5防渗材料性能及其环境影响分析 5防渗材料性能及其环境影响分析 51圆明园防渗材料组成及来源 圆明园防渗工程使用的材料是土工合成材料,为非织造复合土工膜(以下简 称复合土工膜)。复合土工膜一般是由聚乙烯薄膜与聚酯纤维织物构成的复合材 料,前者为复合土工膜的基材,主要起防渗作用,一般称为土工膜;后者为基材 的保护层,具有一定厚度,覆盖在聚乙烯薄膜上,防止被穿刺或破裂,一般称为 土工布。 聚乙烯薄膜主要包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性 低密度聚乙烯( LLDPE)、交联聚乙烯等。用于防渗的薄膜主要有高密度聚乙烯、 低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯,但以高密度聚乙烯的使用居多。涤纶(对苯 二甲酸乙二醇酯PEI)是市场上常用的一种聚酯纤维,土工布常用的材料 圆明园防渗工程使用的复合土工膜来自山东宏祥化纤集团有限公司、山东三 塑集团和山东泰峰塑料土工材料有限公司三个厂家,其基本参数如表5-1所示, 基材为高密度聚乙烯,土工布材料为涤纶。 表5-1各厂家提供的防渗材料基本参数 公司名称基材名称 m)|保护层名称|渗透系数 基材厚度 平均分子量 山东宏祥高密度聚乙烯 0.4 涤纶41×1012|7~30×104 山东三塑高密度聚乙烯|04 涤纶32×1012 山东泰峰高密度聚乙烯04 涤纶 l1×104 防渗材料性能满足《土工合成材料非织造复合土工膜》国家标准 (GB/T17642-1998)。 圆明园防渗工程复合土工膜的全部铺设和焊接由北京海淀水利水电工程公 司负责施工,北京燕波水利建设监理有限责任公司负责工程监理。各单元铺设防 渗材料的详细情况见表2一1和图2-1。作业施工遵照《聚乙烯(PE)土工膜防 渗工程技术规范》(行业标准SL/231-98)
5 防渗材料性能及其环境影响分析 60 5 防渗材料性能及其环境影响分析 5.1 圆明园防渗材料组成及来源 圆明园防渗工程使用的材料是土工合成材料，为非织造复合土工膜（以下简 称复合土工膜）。复合土工膜一般是由聚乙烯薄膜与聚酯纤维织物构成的复合材 料，前者为复合土工膜的基材，主要起防渗作用，一般称为土工膜；后者为基材 的保护层，具有一定厚度，覆盖在聚乙烯薄膜上，防止被穿刺或破裂，一般称为 土工布。 聚乙烯薄膜主要包括高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、线性 低密度聚乙烯（LLDPE）、交联聚乙烯等。用于防渗的薄膜主要有高密度聚乙烯、 低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯，但以高密度聚乙烯的使用居多。涤纶（对苯 二甲酸乙二醇酯 PET）是市场上常用的一种聚酯纤维，土工布常用的材料。 圆明园防渗工程使用的复合土工膜来自山东宏祥化纤集团有限公司、山东三 塑集团和山东泰峰塑料土工材料有限公司三个厂家，其基本参数如表 5－1 所示， 基材为高密度聚乙烯，土工布材料为涤纶。 表 5－1 各厂家提供的防渗材料基本参数 公司名称 基材名称 基材厚度 (mm) 保护层名称 渗透系数 (cm/s) 平均分子量 山东宏祥 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 4.1×10-12 7～30×10 4 山东三塑 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 3.2×10-12 － 山东泰峰 高密度聚乙烯 0.4 涤纶 － 11×104 防渗材料性能满足《 土工合成材料 非织造复合土工膜》 国家标准 （GB/T17642-1998）。 圆明园防渗工程复合土工膜的全部铺设和焊接由北京海淀水利水电工程公 司负责施工，北京燕波水利建设监理有限责任公司负责工程监理。各单元铺设防 渗材料的详细情况见表 2－1 和图 2－1。作业施工遵照《聚乙烯（PE）土工膜防 渗工程技术规范》（行业标准 SL/T231-98）
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 52复合土工膜防渗材料的特性 复合土工膜应用于环境或水利工程时,其可能对环境释放的物质组成和数量 主要取决于制造复合土工膜的原料,即聚乙烯和聚酯纤维的组成、结构以及溶解 和降解特性。以下分别对聚乙烯、聚酯纤维和添加剂的特性进行描述。 521聚乙烯(PE)的特性 聚乙烯(PE)属聚烯烃类,是典型的碳氢高聚物,在材料基质中不含有其 他元素。纯晶态聚乙烯呈乳白色,手感似蜡,无味、无嗅、无毒。