高密度電法與鉆探法點(diǎn)面結(jié)合綜合探查場地填埋層空間分布特征

牛真茹，李飛飛，袁 霆，蔡運(yùn)勝，張有軍*，劉仕剛

(1. 天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300170；2. 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100089)

現(xiàn)階段地球物理探測技術(shù)作為一種無損探測手段在場地污染調(diào)查過程中發(fā)揮著越來越大的作用[1]。固體廢棄物填埋是處置工業(yè)有害廢物和居民生活垃圾的有效方式之一，其中常見的填埋場大部分露天，經(jīng)長期降雨淋濾與垂向入滲作用，垃圾滲濾液可能會對土壤包氣帶造成污染影響，受地下水徑流與污染運(yùn)移等作用，進(jìn)一步對地下水環(huán)境造成污染影響，因此精確探查固體廢棄物填埋的空間分布特征對污染場地治理修復(fù)與風(fēng)險防控具有實(shí)際意義。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者致力于地球物理探測技術(shù)在場地環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[2-5]，鑒于高密度電法對填埋層的探查不夠精準(zhǔn)[6]，僅在面上初步定性識別場地污染特征，定性精度相對較差，而鉆探探查填埋物時野外工作量大、成本高且耗時耗力等缺點(diǎn)對某些填埋場地調(diào)查并不適用，因此研究高密度電法無損探測與鉆探法重點(diǎn)勘查的綜合探查方法對獲取場地填埋物的空間分布特征具有指導(dǎo)意義。

本文以天津市某填埋場為研究對象，采用了以高密度電法為“面”的無損探測和以鉆探法為“點(diǎn)”的重點(diǎn)勘察，分析了物探反演解譯成果與鉆探勘察結(jié)果，同步借助Volxer軟件繪制了高密度電法反演形體渲染成果圖，利用GMS軟件構(gòu)建了三維填埋層實(shí)體可視化模型，研究了該填埋場場地填埋物的空間分布特征，并對比分析了兩種探查手段的應(yīng)用成果。

1 研究區(qū)概況

1.1 場地概況

項(xiàng)目位于天津市某填埋場，目前場地空置，整體較為平整，局部有少數(shù)土堆，場地環(huán)境現(xiàn)狀詳見圖1。根據(jù)歷年影像資料可知該填埋場的填埋歷史較長，填埋層分布范圍較大且填埋物種類繁多，主要包括各類生活垃圾及工程堆土、建筑裝飾廢料、混凝土殘塊等建筑垃圾。

圖1 場地環(huán)境現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of site environment

1.2 地層條件

依據(jù)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》(DB/T 29-191—2009)及水文地質(zhì)勘察結(jié)果，場地地層按成因類型和沉積年代可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)松散沉積層，按地層巖性及其理化性質(zhì)進(jìn)一步劃分為4個大層，分別是：第1大層即人工填土層，第2大層即全新統(tǒng)上組陸相沖積層，第3大層即全新統(tǒng)中組海相沉積層，第4大層即全新統(tǒng)下組陸相沖積層，地層特征詳見表1。

表1 場地地層劃分列表

結(jié)合滲透性對場地地層進(jìn)行概化，主要概化為6層(表1)，然后利用Horizon法構(gòu)建了Solid三維地層實(shí)體模型(圖2)，可知：各地層在整個場地內(nèi)基本分布連續(xù)，不同地層厚度不一，其中黏土④層在場地南側(cè)與西南側(cè)的分布缺失，詳見地層單元縱切剖面圖3。

圖2 場地地層單元的三維空間展布圖Fig.2 Three dimensional spatial distribution of stratigraphic units in the site

圖3 場地地層單元縱切剖面圖Fig.3 Longitudinal section of stratigraphic unit in the site

1.3 含水層特征

場地地表以下最大勘探深度范圍內(nèi)主要分布的淺層地下水類型為潛水，含水層整體賦存于粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，其水力特性呈現(xiàn)微承壓，其中場地南側(cè)填埋垃圾厚度較大，已埋藏至潛水含水層中，垃圾滲濾液與下部潛水水力聯(lián)系密切。據(jù)統(tǒng)計場地潛水含水層總厚度約為7.5～12.1 m，穩(wěn)定水位埋深為2.32～6.16 m。

1.4 探查手段可行性

鑒于該場地為人工擾動的填埋場，填埋物質(zhì)成分繁多且不穩(wěn)定，其電性主要表現(xiàn)為高阻特征，下部的原狀土穩(wěn)定層電性特征為低阻反映，即填埋層與穩(wěn)定的正常沉積層之間存在著顯著的電性差異，為開展高密度電法工作提供了良好的地球物理?xiàng)l件；此外，場地整體較為平整，便于開展鉆探勘察，即采用高密度電法為“面”與鉆探法為“點(diǎn)”的綜合探查方法對本填埋場適用。

綜上，結(jié)合電阻率差異的電性模型特點(diǎn)，借助高密度電法物理探查方法能夠查明填埋層與正常沉積層的界面，初步確定填埋層的分布情況；同時利用鉆探勘察方法，對物理探查結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定填埋層的空間展布范圍。

2 高密度電法以“面”無損探查

2.1 高密度電法定點(diǎn)測量

根據(jù)填埋場內(nèi)的具體情況，高密度電法物理探查工作布置采取由北到南、從西至東的編號順序，研究區(qū)共完成了10條剖面線的測量，各剖面線位置依據(jù)場地實(shí)際環(huán)境與工作條件等布設(shè)，長度分別為180、198、284和360 m不等，累計剖面線長度3.0 km，高密度電法剖面線布設(shè)詳見圖4。

