隔水防滲技術(shù)在重金屬污染物場地勘查中的運(yùn)用研究

閆鼎熠，眭華生，寸春發(fā)，余紹維

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院， 云南昆明 650051)

0 前言

近年來，重金屬污染給環(huán)境造成的破壞越來越受到人們的關(guān)注。賦存在渣堆場里的重金屬元素，在未得到有效治理時，很有可能造成嚴(yán)重的土壤重金屬污染［1-2］，這些潛在的污染物一旦滲入土壤及地下水，便很難被土壤微生物降解，治理也非常困難，有可能將長期危害人類健康。目前國內(nèi)外專家對重金屬污染研究主要集中在小范圍內(nèi)的水域沉積物、湖泊底泥和表層土壤等方面［3-7］，而對廢棄渣堆場深部土壤的污染深度研究甚少。某渣場堆積年代較長，由于歷史原因，在堆存前未進(jìn)行任何的隔水防滲處理，因此，查清該渣堆場對地下土壤的污染深度范圍、污染嚴(yán)重程度具有較好實(shí)用價值和社會意義，而避免所取土樣受上層水土的二次污染成為了本次研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 地層巖性及水文地質(zhì)條件

1.1 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露情況，場地地層自上而下分別是:

(1)人工填土。厚1.5～5.2 m，由褐黃、灰褐色粘性土等組成，結(jié)構(gòu)松散，稍濕，局部夾少量黑色礦渣碎塊，透水性較強(qiáng);

(2)沖洪積含礫粘土。厚7.1～28.1 m，黃褐色為主，局部底部灰褐色，硬塑～可塑狀態(tài)，濕～稍濕，切面稍光滑，含有20% ～40%的玄武巖碎塊。地下水位以上土層中，由于干濕交替作用，可見原生裂隙發(fā)育，且以豎向?yàn)橹?，造成土質(zhì)疏松現(xiàn)象;

(3)坡殘積粘土。厚7.0～21.2 m，紅褐色，可塑～硬塑狀態(tài)，濕，至純，切面光滑，局部含有約5%的玄武巖碎塊;

(4)玄武巖。厚36.0～51.9 m，全風(fēng)化，巖石風(fēng)化成土狀，風(fēng)化碎塊被粘土所包裹，密實(shí);

(5)灰?guī)r。未揭穿，灰白色，塊狀結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，中等至微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯呈中短柱狀，局部較破碎，巖芯采取率約75%，RQD=60%。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地下水類型

鉆探揭露，渣場區(qū)含礫粘土層分布有孔隙水，而其他各地層均未發(fā)現(xiàn)地下水。孔隙地下水水位埋深4.25～19.90 m，屬于潛水類型，另據(jù)區(qū)域資料分析，雨季時地下水位將上升1.00～3.00 m。場地處于盆地邊緣，下伏二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r，鉆探過程中未揭露到巖溶水水位，渣堆場巖溶水埋深大于150.00 m。

1.2.2 地下水層分布

場地主要滲水層為第四系人工堆積層的礦渣和填土，主要含水層為第四系沖洪積層的含礫粘土，相對隔水層為第四系坡殘積層的粘土及二疊系中統(tǒng)峨眉山組全風(fēng)化玄武巖，而鉆探揭露深度范圍內(nèi)的二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組灰?guī)r段屬于不含水的透水地層。

1.2.3 地下水補(bǔ)給特征

場地孔隙水的補(bǔ)給源主要是大氣降雨及地表徑流，嚴(yán)格受地形地貌及巖性控制，大氣降雨部分沿地表坡面徑流成為地表水，部分沿土層的原生裂隙及孔隙滲入成為地下水，隨著土層的原生裂隙發(fā)育程度變?nèi)酰叵滤鲃臃较蛑饕运竭\(yùn)動為主，由北至南呈“扇形狀”向盆地低洼地帶排泄。

2 勘探工藝

2.1 工藝原理及特點(diǎn)