髙密度聚乙烯 (HDPE)是指在每1000个碳原子中含有不多于5个支链的线性分子所组成的聚 合物,在所有各类聚乙烯中,HDPE模量最高,渗透性最小,同时具有良好的拉 伸强度、耐腐蚀性和稳定性;低密度聚乙烯(LDPE)则是在高压下自由基引发 聚合制得的含有更多支链的聚合物,包括长支链和短支链,其中短支链在每1000 个主链碳原子中约含有15~35个,其结晶度远低于HDPE。LDPE的熔点低,质 地柔软,清晰度髙、手感柔软,并有适度韧性 聚乙烯对化学品通常具有较高的稳定性,甚至在高温下,也具有良好的耐水 溶特性。通过国内外文献调研,聚乙烯在十分特定的条件下才会缓慢地被氧化剂 侵蚀。例如,用烷烃、芳烃及氯代烃在室温下浸泡6个月以上会使其溶涨,此后 在约π0℃开始熔融,继续升温时甚至会溶解 髙密度聚乙烯在无氧条件下抗紫外光和热的作用非常稳定。聚乙烯在热降时 解遵循无规断链及分子内和分子间转移反应的机理,只有在350℃以上的高温下, 才会发生明显的分子链断裂分解,降解产物有乙烯、丙稀、丁烯和分子链更长的 烯烃碎片。在空气中用紫外光大剂量照射聚乙烯膜会引起氧的吸收,羰基、羟基 和烯基的生成,同时释放出丙酮、乙醛、水、一氧化碳和二氧化碳,同时引起脆 性的增加、交联的形成以及聚合物样品力学性能恶化。 522聚酯纤维(PET)的特性 PET化学名称是聚对苯二甲酸乙二醇酯,是一种饱和的热塑性聚合物,由对
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 61 5.2 复合土工膜防渗材料的特性 复合土工膜应用于环境或水利工程时，其可能对环境释放的物质组成和数量 主要取决于制造复合土工膜的原料，即聚乙烯和聚酯纤维的组成、结构以及溶解 和降解特性。以下分别对聚乙烯、聚酯纤维和添加剂的特性进行描述。 5.2.1 聚乙烯（PE）的特性 聚乙烯（PE）属聚烯烃类，是典型的碳氢高聚物，在材料基质中不含有其 他元素。纯晶态聚乙烯呈乳白色，手感似蜡，无味、无嗅、无毒。高密度聚乙烯 （HDPE）是指在每 1000 个碳原子中含有不多于 5 个支链的线性分子所组成的聚 合物，在所有各类聚乙烯中，HDPE模量最高，渗透性最小，同时具有良好的拉 伸强度、耐腐蚀性和稳定性；低密度聚乙烯（LDPE）则是在高压下自由基引发 聚合制得的含有更多支链的聚合物，包括长支链和短支链，其中短支链在每 1000 个主链碳原子中约含有 15～35 个，其结晶度远低于 HDPE。LDPE的熔点低，质 地柔软，清晰度高、手感柔软，并有适度韧性。 聚乙烯对化学品通常具有较高的稳定性，甚至在高温下，也具有良好的耐水 溶特性。通过国内外文献调研，聚乙烯在十分特定的条件下才会缓慢地被氧化剂 侵蚀。例如，用烷烃、芳烃及氯代烃在室温下浸泡 6 个月以上会使其溶涨，此后 在约 70℃开始熔融，继续升温时甚至会溶解。 高密度聚乙烯在无氧条件下抗紫外光和热的作用非常稳定。聚乙烯在热降时 解遵循无规断链及分子内和分子间转移反应的机理，只有在350℃以上的高温下， 才会发生明显的分子链断裂分解，降解产物有乙烯、丙稀、丁烯和分子链更长的 烯烃碎片。在空气中用紫外光大剂量照射聚乙烯膜会引起氧的吸收，羰基、羟基 和烯基的生成，同时释放出丙酮、乙醛、水、一氧化碳和二氧化碳，同时引起脆 性的增加、交联的形成以及聚合物样品力学性能恶化。 5.2.2 聚酯纤维（PET）的特性 PET 化学名称是聚对苯二甲酸乙二醇酯，是一种饱和的热塑性聚合物，由对
5防渗材料性能及其环境影响分析 苯二甲酸和乙二醇经酯化反应聚合而成。结晶型PET相对密度1.33~1.38,相对 较高,在热塑性塑料中,聚酯的强度最高。聚酯纤维制造的织物具有较髙的拉伸 强度、延伸性和整体性,良好的水力特性,以及较好的隔离、过滤、排水、加筋、 保护、封闭等作用。 PET具有很高的稳定性,即使在较高温度下,在水及一般物质的水溶液中的 溶解度通常可以忽略。 在环境温度下,PEI的热氧化稳定性很好,只有在高温下才可能出现聚酯的 热断裂和热氧化断裂或者交联现象。纯PET在250~300℃开始降解,但在350℃ 以上才明显放出挥发性产物。降解的引发过程包括酯部位的异裂,生成羧酸和乙 烯基酯端基,后者可与PET中的羟乙基酯端基发生酯交换反应放出乙醛,它是 最主要的挥发性产物,在更高的温度下还会有CO、CO2、CH4、C2H和苯等挥 发性产物。 由于PET分子上的酯羰基生色团能吸收290~400nm之间的紫外光,因此在 室外太阳光照射下也会发生降解。光降解过程中产生的羟基自由基能夺取苯环上 的氢,也能取代苯环上的氢,PET光氧化过程中,紫外光谱和红外光谱发生了变 化,表明生成了许多不同的基团,如羟基、羧基及双键等。光降解最终产物主要 是CO2 523添加剂的特性 基于对PE和PET材料加工稳定性以及长效稳定性的考虑(减少加工过程和 使用过程中的不稳定性),可在高聚物中溶入以光稳定剂和抗氧剂为主的添加剂, 以形成更加稳定的结构,减轻甚至消除破坏性紫外线以及氧化老化的影响。 由于PE及PET本身具有很高的稳定性,因此,所用添加剂的种类和用量 般很少。根据复合土工膜生产厂家提供的信息,只有所用的高密度聚乙烯树脂的 提供商一中石化公司在树脂加工过程中加入了一定的无毒防老剂,如2-羟基-4 正辛氧基二苯酮,用量范围约在006~02%;而在聚酯纤维的加工过程以及与 聚乙烯的复合过程中未添加任何添加剂。 文献调研表明,厂家提到的这类物质属于羟基二苯甲酮类光稳定剂,是一种 常用的无毒塑料添加剂。表5-2列出了最常用的几种抗氧剂和光稳定剂的毒性
