CN107724381A - 水泥‑膨润土竖向防污隔离墙结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥‑膨润土竖向防污隔离墙结构及方法。包括水泥‑膨润土墙体及其材料配比，以及设置在水泥‑膨润土墙体地表部位两侧的导墙，水泥‑膨润土墙体从地表经高渗透性岩土层贯穿到相对不透水土层中，在高渗透性岩土层形成稳定的上游水位面和下游水位面；在水泥‑膨润土墙体和导墙顶面及周围地面的上覆结构。本发明墙体材料兼具含水量高、渗透性低、抗变形能力强、抗剪强度较高等优点，采用开挖沟槽护壁的水泥‑膨润土泥浆经水化硬化直接形成墙体材料的一步法施工方法，方法简单、作业面小，简化了竖向防污隔离墙施工工艺；制成隔离墙用于集中污染源地下水渗流调控和污染物扩散防控，特别适用于上覆压力或地基侧向压力较大的工况。
Description
技术领域
本发明涉及地下水渗流调控与地下水土环境污染防控的方法，具体涉及了一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构及方法。
背景技术
我国经济快速发展同时造成了严重地下水土污染。城市固体废弃物等废弃物集中处置场(特别是，数以万计的未达标简易城市固废填埋场或堆场)普遍存在地下污染的问题，大量工业企业搬迁后所遗留的场地重金属和有机污染物含量显著超标。竖向防污隔离墙是有效控制上述污染源污染周边地下环境的主要技术手段。
与美国盛产高品质天然钠基膨润土不同，我国国产天然膨润土绝大多数是钙基膨润土。与钠基膨润土相比，钙基膨润土泥浆的膨润土一般不易分散形成所需的黏性不沉淀悬浮液。在相同条件下，以钙基膨润土或改性钙基膨润土配制的土-膨润土在防渗性、吸附性等多项主要工程特性上不如天然钠基膨润土配制的土-膨润土，难以达到地下污染防控的技术要求。
土-膨润土、塑性混凝土等竖向防污隔离墙施工过程主要由“开挖沟槽/泥浆护壁、回填/置换泥浆”两个主要步骤组成，施工技术相对复杂。同时，常用的土-膨润土竖向防污隔离墙墙体材料抗剪强度较低，难以承受较大的上覆压力或地基侧向压力，易产生较大变形，影响上述工况下竖向防污隔离墙的完整性和长期服役性能。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构及方法，以水泥、国产钙基膨润土或改性钙基膨润土及水为主要原料混合制成高含水量、低渗透性、抗变形能力强、抗剪强度较高的竖向防污隔离墙墙体材料，提出了适用于较大上覆压力或地基侧向压力工况的水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构和方法，并简化了常用的竖向防污隔离墙施工工艺，增加有效防控我国地下污染的技术途径。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一、水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构：
包括置于上游水位面和下游水位面交界处的水泥-膨润土墙体，以及设置在水泥-膨润土墙体地表部位两侧的导墙，水泥-膨润土墙体设置在高渗透性岩土层中，墙体下部嵌入高渗透性岩土层之下的相对不透水土层中，水泥-膨润土墙体从地表经高渗透性岩土层贯穿到相对不透水土层中，在高渗透性岩土层形成稳定的上游水位面和下游水位面；在水泥-膨润土墙体和导墙顶面及周围的地面上设置有上覆结构(如表面盖层或围堤等)。
所述的高渗透性岩土层的高渗透性是指渗透系数大于1×10-7cm/s。
所述的水泥-膨润土墙体材料为水泥/膨润土/水的混合物，部分水泥可由磨细粒状高炉炉渣或粉煤灰替代，替代率为40％～90％质量，其中水泥与磨细粒状高炉炉渣或粉煤灰的质量之和占混合物总质量的15％～30％；膨润土泥浆质量占混合物总质量的70％～85％，其中膨润土质量占膨润土泥浆质量的5％～10％。
所述的水泥-膨润土墙体材料为水泥/膨润土/水的混合物、磨细粒状高炉炉渣/水泥/膨润土/水的混合物或粉煤灰/水泥/膨润土/水的混合物。