為查清渣堆場下伏土壤的受污染程度及深度范圍，引進(jìn)了壓力灌漿與無縫鋼管相結(jié)合的隔水防滲技術(shù)。利用無縫鋼管及壓力灌漿勘探工藝對孔壁外圍形成止水殼，封閉孔壁以外的水土，使其在勘探取土過程中所取的樣品不受上層水土的二次污染。

然而此類勘探工藝無先例經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，在隔水防滲壓力灌漿中既要做到阻隔地下水的效果，又不能大范圍的破壞巖土層原有的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)和特性，所以面臨著許多難題，比如壓力灌漿的壓力值確定、水灰比控制、隔水效果檢測手段等。因此在整個勘探施工前，在場地選擇一個鉆孔作為試驗(yàn)孔，用以了解場地地層壓力灌漿時合適的壓力值、合適的水灰比，檢測壓力灌漿的隔水效果。

2.2 壓力灌漿的壓力值試驗(yàn)

圖1 灌漿壓力隨時間變化

在試驗(yàn)孔內(nèi)15 m處粘土層與含礫粘土層交界處，保持水灰比不變進(jìn)行壓力灌漿試驗(yàn)。預(yù)設(shè)0.1 MPa為灌漿時的初始壓力值，經(jīng)過不斷調(diào)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓力調(diào)至0.7 MPa后1 min，壓力值迅速降至0.1 MPa，推測土層已被破壞，無法再繼續(xù)加壓，60 min后停止試驗(yàn)(見圖1)。試驗(yàn)結(jié)果表明0.7 MPa為土層破壞的臨界值。分析壓漿試驗(yàn)效果，發(fā)現(xiàn)灌漿壓力為 0.5 MPa時效果最好，小于0.5 MPa時，水泥漿內(nèi)的水分不易散失，導(dǎo)致水泥漿凝固時間較長，影響工期;大于0.5 MPa時，容易破壞土層;最終確定控制注漿壓力范圍值為0.6～0.4 MPa。

2.3 壓力灌漿的水灰比控制

在試驗(yàn)孔內(nèi)30 m處全風(fēng)化玄武巖與粘土層交界處，保持灌漿壓力不變，在水灰比1～0.5之間不斷調(diào)整，根據(jù)壓漿效果，當(dāng)水灰比為0.7時凝固效果最好，大于這個比例時水泥漿過稀，不易凝固;小于這個比例時，水泥漿過濃，漿液不易擴(kuò)散，管底封閉效果差;因此確定0.7為本地層壓力灌漿的水灰比。

2.4 壓力灌漿的防滲效果檢驗(yàn)

為了了解壓力灌漿的防滲效果，待水泥凝固后采用現(xiàn)場注水試驗(yàn)檢驗(yàn)水泥底部的垂直滲透系數(shù)，對試驗(yàn)孔的10，20，30 m處進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見表1，根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范巖土體滲透性分級定為極微透水層，達(dá)到了隔水防滲效果。

表1 注水試驗(yàn)結(jié)果

2.5 工藝流程

勘探工藝流程為:施工準(zhǔn)備→開孔鉆透第一地層→下置無縫鋼管→壓力灌漿封閉→待水泥漿凝固→檢驗(yàn)隔水效果→掃出孔內(nèi)凝固的水泥漿→回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并下薄壁取土器取土→鉆透第二地層→下置無縫鋼管→壓力灌漿封閉→待水泥漿凝固→檢驗(yàn)隔水效果→掃出孔內(nèi)凝固的水泥漿→下薄壁取土器取土，重復(fù)上述工作直至鉆孔完成。

工藝重點(diǎn)是要隔住上部的含礫粘土層的地下水及礦渣、填土內(nèi)的污染物。

圍繞渣堆在東、南、西三個方向布置了13個鉆孔，深度控制在60～150 m，主要控制地層為灰?guī)r以上的第四系土層及全風(fēng)化玄武巖，目的是為了查明孔隙地下水徑流方向的土壤污染程度及污染深度。以某孔為例將勘探過程分為3個步奏(見圖2)。