5 防渗材料性能及其环境影响分析 62 苯二甲酸和乙二醇经酯化反应聚合而成。结晶型 PET 相对密度 1.33～1.38，相对 较高，在热塑性塑料中，聚酯的强度最高。聚酯纤维制造的织物具有较高的拉伸 强度、延伸性和整体性，良好的水力特性，以及较好的隔离、过滤、排水、加筋、 保护、封闭等作用。 PET 具有很高的稳定性，即使在较高温度下，在水及一般物质的水溶液中的 溶解度通常可以忽略。 在环境温度下，PET 的热氧化稳定性很好，只有在高温下才可能出现聚酯的 热断裂和热氧化断裂或者交联现象。纯 PET 在 250～300℃开始降解，但在 350℃ 以上才明显放出挥发性产物。降解的引发过程包括酯部位的异裂，生成羧酸和乙 烯基酯端基，后者可与 PET 中的羟乙基酯端基发生酯交换反应放出乙醛，它是 最主要的挥发性产物，在更高的温度下还会有 CO、CO2、CH4、C2H2 和苯等挥 发性产物。 由于 PET 分子上的酯羰基生色团能吸收 290～400nm 之间的紫外光，因此在 室外太阳光照射下也会发生降解。光降解过程中产生的羟基自由基能夺取苯环上 的氢，也能取代苯环上的氢，PET 光氧化过程中，紫外光谱和红外光谱发生了变 化，表明生成了许多不同的基团，如羟基、羧基及双键等。光降解最终产物主要 是 CO2。 5.2.3 添加剂的特性 基于对 PE 和 PET 材料加工稳定性以及长效稳定性的考虑（减少加工过程和 使用过程中的不稳定性），可在高聚物中溶入以光稳定剂和抗氧剂为主的添加剂， 以形成更加稳定的结构，减轻甚至消除破坏性紫外线以及氧化老化的影响。 由于 PE 及 PET 本身具有很高的稳定性，因此，所用添加剂的种类和用量一 般很少。根据复合土工膜生产厂家提供的信息，只有所用的高密度聚乙烯树脂的 提供商－中石化公司在树脂加工过程中加入了一定的无毒防老剂，如 2-羟基-4- 正辛氧基二苯酮，用量范围约在 0.06～0.2％；而在聚酯纤维的加工过程以及与 聚乙烯的复合过程中未添加任何添加剂。 文献调研表明，厂家提到的这类物质属于羟基二苯甲酮类光稳定剂，是一种 常用的无毒塑料添加剂。表 5－2 列出了最常用的几种抗氧剂和光稳定剂的毒性
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 用量以及安全级别。根据表5-3的毒性类别,复合土工膜材料中所使用的添加 剂满足食品包装安全级别,属于实际上无毒的物质 表5-2常用添加剂毒性及用量 类别 大白鼠经口LD0规定用量 酚类抗氧剂AO310~15gkg体重01%~0.5%可用于食品包装材料 酚类抗氧剂AO5>5gkg体重001%0.5% 可用于接触食品的塑 料制品 亚磷酸酯类抗氧剂 P-1 6gkg体重 羟基二苯甲酮类光 稳定剂UVA-3 01~1%用于接触食品的塑料 表5-3常用添加剂的急性毒性一览 LD50大鼠一次口服mgkg) 毒性类别 剧毒 1~50 高毒 50~500 中毒毒性 500~5000 轻度毒性 5000~15000 实际上无毒 >15000 相对无毒 5.3复合土工膜防渗材料的寿命和环境风险 53.1防渗材料的稳定寿命 表5-4列出了若干估算聚乙烯材料稳定寿命的试验结果,据此可以对其稳 定寿命做出粗略估计。表中数据显示,在120℃下,加入0.1%抗氧剂的聚乙烯材 料经9个月后开始出现脆裂;相应材料在经受1,000KJ/cm2照射后拉伸率明显下 降。而在自然条件下的暴露试验表明,PE土工膜的各项机械性能指标在9个月 的自然老化过程中,未显示出性能下降的迹象。一般使用条件下,估计此类防渗 材料的寿命可达30~50年。考虑到圆明园防渗材料长期处于环境温度、缺氧和
