滩田设计中防渗措施的选择和工程实例分析

马俊涛

(中盐工程技术研究院有限公司,天津 300450)

1 防渗的重要性

在制盐生产中,盐田土壤的渗漏量直接关系着成卤量和最终的原盐产量。据统计,在海湖盐生产过程中因盐田池板渗透卤水损失量一般高达30%～40%,这种情况不仅是对资源的严重浪费,同时意味着生产成本的相对提高,生产效率的下降,防渗措施的重要性不言而喻。在农田水利工程、制盐工程等需要调动大量水体的领域,对防渗措施的研究和应用一直没有停止,而且随着科技的发展,相关材料科学的进步,新材料和新工艺也不断涌现,可供选择性大大提高,但就具体工程项目而言,仍需多方对比和衡量,进而选择最合适的防渗措施。

2 目前常见的防渗措施

防渗措施可分为对土壤本身的处理和对覆盖在土壤上的材料的选择两大类。对土壤本身的处理方式包括物理处理、化学处理、生物处理等;覆盖材料包括为沥青、混凝土、膜、砌石等。

2.1 物理处理

物理处理即物理上压实,此法适用于粘结性土壤(粘土、亚粘土),粘土本身具有较强可塑性,在新建盐田蒸发池的修建工程中,采用此法能有效地破坏原状土的结构,缩小土壤之间的空隙,使其更为紧实,从而达到减少渗漏的目的,且对于防渗要求更高的结晶池等重点区域,还要根据具体的土质情况分层压实和6 t～8 t的压路机压若干遍,使表层20 cm土层达到密实,使抗压强度在0.2 MPa以上。而在粘粒含量过低,池板强度低的结晶池,还要在加固原状土的基础上,铺垫硫酸钙若干以提高池板的抗压耐磨和面层的水稳性,再在上面铺垫海砂,找平后采用逐步加码的方式从轻到重的设备压实,最后灌入卤水在边压边晾的过程中逐步提咸至25 °Be′。从实践经验来说,粘土机械夯实防渗方法最为方便,成本也最低,但是要根据现场地质条件情况,当粘土层较厚(厚0.8 m以上时最为理想)时,对其施以足够的压力虽然会使粘土形成较为密实的防渗层。当砂粒含量过多,渗透性较大时要采用粘土灌浆方式进行处理,具体做法是:先压好池基,然后加粘土5 cm(压后约3 cm)铺平晾干,放进卤水使土团粒崩解,用工具或设备制成均匀泥浆,然后泄水晾晒,经压实后再上第二遍粘土,重复上述步骤,再在砂土池板表面铺垫一层粘土护面,同样压实,然而盐湖地区普遍存在粘土层较薄、分布不均,处理起来难度较大。

2.2 化学处理

将化学浆料喷涂到土壤表面,使其渗透于土壤孔隙中,经过拌合与压实,使池板固结,形成一层防水层,可有效地阻止卤水的渗漏。化学防渗方法最常见的是利用灌浆技术将化学浆液注入漏失部位,浆液由最初的黏土和石灰的混合浆液以及水泥浆液,发展到现在各种化学材料浆,应用规模也越来越广泛,涉及到油田、水利水电工程、隧道、建筑工程等岩土和土木工程领域。也有直接在土壤表面喷涂乳化沥青或者在筑建盐田的池板接缝处喷涂乳化沥青以形成防渗层的方法。江苏省制盐工业研究所的陈刚、韩善德等人试验研究了由含氧化镁、氯化镁、二氧化硅、三氧化二铝等4种成分配成的防渗材料,其原理是氧化镁与氯化镁反应生成氯氧镁,其活性成分生成抗水性较强、抗压强度较高的物质,提高了化学防渗层的抗水性和抗压能力。这种防渗材料铺抹在盐田泥池板表层后析出水分,经自然蒸发晾干后便固结在盐田表面,形成一层坚硬的隔离防渗层,从而有效地阻止卤水渗透。灌入15 °Be′以上浓度的卤水后,因卤水中诸化学物质不再与化学防渗层中的成分发生化学反应,从而起到化学防渗的作用。例如聚丙烯酰胺防渗剂,利用其絮凝性、粘合性、增稠性等特点,与土壤反应形成防渗层,可明显提高土壤的防渗率。但化学防渗法也有其不足之处,如造价较高,施工技术不够成熟,土壤防渗层机械强度较低,这些都影响了此技术的大面积推广。