圖2 施工工藝流程

步奏一:鉆穿2.1 m的人工填土，至2.7 m含礫粘土層上部，未發(fā)現(xiàn)地下水，下無縫鋼管、壓力灌漿;

步奏二:待水泥凝固后，掃除孔內(nèi)水泥，鉆至5.5 m發(fā)現(xiàn)地下水，繼續(xù)鉆進(jìn)至15.3 m粘土層上部，對鉆孔清洗后進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以獲取含礫粘土層的滲透性參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束后，下無縫鋼管，并壓力灌漿，待水泥凝固后掃除孔內(nèi)水泥漿體至12 m，在孔內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)，檢驗(yàn)隔水效果;

步奏三:用水泵抽出注水試驗(yàn)時的水，然后清孔鉆探，揭穿粘土、全風(fēng)化玄武巖，未發(fā)現(xiàn)地下水，鉆探至74.2 m灰?guī)r表面時下無縫鋼管、壓力灌漿，待水泥凝固后，掃除孔內(nèi)水泥再接著鉆探灰?guī)r。

以上3個步驟在操作過程中采用薄壁取土器、以靜壓連續(xù)貫入法采取土樣，采取密度自上而下由密到疏。

3 工藝效果分析

運(yùn)用隔水防滲技術(shù)，在鉆孔中分層采取土樣并及時送往相關(guān)的環(huán)境分析測試中心進(jìn)行重金屬元素含量分析，本次分析項(xiàng)目為鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎘(Cd)、砷(As)。

為了了解渣堆周邊的土壤環(huán)境背景值，選取渣堆北側(cè)偏西的山坡坡頂為取樣點(diǎn)，該點(diǎn)距離渣堆約3.16 km，與渣堆高差約330 m，植被密集，受人類活動影響較小，受大渣堆場的影響小，取樣點(diǎn)土層巖性和場地的土層巖性一致，具代表性。取樣前，對表部1.0 m的松散土體進(jìn)行了清除，然后采取土樣1件。

分析結(jié)果表明渣堆場土壤中的鉛(Pb)、銅(Cu)、砷(As)未超標(biāo)，而鋅(Zn)、鎘(Cd)嚴(yán)重超標(biāo)，屬于外源污染。因此將某孔鋅(Zn)、鎘(Cd)的垂向濃度變化情況用圖3、圖4列出，以驗(yàn)證工藝效果。

圖3 土壤中Zn的垂向濃度變化

由圖3、圖4可知，Zn元素污染集中在深度20 m以上，Cd元素污染集中在深度范圍10 m以上;該孔地下水位為5.7 m，由圖可知水位線附近，污染線呈鋸齒狀，波動較大，說明水是污染物的載體;該孔16 m以上為素填土和含礫粘土，是主要污染地層;總體而言，Zn、Cd元素含量自孔口至孔底呈遞減趨勢，且在某一深度越過環(huán)境背景值后沒有反彈;重金屬元素含量測試結(jié)果驗(yàn)證了工藝效果可行。

圖4 土壤中Cd的垂向濃度變化

4 結(jié)論

通過對隔水防滲技術(shù)施工工藝的研究探討，得到了一套比較完整的操作技術(shù)及施工經(jīng)驗(yàn);該工藝使孔壁外圍形成止水殼，封閉了孔壁以外的水土，使其在鉆孔取土過程中不受上層水土的二次污染;利用鋅(Zn)、鎘(Cd)的垂向濃度變化曲線驗(yàn)證了工藝效果可行。

本工藝為類似工程的勘探工藝和技術(shù)提供了實(shí)用的參考經(jīng)驗(yàn)。工藝適用于渣場、渣庫等地面以下的水、土污染范圍勘查工程;鉆探過程中的分層取水、取土，分段抽水試驗(yàn)等。

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