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 63 用量以及安全级别。根据表 5－3 的毒性类别，复合土工膜材料中所使用的添加 剂满足食品包装安全级别，属于实际上无毒的物质。 表 5－2 常用添加剂毒性及用量 类别 大白鼠经口 LD50 规定用量 注 酚类抗氧剂 AO-3 10～15g/kg 体重 0.1％～0.5％ 可用于食品包装材料 酚类抗氧剂 AO-5 >5g/kg 体重 0.01％～0.5％ 可用于接触食品的塑 料制品 亚磷酸酯类抗氧剂 P-1 >6g/kg 体重 － － 羟基二苯甲酮类光 稳定剂 UVA-3 － 0.1～1% 用于接触食品的塑料 表 5－3 常用添加剂的急性毒性一览 LD50(大鼠一次口服)/(mg/kg) 毒性类别 =1 剧毒 1～50 高毒 50～500 中毒毒性 500～5000 轻度毒性 5000～15000 实际上无毒 >15000 相对无毒 5.3 复合土工膜防渗材料的寿命和环境风险 5.3.1 防渗材料的稳定寿命 表 5－4 列出了若干估算聚乙烯材料稳定寿命的试验结果，据此可以对其稳 定寿命做出粗略估计。表中数据显示，在 120℃下，加入 0.1%抗氧剂的聚乙烯材 料经 9 个月后开始出现脆裂；相应材料在经受 1,000 KJ/cm2 照射后拉伸率明显下 降。而在自然条件下的暴露试验表明，PE 土工膜的各项机械性能指标在 9 个月 的自然老化过程中，未显示出性能下降的迹象。一般使用条件下，估计此类防渗 材料的寿命可达 30～50 年。考虑到圆明园防渗材料长期处于环境温度、缺氧和
5防渗材料性能及其环境影响分析 辐射被屏蔽的条件下,结合我国与其它国家对此类产品长期在类似工程中实际应 用的结果,其寿命还可能达到50年以上甚至更长 表5-4估计聚乙烯材料稳定寿命的若干试验结果 齐格勒型高密度聚乙烯 HDPE(d=0.957g/cm2),05mm模压试片,含01%硬 脂酸钙,在120℃下热烘箱老化至弯曲试验出现脆裂的天数 抗氧剂的抗氧剂 化学名称 0025%用量005%用量|0.10%用量 使用对聚乙酚类抗氧剂B(4.羟基-3,5二叔丁基 54天103天158天 烯稳定性的 AO-3 苯基)丙酸正十八碳醇酯 影响 四[B(3,5-二叔丁基-4 酚类抗氧剂 羟基苯基)丙酸季戊四醇77天182天|269天 AO-5 低密度聚乙烯自然老化试验,残留拉伸率为50%时所吸收的能量/kJ/em) 无光稳定 光稳定剂 0.15% 0.6% 剂 2、光稳定剂 UA-3(羟基 的使用对聚 375 480 670 苯甲酮类) 乙烯稳定性 HAIS-2(受阻 的影响 140 710 900 1380 970 胺类化合物) ALS-3(受阻 1840 1095 2930 3560 胺类化合物) 拉伸屈服强拉伸断裂强屈服伸长断裂伸长 「老化时间(月)厚度(mm 3、PE土工膜 度(兆帕)度(兆帕)率(%)率(%) 自然暴露老 120 16.8 24.4 805 化试验 6 1.128 17.0 25.4 827 17.2 24.7 532防渗材料的环境风险 高密度聚乙烯和聚酯纤维本身对于温度、辐照和氧化均具有相当高的稳定
5 防渗材料性能及其环境影响分析 64 辐射被屏蔽的条件下，结合我国与其它国家对此类产品长期在类似工程中实际应 用的结果，其寿命还可能达到 50 年以上甚至更长。 表 5－4 估计聚乙烯材料稳定寿命的若干试验结果 齐格勒型高密度聚乙烯 HDPE(d = 0.957g/cm3 )，0.5mm 模压试片，含 0.1%硬 脂酸钙，在 120℃下热烘箱老化至弯曲试验出现脆裂的天数 抗氧剂 化学名称 0.025%用量 0.05%用量 0.10%用量 酚类抗氧剂 AO-3 B-(4-羟基-3,5-二叔丁基 苯基)丙酸正十八碳醇酯 54 天 103 天 158 天 1、抗氧剂的 使用对聚乙 烯稳定性的 影响 酚类抗氧剂 AO-5 四 [B-(3,5-二叔丁基-4- 羟基苯基)丙酸]季戊四醇 酯 77 天 182 天 269 天 低密度聚乙烯自然老化试验，残留拉伸率为 50％时所吸收的能量/(kJ/cm2 ) 光稳定剂 无光稳定 剂 0.15% 0.3% 0.6% 1.2% UVA-3(羟基二 苯甲酮类) 375 480 670 - HALS-2(受阻 胺类化合物) 710 900 1380 1970 2、光稳定剂 的使用对聚 乙烯稳定性 的影响 HALS-3(受阻 胺类化合物) 140 1840 1095 2930 3560 老化时间（月）厚度（mm） 拉伸屈服强 度（兆帕） 拉伸断裂强 度（兆帕） 屈服伸长 率（％） 断裂伸长 率（％） 0 1.120 16.8 24.4 >30 805 6 1.128 17.0 25.4 >30 827 3、PE 土工膜 自然暴露老 化试验 9 1.120 17.2 24.7 >30 804 5.3.2 防渗材料的环境风险 高密度聚乙烯和聚酯纤维本身对于温度、辐照和氧化均具有相当高的稳定