2.3 生物处理

生物防渗,是指在盐田池板上养殖藻类和细菌垫层,利用盐田藻类和细菌的新陈代谢,可为卤水提供大量的有机质和细小的微粒,无机矿物。这些细小的微粒随着卤水的渗透,填充到土壤孔隙中,使孔隙度减少,另外在池板表土上形成粘稠的藻类和细菌垫层,可阻止卤水渗入到土壤中,减少土壤渗漏。在我国北方海盐区,由于受气候条件限制,藻垫的生长期短,只有4个月(6月～9月),气温低,生长速度缓慢,垫层较薄,一般为2 mm～3 mm厚。随着天气的变冷,藻垫刚覆盖整个池子就停止生长,其中一小部分藻类休眠,大部分藻类死亡。因此,在北方海盐区培植藻垫防渗,初始阶段主要靠细菌垫层分解有机体,产生大量有机质,增加土中粘粒,改变土壤理化性质。所以,如何在盐田中有计划地在人工控制条件下加速藻垫的成长,连续培植和生长藻垫,使土壤向着粘性土方向发展,即可利于防渗。盐田生物垫层需要长期的培育,适用于蒸发池,不适合产盐的结晶池。

2.4 塑膜防渗

塑膜防渗实质上就是在盐田池板的土壤内部或土壤表面铺放塑料薄膜,利用塑料薄膜防渗,常用的塑料薄膜通常是PVC、PE成分的。防渗膜又称土工膜,是20世纪80年代兴起的合成土工防水隔阻材料,并具有以下特点:

(1)防渗系数高。防渗膜具有普通防水材料无法比拟的防渗效果,优良的弹性和变形能力,可有效克服基面的不均匀沉降所带来的问题。

(2)化学稳定性。防渗膜具有优异的化学稳定性,耐高低温,耐酸、碱、盐等化学介质腐蚀。

(3)耐老化性能。防渗膜具有优秀的抗老化、抗紫外线、抗分解能力,可裸露使用,为环境防渗提供很好的材料保证。

(4)抗植物根系。防渗膜具有优异抗穿刺能力,可以抵抗大部分植物根系。

(5)高机械强度。防渗膜具有良好机械强度,断裂拉伸强度和断裂延伸率。

(6)成本低效益高。防渗膜产品低于传统防水材料,可节约生产成本。

(7)施工速度快。防渗膜有很高的灵活性,有多种规格多种铺设形式满足不同工程防渗要求,施工方便、快速健康。

由于防渗膜的上述优点,使它广泛应用在环保、环卫、水利工程、市政建筑、园林绿化、石油化工、矿业、道路、农业、水产、盐业等诸多方面。

而更加重要的是,防渗膜可用于大面积和超大面积的防渗工程,在农业、水利、海湖盐业方面,在青海湖盐区的绝大部分滩晒池已有许多成功的典例。一般的海湖盐生产企业会选择高浓度的卤水和结晶池进行塑膜铺底防渗,如山东羊口盐场在改建过程中对高浓度卤水和结晶池池底清淤泥,晾晒,找平、铺膜、打沙防渗。福建莆田盐场选择石头、缸瓦片做池底,塑料薄膜半铺半盖的方法防渗。塑膜防渗是我国盐田生产中应用较为广泛的技术。

2.5 其他防渗

在其他水利工程上应用较多的沥青涂层防渗,混凝土防渗,砌石防渗等由于建造成本的原因和其他因素在制盐上应用较少,在此不详加叙述。

3 工程实例分析

3.1 项目概况

某项目位于柴达木盆地西侧。由若干个小盐湖组成。地面海拔2 690 m～2 700 m,整个矿田呈北西、南东延伸。属典型内陆沙漠性干旱气候,主要表现为气候干燥、常年多风、雨量较少、蒸发强烈、气温低寒、昼夜温差大、紫外线强及缺氧等特征。多年平均降水量仅14.3 mm,而蒸发量达2 975.2 mm,是降水量的208倍,属极度干旱区。降水主要集中在5月～8月,占全年降水量的86%,全年降水次数少,雨量集中。每年4月～9月为主要蒸发季节,占全年蒸发量的80%,蒸发量随气温升高显著增加。多年平均气温3.7 ℃,月平均最高气温出现在7月份,为17.4 ℃;月平均最低气温出现在1月份,为-12.4 ℃,冬长夏短、冬季寒冷、夏季干燥炎热。区域上盛行东北风,次为西北风,平均风速3.7 m/s～4.2 m/s,最大风速20 m/s～30 m/s,全年8级以上大风可达25 d～30 d。