具体地，所述水泥/膨润土/水的混合物中，水泥质量占混合物总质量的15％～30％；膨润土与水制成的膨润土泥浆质量占混合物总质量的70％～85％，其中膨润土质量占膨润土泥浆质量的5％～10％。
具体地，所述磨细粒状高炉炉渣/水泥/膨润土/水的混合物中，磨细粒状高炉炉渣与水泥的质量之和占混合物总质量的15％～30％，其中磨细粒状高炉炉渣占磨细粒状高炉炉渣与水泥的质量之和的40％～90％；膨润土与水制成的膨润土浆质量占混合物总质量的70％～85％，其中膨润土质量占膨润土泥浆质量的5％～10％。
具体地，所述粉煤灰/水泥/膨润土/水的混合物中，粉煤灰与水泥的质量之和占混合物总质量的15％～30％，其中粉煤灰占粉煤灰与水泥的质量之和的40％～90％；膨润土与水制成的膨润土泥浆质量占混合物总质量的70％～85％，其中膨润土质量占膨润土泥浆质量的5％～10％。
所述的水泥-膨润土墙体材料渗透系数不大于1×10-6cm/s，无侧限抗压强度大于50kPa且小于1MPa。
所述的上覆结构为黏土、膨润土、填土或含GCL的复合盖层结构。
二、水泥-膨润土竖向防污隔离墙施工方法：
1)平整场地，确定场地地面上的水泥-膨润土竖向防污隔离墙墙体水平中心轴线；水平中心轴线是水泥-膨润土墙体位于地面的中心线。
2)根据水泥-膨润土墙体水平中心轴线，先施工水泥-膨润土墙体在地表部位两侧地基中的导墙；
3)现场制备以水泥和膨润土为主要原料的水泥-膨润土泥浆；
4)在两侧导墙之间的高渗透性岩土层中开挖竖向防污隔离墙的沟槽，开挖同时在沟槽内注入步骤3)的水泥-膨润土泥浆；
5)待水泥-膨润土泥浆水化硬化直接形成水泥-膨润土墙体；
6)最后在水泥-膨润土墙体和导墙的顶面及周围的地面上施工上覆结构(如表面盖层或围堤等)。
所述的水泥-膨润土泥浆，在开挖沟槽阶段注入沟槽起护壁作用，开挖沟槽后经水化硬化直接形成水泥-膨润土墙体。
所述的水泥-膨润土墙体厚度0.3m～1.5m。
所述水泥-膨润土墙体嵌入相对不透水岩土层中，且嵌入深度不小于1.0m。
本发明具有的有益效果为：
(1)本发明技术方案是以水泥和国产钙基膨润土或改性钙基膨润土为主要原料按一定配比制成低渗透性的竖向防污隔离墙材料，解决在我国天然高品质钠基膨润土短缺条件下低渗透性竖向防污隔离墙墙体材料制备难题。
(2)本发明技术方案是以水泥和国产钙基膨润土或改性钙基膨润土为主要原料制成竖向防污隔离墙材料，具有含水量高、抗变形能力强、抗剪强度较高的工程特性，解决上覆压力或地基侧向压力较大工况下墙体产生大变形开裂或剪切破坏的问题。
(3)本发明技术方案是沟槽开挖护壁的水泥-膨润土泥浆经水化硬化直接形成竖向防污隔离墙墙体材料，即为一步法施工方法，比“开挖沟槽/泥浆护壁、回填/置换泥浆”两步法施工的土-膨润土、塑性混凝土等竖向防污隔离墙施工方法简单、作业面小，简化了竖向防污隔离墙施工工艺。
(4)本发明水泥-膨润土竖向防污隔离墙可用于城市固体废弃物填埋场、危险废物填埋场、污染场地等集中污染源地下水渗流调控和污染物扩散防控，特别适用于上覆压力和地基侧向压力较大的工况。
附图说明
附图1为本发明的水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构的横断面示意图。
附图2为本发明的水泥-膨润土竖向防污隔离墙液压抓斗机施工主要步骤示意图：(a)开挖预留幅之后的一幅沟槽；(b)开挖预留幅沟槽；(c)完成开挖两幅沟槽。
图中：1、水泥-膨润土墙体；2、高渗透性岩土层；3、上游水位面；4、下游水位面；5、相对不透水岩土层；6、上覆结构(如表面盖层或围堤等)；7、导墙；8、液压抓斗机。
附图3为本发明的实验例28天龄期水泥-膨润土渗透系数与磨细粒状高炉矿渣替代水泥比率的关系。
附图4为本发明的实验例28天龄期水泥-膨润土无侧限抗压强度与磨细粒状高炉矿渣替代水泥比率的关系。
具体实施方式
下面结合附近图与具体实施方式对发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明具体实施包括在高渗透性岩土层2设置的竖向的水泥-膨润土墙体1，该墙体嵌入其下的相对不透水土层5，在高渗透性岩土层2形成稳定的上游水位面3和下游水位面4，还包括设置在水泥-膨润土墙体地表部位两侧的导墙7，并且在水泥-膨润土墙体1和导墙7的顶面及周围地面上铺设上覆结构6。