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 性,使用了一定量添加剂后使得高聚物材料有着更加优良的长效稳定性,即在常 温下长期的稳定性,由它们组合而成的复合防渗材料在温度低于200℃、不经受 长期阳光直接辐照以及不存在高温一氧协同作用的条件下不会发生明显的降解 行为。 在防渗材料的使用环境下,几乎所有有利于其降解的条件都很微弱,水下是 低氧环境,紫外线经过水层、土层的吸收也所剩无几,水底温度稳定,无强酸强 碱的苛刻环境。因此,可以推断圆明园防渗材料在其稳定寿命内,由于降解而向 环境释放物质的量是微乎其微的。自然暴露老化试验也表明,在其稳定寿命内, 防渗材料的结构和机械特性几乎不发生变化。 即使高聚物材料在正常的使用过程中会发生微量的降解或者溶出,其结果也 不会对环境造成不可接受的影响。其可能的主要降解产物除了H2O和气态的CO CO以外,还可能会有小分子的单体,如丙酮、乙醛、乙醇、羧酸等,这些物质 多属无毒或低毒性物质。即使产物中存在毒性较髙的苯等物质,其量极其微小。 根据日本对这类物质浸出浓度的规定,其释放大致同我国生活饮用水水质卫生规 范水平相当(表5-5)。因此可以认为防渗材料向环境释放物质的速度、数量以 及毒性不会对人体健康和环境造成危害 表5-5还同时列举了我国一级饮用水卫生标准和生活饮用水水源水质标准 (一级水源为简易净化消毒后可供饮用的水源,二级水源为轻度污染需进行常规 处理以供饮用的水源),可以看出日本对于聚乙烯防渗材料的浸出物浓度标准, 与我国《生活饮用水水质卫生规范》(卫生部,2001年9与人1日)中的限值相 当,当然也完全满足我国《生活饮用水水源水质标准》(CJ3020-93)中的一级标 准。这实际上也是各国选用此类材料作为与水利一饮水有关工程的重要防渗材料 的原因。 533复合土工膜在国内外工程中的应用实例 作为一种新型材料,土工合成材料具有可以根据实际工程需要进行加工的特 性和功能,已被广泛用于水利工程的堤、坝、水库的防渗,同时也在渠道、蓄水 池、污水池、游泳池、房屋建筑、地下建筑物、垃圾场、环境工程等方面作为防 渗、防漏、防潮材料使用。发达国家从上世纪30年代起,就开始广泛应用该项
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 65 性，使用了一定量添加剂后使得高聚物材料有着更加优良的长效稳定性，即在常 温下长期的稳定性，由它们组合而成的复合防渗材料在温度低于 200℃、不经受 长期阳光直接辐照以及不存在高温－氧协同作用的条件下不会发生明显的降解 行为。 在防渗材料的使用环境下，几乎所有有利于其降解的条件都很微弱，水下是 低氧环境，紫外线经过水层、土层的吸收也所剩无几，水底温度稳定，无强酸强 碱的苛刻环境。因此，可以推断圆明园防渗材料在其稳定寿命内，由于降解而向 环境释放物质的量是微乎其微的。自然暴露老化试验也表明，在其稳定寿命内， 防渗材料的结构和机械特性几乎不发生变化。 即使高聚物材料在正常的使用过程中会发生微量的降解或者溶出，其结果也 不会对环境造成不可接受的影响。其可能的主要降解产物除了H2O和气态的CO、 CO2 以外，还可能会有小分子的单体，如丙酮、乙醛、乙醇、羧酸等，这些物质 多属无毒或低毒性物质。即使产物中存在毒性较高的苯等物质，其量极其微小。 根据日本对这类物质浸出浓度的规定，其释放大致同我国生活饮用水水质卫生规 范水平相当（表 5－5）。因此可以认为防渗材料向环境释放物质的速度、数量以 及毒性不会对人体健康和环境造成危害。 表 5－5 还同时列举了我国一级饮用水卫生标准和生活饮用水水源水质标准 （一级水源为简易净化消毒后可供饮用的水源，二级水源为轻度污染需进行常规 处理以供饮用的水源），可以看出日本对于聚乙烯防渗材料的浸出物浓度标准， 与我国《生活饮用水水质卫生规范》（卫生部，2001 年 9 与人 1 日）中的限值相 当，当然也完全满足我国《生活饮用水水源水质标准》（CJ3020-93）中的一级标 准。这实际上也是各国选用此类材料作为与水利－饮水有关工程的重要防渗材料 的原因。 5.3.3 复合土工膜在国内外工程中的应用实例 作为一种新型材料，土工合成材料具有可以根据实际工程需要进行加工的特 性和功能，已被广泛用于水利工程的堤、坝、水库的防渗，同时也在渠道、蓄水 池、污水池、游泳池、房屋建筑、地下建筑物、垃圾场、环境工程等方面作为防 渗、防漏、防潮材料使用。发达国家从上世纪 30 年代起，就开始广泛应用该项
5防渗材料性能及其环境影响分析 技术,我国也从80年代开始在各项工程中逐步推广使用土工膜合成材料。以下 列举了复合土工膜合成材料在国内外工程中的部分应用实例 表5-5日本防水工业协会浸出试验测试报告和中国饮用水卫生标准 中国生活饮用水水中国生活饮用水源 项目 日本浸出浓度标准 质卫生规范 水质卫生标(一级) <0. 01mg/L 0.005mg <0.01mg/L 氰化物|检不出(<00lmg/L) <0.05mg/L <005mg/ 总磷 检不出(<001mg/L) <0. 0lmg/L <0. 01mg/L <005mg/L 铅一铬砷 <0.05mg <0. 05mg/L <005mg/ [0.01mg/L <0. 05mg/L <005mg/L 总汞 0.0005mg/L <0001mg/L c0.001mg/L 检不出 烷基汞 (<0000mgL) 检不出 PCB (<0.0005mg/L) 125mg/L(仅适于农 铜苯硒氟硼 用) 0.0lr gL <0. 01mg/L <0.01mg/L <0. 01mg/L <0.0lmg/ <0.8mg/I <Img/l <1.0mg/L <Img/L <0.5mg/L 顺-1,2-二氯乙烯 0.04mg/L <0. 05mg/L 1,1,1-三氯乙烯 <lmg 三氖乙烯 <0.03mg/L <0.07mg/L 四氯乙烯 <0.01mg/L <0. 04mg/L