地下水主要是地质历史时期形成,其深层地下水及少量降水是地下水补给的有限来源,单一的平原地貌及极不发育的地表水迳流,使地下水迳流趋于停滞。由于强烈的毛细蒸发作用形成地下水排泄途径,工作区成为地下水活动的最后归宿。钾矿床是一个固液钾矿并存,以卤水钾矿为主,共(伴)生石盐、芒硝、镁盐、硼等多种矿产资源。针对矿区卤水进行化验,结果见表1。

表1 矿区卤水化验结果Tab.1 Mine brine test results %

区内场地上部第四系地层具有以盐类为主,盐与粘性土相互混杂,交替成层堆积的特点。根据前人研究资料,盐类以石盐、钾石盐、芒硝、光卤石等为主。由于这些矿物往往共生在一起,形成类似砾状团块状堆积在地层中,并有不同程度的胶结,或混有部分粘性土,对于含有较多粘性土或粉砂者定名为含粘土粉砂的岩盐。

3.2 产生的问题

在盐田建设前期,其盐田基本都布置在矿床之上,进行卤水滩晒,生产光卤石等产品。部分盐田由于没有进行铺膜防渗处理,在生产中卤水渗漏较大,半数以上卤水渗入下游,影响了正常滩晒生产,使成卤量降低。

个别铺膜盐田,由于防渗膜损坏,产生裂口,池中卤水通过裂口向下渗漏,溶解矿床,形成深洞,不但损失了卤水,还造成了生产安全隐患。

3.3 选择合适措施

项目中现有盐田,都是在矿床上面建设的,即防渗膜下就是盐类矿物层。当防渗膜发生渗漏时,卤水对矿物盐类大多是不饱和的,故卤水会溶解下部的矿床,形成孔洞,导致卤水的大量损失。因此,对防渗膜下土层的要求最好是纯土,或土壤加少许的砾石,因为土和砾石为稳定物,不会发生溶解过程。

但盐湖表层为最优土层的分布区域极少,土层中多含有不同厚度的矿层。从生产的可行性出发,规定含有1.0 m～1.5 m左右厚度矿层的土层,作为防渗膜下土层的次优选择。这样当防渗膜发生渗漏时,膜下孔洞也只是1.5 m深,便于采取填埋等补救措施。

此外,在防渗膜的铺设施工中,要求完全不漏,并加强施工的监督、考核和验收,严把施工质量。但与此同时对于普通工业性生产来说,塑料材料和铺设施工中的小瑕疵,是不可避免的,从开始的微小渗漏到几年后的较大渗漏,也很有可能发生。因此,除采用上述膜下良好土壤垫层方式外,还需另辟蹊径,提高防渗效果。

在海盐生产中,经常使用盐池板生产原盐。盐池板是在池底上结晶生长的一层死碴盐面层,成分是氯化钠,结构致密坚硬,且在各级卤水中不会产生溶解现象。盐池板除提供收盐机械承重作用外,其卤水渗漏率也较低。土基垫层上覆盖盐池板的盐池结构,其总体卤水渗漏量可达到1.0 mm/d以下。

3.4 具体施工建议

海盐生产中的盐池板,可移植到湖盐滩晒池中,主要操作如下:

(1)对基础土层进行清理、整平、机械压实。若土层太干可喷洒部分淡水,提高含水量利于碾压。压实层的厚度应在30 cm以上。

(2)在土层上铺设防渗膜,并检验合格。

(3)在铺膜池中灌入新卤,结晶盐类为氯化钠。在氯化钠结晶析出过程中,不得进行活碴操作,保证形成死碴盐池板。当滩晒卤水提高浓度,将要析出其他盐类时,需将卤水及时撤出,并更换新卤。

(4)经蒸发结晶,死碴盐厚度达到10 cm左右,撤出卤水,经过足够时间晾晒,使晶体间卤水充分结晶,填充池板间空隙,致盐池板达到较高密实度,然后再灌入卤水。经过上述操作3次～5次后,钠盐池、泻利盐池和钾混盐池要形成35 cm厚盐池板,光卤石池要形成50 cm厚盐池板,达到要求厚度。

4 结语

做好盐池板后,盐池板对防渗膜形成较强的保护作用,并会极大地提高盐田的抗压强度,形成防渗膜和盐池板双层防渗结构,协同达到最优的防渗效果。《一种防渗膜和盐池板结合的防渗系统》专利已获授权。