水泥-膨润土墙体1是实现防控地下污染功能的主要部分，布置在高渗透性岩土层2，厚度0.3m～1.5m，并嵌入相对不透水岩土层5的深度不小于1.0m，渗透系数不大于1×10- 6cm/s，无侧限抗压强一大于50kPa且小于1MPa。水泥-膨润土墙体1的材料为水泥/膨润土/水的混合物、磨细粒状高炉炉渣/水泥/膨润土/水的混合物或粉煤灰/水泥/膨润土/水的混合物，在上述混合物中添加木质素磺酸盐可提高流动性、延缓凝结时间。一般地，水泥与磨细粒状高炉炉渣或粉煤灰的质量之和占混合物总质量的15％～30％，膨润土泥浆质量占混合物总质量的70％～85％，干膨润土质量占膨润土泥浆质量的5～10％。其中，部分水泥可由磨细粒状高炉炉渣替代，磨细粒状高炉炉渣可延缓硬化速度，替代率为60％～80％时混合料渗透系数可会比无替代材料的混合料低一个数量级；部分沙发可由粉煤灰替代，粉煤灰可增大混合料固体含量，具有良好的耐干燥性和比磨细粒状高炉炉渣更好的耐化学侵蚀性。
导墙7的主要作用是防止竖向防污隔离墙沟槽开挖时浅部沟槽两侧地基土坍塌落入沟槽，并在开挖沟槽过程中导向作用。导墙7应采用现浇混凝土结构，混凝土强度等级不应低于C20，厚度不应小于200mm，采用双向配筋，顶面宜高出地面100mm，且应高于地下水位0.5m以上，导墙净距应比竖向防污隔离墙设计厚度加宽30mm～50mm。
上覆结构6的主要作用是防止竖向防污隔离墙受到侵蚀、发生脱水开裂，以及各种形式干扰，直接位于水泥-膨润土墙体1和导墙7的顶面及周围地面之上，材料主要是黏土、膨润土、填土或含GCL的复合盖层结构。如上覆结构为表面盖层，厚度0.3m～0.6m。
本发明的具体施工步骤如下：
(1)根据水泥-膨润土竖向防污隔离墙平面布置图，平整场地，必要时在施工机械路线上填筑路基，提高地基稳定性，在地面上绘制水泥-膨润土竖向防污隔离墙的水平中心轴线。
(2)制备水泥-膨润土泥浆，宜采用高速胶态剪切混合机，转速宜大于1400r/min，混合后需进行4h～8h的水化，加水泥前宜充分水化膨润土。
(3)竖向防污隔离墙沟槽开挖，采用液压抓斗机、挖掘机等机械作业。开挖的沟槽路线应与设计轴线距离误差不大于0.6m，且保证基本垂直，开挖深度与设计深度误差不应大于15cm。沟槽开挖结束后，采用开挖工程或其他适合方式清底，清除沟槽底部的松散土石料。
开挖沟槽时，在沟槽内注入经水化的水泥-膨润土泥浆，并保持高于地下水水位60cm以上，以防止沟槽两侧地基土失稳塌槽或出现向沟槽方向较大的侧向变形。
采用液压抓斗机8开挖竖向防污隔离墙沟槽，如图2所示，在开挖前进方向上预留小于液压抓斗宽度的未开挖区域，先开挖预留区域之后一幅沟槽，再开挖预留区域，进而完成两幅沟槽开挖。
采用分段法开挖沟槽过程使用端部止挡管或止档板时，在每日或每个班次结束前，把止挡管或止档板垂直插入已完成的槽段端部，等候水泥-膨润土泥浆初凝形成一定强度后拔出止挡管或止档板，在端部形成一个平整的垂直表面。开挖下一槽段时，挖入已完成槽段端部平整面以内60～90cm，从而新开挖槽段与已完成槽段形成连续性良好的竖向防污隔离墙墙体。
(4)沟槽内水泥-膨润土泥浆经水化硬化直接形成水泥-膨润土墙体1，无需如土-膨润土、塑性混凝土等常见竖向防污隔离墙类型那样在沟槽内回填墙体材料步骤，从而大大减小作业面。
(5)达到了规定的强度后清除沟槽中墙体顶部的自由水或开裂的表面，并用新的水泥-膨润土泥浆补充至设计标高。
补充的水泥-膨润土泥浆初凝后在顶部回填厚度15cm以上的松散土，防止顶部水泥-膨润土墙体失水开裂。在水泥-膨润土竖向防污隔离墙顶面之上施工上覆结构(如表面盖层或围堤等)，防止竖向防污隔离墙受到侵蚀、发生脱水以及各种形式的干扰。表面盖层材料采用黏土或膨润土，厚度0.3m～0.6m。
实验例1