5 防渗材料性能及其环境影响分析 66 技术，我国也从 80 年代开始在各项工程中逐步推广使用土工膜合成材料。以下 列举了复合土工膜合成材料在国内外工程中的部分应用实例。 表 5－5 日本防水工业协会浸出试验测试报告和中国饮用水卫生标准 项目 日本浸出浓度标准 中国生活饮用水水 质卫生规范 中国生活饮用水源 水质卫生标(一级) 镉 <0.01mg/L <0.005mg/L <0.01mg/L 氰化物 检不出(<0.01mg/L* ) <0.05mg/L <0.05mg/L 总磷 检不出(<0.01mg/L* ) - - 铅 <0.01mg/L <0.01mg/L <0.05mg/L 铬 <0.05mg/L <0.05mg/L <0.05mg/L 砷 <0.01mg/L <0.05mg/L <0.05mg/L 总汞 <0.0005mg/L <0.001mg/L <0.001mg/L 烷基汞 检不出 (<0.0005mg/L* ) - - PCB 检不出 (<0.0005mg/L* ) - - 铜 125mg/L(仅适于农 用) <1.0mg/L <1.0mg/L 苯 <0.01mg/L <0.01mg/L - 硒 <0.01mg/L <0.01mg/L <0.01mg/L 氟 <0.8mg/L <1mg/L <1.0mg/L 硼 <1mg/L <0.5mg/L <0.5mg/L 顺-1,2-二氯乙烯 <0.04mg/L <0.05mg/L - 1,1,1-三氯乙烯 <1mg/L <2mg/L - 三氯乙烯 <0.03mg/L <0.07mg/L - 四氯乙烯 <0.01mg/L <0.04mg/L -
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 京密引水渠是1966年建成的一条大型工农业输水渠道,1990年以后开始全 年向城市供水。由于渗漏严重,年渗漏量达1亿m3,而蒸发损失仅300万m3, 这个漏水量相当于海淀全区一年各种用水的总量,因此,自1997年开始对京密 引水渠进行了防渗技术改造。渠底所用防渗材料为04m的聚乙烯膜与400g/m2 无纺布复合土工材料,边坡用了0.3mm的PE膜,其它材料(如聚苯板、混凝土 花岗岩等)用来防冻和加固。京密引水渠防渗改造工程从一期实施,至今已有将 近10年的时间,显著提高了输水能力,减少了供水损失,在旱年份实现节水达 1亿m3,其他年份平均节水0.85亿m3。引水渠运行至今保证了正常的饮用水水 质,体现了良好的社会效益和环境效益。 位于圆明园西10公里处的北京植物园于2002年铺设复合土工膜对人工湖做 了防渗处理。铺膜防渗后,园内的水常年保持适合的水位,效果较好。从目前的 情况来看,湖内及周边生物生长正常,铺膜防渗并未对生态系统造成不利影响。 距离西安市区约10多公里的石砭峪水库,是上世纪70年代修建的饮水骨干 工程之一。七年后,虽然沉降变形已稳定,但蓄水渗漏现象严重。后来采用复合 土工膜防渗辅以混凝土护坡获得了成功,使蓄水深度成功达到3米,解决了西安 市内大部分居民用水问题。 1968年至1983年,法国有7座堆石坝用复合土工膜铺在堆石坝上游面防渗, 这些水库多数是为城镇生活用水建造。如:为城镇供水而造的南列斯( Neris) 由于应用了上述新材料,使得水库建设速度加快、造价降低,该项工程因此获得 南列斯市议会的嘉奖。 意大利在1975年至1993年采用土工膜对6座早期建成的已老化漏水的混凝 土坝进行防渗处理,将土工膜铺设在大坝上游面防渗,其中最高的一座是阿尔卑 及拉坝,坝高178米。这些坝经防渗处理后,运行情况良好 此外,还有更多实例。像支持整个悉尼奥运会自来水的波特山水库、摩洛哥 王室采纳土工膜防渗技术在位于斯克希赖特的御花园建造的观赏用湖、英国诺丁 汉的豪富敦华伦湖、加拿大温哥华水库、密执安州 Homestead resort湖、 Sylvan Resort湖等等都是成功应用土工膜防渗材料进行人工湖防渗的工程实例;中国长 江三峡工程围堰防渗、护坡工程、秦山核电站围堤工程、京杭大运河边坡反滤、 重庆市长江护岸工程、淮河治理、太湖治理等等也都利用了这一新型材料
