡口。打毛工序要适当先行一步，但不可超越过多。
E、试焊
在正式焊接之前，要取不小于300×600mm的小样，根据经验初定设备参数进行试焊。然后切取试件，在拉伸机上进行剪切和剥离试验，如果检验结果符合规定，则锁定设备参数依此焊接。否则，重新调机、试焊、检验，直到合格时为止。
F、试焊成功或失败的评定标准
对粘结的焊缝进行剪切和剥离检验时，只能膜被撕坏，不能出现焊口的破坏（即FTB），如图所示：
图七 挤压焊试焊焊件质量评判示意图
G、挤压热熔焊机焊接操作要点
焊接时要将机头对正接缝，不得焊偏，不能允许滑焊、跳焊。使用的焊条，入机前必须保持清洁、干燥，不得用有油污、赃物的手套、脏布、棉纱等擦拭焊条。
焊缝中心的厚度一般应为垫衬厚度的2.5倍，且不低于3mm。
根据气温情况，对焊缝即时进行冷却处理。挤压熔焊作业因故中断时，必须慢慢减少焊条挤出量，不可突然中断焊接、重新施工时应从中断处进行打毛后再焊接。一条接缝不能连续焊完时，接茬部分已焊焊缝要至少打毛50mm，然后进行搭焊。
（四）检测方法与检测标准
对HDPE土工膜的焊接质量检验有非破坏性检验（检漏实验）和破坏性检验两种。热合双焊缝的非破坏性检测常采用充气法，挤压熔焊单焊缝的检漏常采用真空法和电火花法。
1、正压充气检测
用充气法，即将要检验的整段焊缝两端暂时密封，插入特制的空心针头，连通空气压缩机。在0.25Mpa压力下实验5分钟，压力表的数值不下降或下降不超过10%时为合格。这时，将远端密封打开，观察压力表的降压过程，以核定土工膜的空腔是否贯通。
①试验设备
气泵：产生高压气体。
软管及中空针头：向土工膜空腔内灌注气体。
压力表：显示气道压力数值。
②检测程序
将需要检测的土工膜焊缝空腔两端封住，检测设备连接好后将针头插入空腔的一头。启动气泵，输入高压气体达250KPa，停止加压。
在3～5分钟内压力表读数不下降或下降不低于240Kpa，打开另一端，空腔内气体消失，表明整条焊缝检测通过。
在5分钟内压力表读数下降低于240Kpa，则证明此焊缝需要补焊或返工。
③具体检测过程见下图：
图八 非破坏性充气法检验流程示意图
2、负压检测
真空法是传统的老方法，即在焊缝上涂上肥皂水，罩上五面密封的真空盒，用真空泵抽真空，在负0.05Mpa压力下观察有无气泡产生，可以检查出孔洞或不严密之处。
①试验设备：真空盒、真空泵、肥皂水。
②检测程序
在检测部位均匀涂刷肥皂水。把真空盒用力压在检测部位，使之成密封状态。启动真空泵，打开真空阀。维持压力25Kpa～35 Kpa 至少10秒，观察检测部位是否产生气泡。
无气泡产生则证明检测部位合格，可转入另一部位检测。
如果有气泡产生，则证明此部位严密性不够，须返工修补后重新检测。
③具体检测过程见下图：
图九 非破坏性负压检验流程示意图
3、电火花检测法
系利用HDPE土工膜为电的绝缘体的特点，当仪器扫描到有孔洞或有孔隙和地面连通的部位时，即产生明亮的电火花。
①检测设备
高压脉冲电火花检测仪、0.3～0.5 mm细铜丝。
②检测程序
在挤压焊施工前埋入细铜丝。检测时接入电源，用检测仪在距焊缝3 CM左右的高度扫探。无火花出现则焊缝合格，有火花出现则表明此部位存在漏洞，需返工整改后重新检测。
③检测过程见下图：
图十 非破坏性电火花检测法流程示意图
4、破坏性检验
对于HDPE土工膜，无论是热合的双焊缝，还是挤压熔焊的单焊缝，都要进行焊缝的强度检验，包括剪切强度和剥离强度。强度检验分为自检和送检两种形式，自检时按照150米焊缝检测一组的频率进行，送检按每万平方米取样件一块的标准，由业主、监理指定或随机取样，送国家专业检测机构予以检测。焊缝的剪切和剥离强度，不得低于规定标准。
五、结论
HDPE土工膜在缅甸蒙育瓦莱比塘铜矿项目堆浸场防渗工程的应用，防渗效果良好，有效防止了由于浸出液渗漏造成地下水及土壤污染，提高了溶液收集利用率，使防渗工程正常发挥效益，质量可靠、技术先进、经济合理。随着我国“一带一路”战略的深入实施，HDPE土工膜在缅甸铜矿堆浸场防渗工程的成功应用，将为今后该类项目建设提供借鉴，具有良好的使用推广价值和较大的经济价值。
参考文献
[1]生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范（CJJ113-2007）
[2]Leach Pad Design & Construction Criteria（KP John Birrell，2003，Australia）
[3]聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范（SL/T231-98）
论文作者:吕玉磊
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第23期
论文发表时间:2018/2/26
标签：土工膜论文; 防渗论文; 熔焊论文; 缅甸论文; 强度论文; 部位论文; 破坏性论文; 《建筑科技》2017年第23期论文;