本实验例的水泥-膨润土具体是采用C42.5普通硅酸盐水泥(杭州钱潮水泥有限公司产)、山东某膨润土和磨细粒状高炉炉渣(巩义市元亨净水材料厂产)及自来水配制而成。其中，磨细粒状高炉炉渣与水泥的质量之和为水泥-膨润土总质量的20％，磨细粒状高炉炉渣质量为磨细粒状高炉炉渣与水泥质量之和的0％、40％、70％、80％和90％；膨润土泥浆质量为水泥-膨润土总质量的80％，膨润土质量为膨润土泥浆质量的5％。水泥-膨润土试样制备后，在20°温度条件下水浴养护28天后进行100kPa压力下固结，再进行水力梯度为10条件下的渗透系数测试，结果如图3所示。可见，水泥-膨润土渗透系数随磨细粒状高炉炉渣替代水泥比例提高而下降。对于本实验例采用的水泥-膨润土原料，当磨细粒状高炉炉渣质量不小于水泥与磨细粒状高炉炉渣质量之和的40％时，水泥-膨润土渗透系数小于1×10-6cm/s，可满足防渗要求。另外，对养护28天的试样进行了无侧限抗压强度测试，结果如图4所示。可见，当磨细粒状高炉炉渣质量不大于水泥与磨细粒状高炉炉渣质量之和的40％时，水泥-膨润土无侧限抗压强度大于50kPa，可满足抗剪强度要求。
上述具体实施方法与实验例用来解释说明本发明，非因此局限本发明保护范围，依照上述具体实施方法所作的各种变形或套用均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构，其特征在于：包括置于上游水位面(3)和下游水位面(4)交界处的水泥-膨润土墙体(1)以及设置在水泥-膨润土墙体(1)地表部位两侧的导墙(7)，水泥-膨润土墙体(1)设置在高渗透性岩土层(2)中，水泥-膨润土墙体(1)下部嵌入高渗透性岩土层(2)之下的相对不透水土层(5)中，在高渗透性岩土层(2)形成稳定的上游水位面(3)和下游水位面(4)；在水泥-膨润土墙体(1)和导墙(7)顶面及周围的地面上设置有上覆结构(6)。
2.根据权利要求1所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构，其特征是：所述的水泥-膨润土墙体(1)材料为水泥/膨润土/水的混合物，部分水泥可由磨细粒状高炉炉渣或粉煤灰替代，其中水泥与磨细粒状高炉炉渣或粉煤灰的质量之和占混合物总质量的15％～30％；膨润土泥浆质量占混合物总质量的70％～85％，其中膨润土质量占膨润土泥浆质量的5％～10％。
3.根据权利要求1所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构，其特征是：所述的上覆结构(6)为黏土、膨润土、填土或含GCL的复合盖层结构。
4.根据权利要求1所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙结构，其特征是：所述的导墙材料为现浇的钢筋混凝土。
5.应用于权利要求1-4任一所述墙结构的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙施工方法，其特性在于所述施工方法步骤为：
1)平整场地，并确定场地地面上的水泥-膨润土墙体(1)水平中心轴线；
2)根据水泥-膨润土墙体(1)水平中心轴线，先施工水泥-膨润土墙体(1)在地表部位两侧地基中的导墙(7)；
3)现场制备以水泥和膨润土为主要原料的水泥-膨润土泥浆；
4)在两侧导墙(7)之间的高渗透性岩土层(2)中开挖竖向防污隔离墙的沟槽，开挖同时在沟槽内注入步骤3)的水泥-膨润土泥浆；
5)待水泥-膨润土泥浆水化硬化后直接形成水泥-膨润土墙体(1)；
6)最后在水泥-膨润土墙体(1)和导墙(7)的顶面及周围的地面上施工上覆结构。
6.根据权利要求5所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙施工方法，其特征是：所述的水泥-膨润土泥浆，在开挖沟槽阶段注入沟槽起护壁作用，开挖沟槽后经水化硬化直接形成水泥-膨润土墙体(1)。
7.根据权利要求5所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙施工方法，其特征是：所述的水泥-膨润土墙体(1)厚度0.3m～1.5m。
8.根据权利要求5所述的一种水泥-膨润土竖向防污隔离墙施工方法，其特征是：所述水泥-膨润土墙体(1)嵌入相对不透水岩土层(5)中，且嵌入深度不小于1.0m。
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