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 67 京密引水渠是 1966 年建成的一条大型工农业输水渠道，1990 年以后开始全 年向城市供水。由于渗漏严重，年渗漏量达 1 亿 m 3，而蒸发损失仅 300 万 m 3， 这个漏水量相当于海淀全区一年各种用水的总量，因此，自 1997 年开始对京密 引水渠进行了防渗技术改造。渠底所用防渗材料为 0.4mm 的聚乙烯膜与 400g/m2 无纺布复合土工材料，边坡用了 0.3mm 的 PE 膜，其它材料（如聚苯板、混凝土、 花岗岩等）用来防冻和加固。京密引水渠防渗改造工程从一期实施，至今已有将 近 10 年的时间，显著提高了输水能力，减少了供水损失，在旱年份实现节水达 1 亿 m 3，其他年份平均节水 0.85 亿 m 3。引水渠运行至今保证了正常的饮用水水 质，体现了良好的社会效益和环境效益。 位于圆明园西 10 公里处的北京植物园于 2002 年铺设复合土工膜对人工湖做 了防渗处理。铺膜防渗后，园内的水常年保持适合的水位，效果较好。从目前的 情况来看，湖内及周边生物生长正常，铺膜防渗并未对生态系统造成不利影响。 距离西安市区约 10 多公里的石砭峪水库，是上世纪 70 年代修建的饮水骨干 工程之一。七年后，虽然沉降变形已稳定，但蓄水渗漏现象严重。后来采用复合 土工膜防渗辅以混凝土护坡获得了成功，使蓄水深度成功达到 3 米，解决了西安 市内大部分居民用水问题。 1968 年至 1983 年，法国有 7 座堆石坝用复合土工膜铺在堆石坝上游面防渗， 这些水库多数是为城镇生活用水建造。如：为城镇供水而造的南列斯（Neris） 由于应用了上述新材料，使得水库建设速度加快、造价降低，该项工程因此获得 南列斯市议会的嘉奖。 意大利在 1975 年至 1993 年采用土工膜对 6 座早期建成的已老化漏水的混凝 土坝进行防渗处理，将土工膜铺设在大坝上游面防渗，其中最高的一座是阿尔卑 及拉坝，坝高 178 米。这些坝经防渗处理后，运行情况良好。 此外，还有更多实例。像支持整个悉尼奥运会自来水的波特山水库、摩洛哥 王室采纳土工膜防渗技术在位于斯克希赖特的御花园建造的观赏用湖、英国诺丁 汉的豪富敦华伦湖、加拿大温哥华水库、密执安州 Homestead Resort 湖、Sylvan Resort 湖等等都是成功应用土工膜防渗材料进行人工湖防渗的工程实例；中国长 江三峡工程围堰防渗、护坡工程、秦山核电站围堤工程、京杭大运河边坡反滤、 重庆市长江护岸工程、淮河治理、太湖治理等等也都利用了这一新型材料
5防渗材料性能及其环境影响分析 54几种防渗材料的比较 在防渗要求不是非常高的条件下,粘土防渗是工程上使用最为普遍的方法。 在北京地区原始土壤压实后的渗透系数大致在10-3-10°cm/s。粘土防渗的特点 是:在当地具有合适资源时,易于施工,建设费用较低;可以保持一定的渗透水 量,从而有利于维持水质和原有的生态环境;此外,由于粘土具有一定的过滤能 力和离子交换容量,在一定条件下对污染物具有截污和净化能力。粘土防渗的主 要缺点是渗透系数较髙。虽然使用某些种类的粘土能够得到更低的渗透系数,但 这种性能的粘土并非随处可得,而长距离的运输会大大增加成本。 除上述提到的圆明园所采用的复合土工膜(属于高分子防渗材料)和天然粘 土之外,常用于防渗的还有膨润土、无机人工改性粘土等,表5-6列出了这几 种防渗材料的基本特点。 表5-6几种防渗材料的基本特点 防渗材渗透系数 优点 缺点 注 料名称(cm/s) 防渗能力相对较差,当地 不引入人工物质和化学污染物, 天然10 无资源时运输量大,取土*指国内 境影响小,易于维持原有生态。现 可能破坏耕地或造成水般情况 10°杨场具备适当资源时建设费用低。 土流失 1o°防渗能力强,用量小,易于运输刂对施工条件要求比较 润 不引入人工物质和化学污染物,环刻,失水易干裂,不适 10影响小,易于维持原有生态。|暴露条件 无机人107同可以根据防渗的要求来调整添加前期工作量大,施工条 改性~材料及其含量,以得到理想的防渗要求较高,耗能多,建 粘±10-0|能力和其他环境保护效果 费用高。 高分10 存在老化和降解问题,环包括土工聚 防渗材 防渗性能好,使用量小,易于运输小境友好性相对较差;对铺合粘土衬 设技术和条件要求较高。(GCLs)
5 防渗材料性能及其环境影响分析 68 5.4 几种防渗材料的比较 在防渗要求不是非常高的条件下，粘土防渗是工程上使用最为普遍的方法。 在北京地区原始土壤压实后的渗透系数大致在 10-5－10 -6 cm/s。粘土防渗的特点 是：在当地具有合适资源时，易于施工，建设费用较低；可以保持一定的渗透水 量，从而有利于维持水质和原有的生态环境；此外，由于粘土具有一定的过滤能 力和离子交换容量，在一定条件下对污染物具有截污和净化能力。粘土防渗的主 要缺点是渗透系数较高。虽然使用某些种类的粘土能够得到更低的渗透系数，但 这种性能的粘土并非随处可得，而长距离的运输会大大增加成本。 除上述提到的圆明园所采用的复合土工膜（属于高分子防渗材料）和天然粘 土之外，常用于防渗的还有膨润土、无机人工改性粘土等，表 5－6 列出了这几 种防渗材料的基本特点。 表 5－6 几种防渗材料的基本特点 防渗材 料名称 渗透系数 (cm/s) 优 点 缺 点 注 天然 粘土 10-4 ～ 10-6 * 不引入人工物质和化学污染物，环 境影响小，易于维持原有生态。现 场具备适当资源时建设费用低。 防渗能力相对较差，当地 无资源时运输量大，取土 可能破坏耕地或造成水 土流失。 * 指国内一 般情况 膨 润 土 10-9 ～ 10-10 防渗能力强，用量小，易于运输。 不引入人工物质和化学污染物，环 境影响小，易于维持原有生态。 对施工条件要求比较苛 刻，失水易干裂，不适于 暴露条件。 无机人 工改性 粘土 10-7 ～ 10-10 可以根据防渗的要求来调整添加 材料及其含量，以得到理想的防渗 能力和其他环境保护效果。 前期工作量大，施工条件 要求较高，耗能多，建设 费用高。 高分子 防渗材 料 10-11 ～ 10-13 防渗性能好，使用量小，易于运输。 存在老化和降解问题，环 境友好性相对较差；对铺 设技术和条件要求较高。 包括土工聚 合粘土衬层 （GCLs）
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 不同的防渗材料各有优缺点,应根据工程情况和实际条件,综合考虑多方面 的因素选择防渗材料,这些因素包括防渗能力,在当地取得天然材料的难易程度, 环境友好性,施工技术、设备与自然条件,以及建设费用等。 不同的工程应用需要不同的抗渗能力。例如,对于污水或废物处置场的防渗, 需要防渗能力强、渗透系数小的防渗材料,因为过大的渗透系数会导致污水渗漏 污染地下水。由于圆明园设置防渗层的目的在于保水,因此并不需要作过分严格 的防渗(详见地下水一章),可根据水量平衡确定防渗程度。在圆明园湖区,如 果其底部存在底泥和一定厚度的粘性土层,加以人工处理,仍可达到防渗目的。 55结论和建议 551结论 (1)圆明园防渗工程所用的防渗材料为聚乙烯土工膜与聚酯纤维构成的 复合土工膜,在湖底缺氧、蔽光、温度相对恒定以及无强酸强碱苛 刻环境的铺设条件下具有很高的稳定性,根据材料老化试验结果保 守估计其稳定寿命可达30~50年甚至更长; (2)圆明园防渗材料在稳定寿命内,由于降解或者溶岀而向环境释放物 质的量是可忽略的;即使高聚材料在正常的使用过程中会发生微量 的降解或者溶出,防渗材料向环境释放物质的速度、数量以及毒性 均不会对人体健康和环境造成危害,不会对饮用水水源构成威胁 (3)广泛应用于防渗水利工程的聚乙烯复合土工膜所使用的添加剂不具 有毒性,圆明园防渗材料中使用添加剂的用量低于食品包装材料要 求的用量上限,将其用于湖底防渗是安全的。 5.52建议 目前,人们对于髙密度聚乙烯防渗材料的应用尚未发现直接环境危害,但由 于该类材料在世界上作为大型工程防渗材料的历史较短,人们还无法完全根据现 实情况获知其长期应用的生态影响、降解产物的精确成份和数量,所以在进行环
圆明园东部湖底防渗工程环境影响报告书 69 不同的防渗材料各有优缺点，应根据工程情况和实际条件，综合考虑多方面 的因素选择防渗材料，这些因素包括防渗能力，在当地取得天然材料的难易程度， 环境友好性，施工技术、设备与自然条件，以及建设费用等。 不同的工程应用需要不同的抗渗能力。例如，对于污水或废物处置场的防渗， 需要防渗能力强、渗透系数小的防渗材料，因为过大的渗透系数会导致污水渗漏 污染地下水。由于圆明园设置防渗层的目的在于保水，因此并不需要作过分严格 的防渗（详见地下水一章），可根据水量平衡确定防渗程度。在圆明园湖区，如 果其底部存在底泥和一定厚度的粘性土层，加以人工处理，仍可达到防渗目的。 5.5 结论和建议 5.5.1 结论 （1） 圆明园防渗工程所用的防渗材料为聚乙烯土工膜与聚酯纤维构成的 复合土工膜，在湖底缺氧、蔽光、温度相对恒定以及无强酸强碱苛 刻环境的铺设条件下具有很高的稳定性，根据材料老化试验结果保 守估计其稳定寿命可达 30～50 年甚至更长； （2） 圆明园防渗材料在稳定寿命内，由于降解或者溶出而向环境释放物 质的量是可忽略的；即使高聚材料在正常的使用过程中会发生微量 的降解或者溶出，防渗材料向环境释放物质的速度、数量以及毒性 均不会对人体健康和环境造成危害，不会对饮用水水源构成威胁； （3） 广泛应用于防渗水利工程的聚乙烯复合土工膜所使用的添加剂不具 有毒性，圆明园防渗材料中使用添加剂的用量低于食品包装材料要 求的用量上限，将其用于湖底防渗是安全的。 5.5.2 建议 目前，人们对于高密度聚乙烯防渗材料的应用尚未发现直接环境危害，但由 于该类材料在世界上作为大型工程防渗材料的历史较短，人们还无法完全根据现 实情况获知其长期应用的生态影响、降解产物的精确成份和数量，所以在进行环