圖4 高密度電法剖面線實(shí)際布置圖Fig.4 Aactual layout of high density electrical profile

高密度電法采用溫納裝置形式進(jìn)行測量，測量點(diǎn)距2 m，隔離系數(shù)為1～10，保證了足夠的探測深度和較高的分辨率。

2.2 高密度電法成果分析

根據(jù)圖5高密度電法測量反演解釋推斷可知，全區(qū)地電斷面特征基本一致，總體反映為近地表淺部為相對高阻層，表明了垃圾填埋層的垂向深度與水平展布情況，其中填埋層分界線詳見圖5。由此看出，垂向上相對高阻層多在2.1～11.0 m之間，最厚處可達(dá)14.0 m左右，初步推測是填埋層的反映，同時在不同剖面或相同剖面的不同區(qū)段，高阻異常場值及形態(tài)有較大變化，是由于填埋層的成分及埋藏厚度不等等情況造成的，呈現(xiàn)出填埋層極不均勻的狀態(tài)特征[8]。

圖5 高密度電法測量各剖面線反演解釋推斷圖Fig.5 Inversion, interpretation and inference of each profile line measured by high density electrical method

此外，在填埋層下方出現(xiàn)顯著的低阻層，相應(yīng)層位厚度較大，電阻率值一般在0.3～4.0 Ω·m之間，埋藏深度在地面以下3.0～15.0 m范圍，主要是由富含鹽堿水的淤泥質(zhì)黏土等引起；再往深部的電阻率值逐漸升高，場值多在3.0～10.0 Ω.m之間甚至更高，分析認(rèn)為是由于深部黏土層處于半凝結(jié)、凝結(jié)狀態(tài)，其內(nèi)部含水量變少，局部還有粉砂層的緣故所致，深部地層的界面相對平緩而且連續(xù)[9-10]。

根據(jù)各條剖面線上地表淺層電性異常的分布形態(tài)，用虛線對高阻異常進(jìn)行了圈定，對應(yīng)范圍即為推斷的填埋層。通過對各剖面線相交處推斷填埋層對比分析，得出各剖面推斷填埋層結(jié)果一致。從填埋層的反映結(jié)果得出場地各剖面線特征不盡相同，填埋層厚度不均一、成分種類繁雜，但總體分布比較連續(xù)。

借助Volxer軟件利用上述所有電阻率數(shù)據(jù)模擬了場地高密度電法反演解釋推斷形體渲染成果圖[11-12]，由此可以看出場地填埋層厚度自北向南逐漸增大，其中西南部填埋層厚度分布最大，詳見圖6。

圖6 高密度電法反演數(shù)據(jù)形體渲染成果圖Fig.6 Rendering results of high density electrical inversion data

3 鉆探法以“點(diǎn)”探查填埋層

研究區(qū)原為某廢棄物填埋場，依據(jù)高密度電阻率推斷斷面結(jié)果，同時結(jié)合鉆孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)(勘察孔布置詳見圖7)，初步確定雜填土層為填埋層，填埋物種類主要包括各類生活垃圾及工程堆土、建筑裝飾廢料、混凝土殘塊等建筑垃圾。

圖7 鉆探法勘察孔布置圖Fig.7 Layout of exploratory holes by drilling method

根據(jù)填埋層三維空間展布圖8可知，平面上填埋層分布均勻，布滿整個研究區(qū)；垂向上填埋層厚度不均，分別自北東向南西厚度逐漸增大；同時由填埋層厚度等值線分布特征(圖9)可知，鉆孔T13/T14以南的填埋厚度大于8 m，最厚處達(dá)13.5 m，而鉆孔T13/T14以北的填埋厚度較小，普遍為2～4 m，即填埋厚度以鉆孔T13/T14為界，南北兩部分厚度發(fā)生突變，這與填埋物堆存與回填歷史有關(guān)。

圖8 場地填埋層的三維空間展布圖Fig.8 Three dimensional spatial distribution of landfill layer in the site

圖9 場地填埋層厚度等值線分布特征圖Fig.9 Contour distribution characteristics of landfill thickness in the site

4 填埋層綜合探查

匯總場地高密度電法反演推斷成果與鉆探勘察驗(yàn)證結(jié)果，兩種手段整體上對填埋層空間分布的探查情況基本一致，分述如下：

(1)高密度電法剖面線A-A’、I-I’、G-G’、D-D’和E-E’分別穿過主要鉆孔T16、T18、T5、T10和T11，垂向上高密度電法反演的填埋層深度與揭露的填埋物厚度基本一致，其中鉆孔T18揭露填埋層(雜填土層)厚度為8.5 m，剖面線穿過鉆孔T18位置的填埋層厚度為9.3 m，鉆孔T11揭露填埋層(雜填土層)厚度為3.6 m，剖面線穿過鉆孔T11位置的填埋層厚度為4.8 m，詳見反演推斷圖5與典型鉆孔柱狀圖10。

(2)高密度電法剖面線J-J’、C-C’分別穿過主要鉆孔T23、T24，垂向上高密度電法反演的填埋層深度相對鉆孔揭露的填埋物厚度較大，其中鉆孔T23、T24揭露填埋層(雜填土層)厚度分別為8.0、9.5 m，剖面線穿過鉆孔T23、T24位置的填埋層厚度分別為13.8、15.6 m，推測可能受地層含水率及巖性等影響，同時表明高密度電法無損探查填埋物的空間展布具有一定受限性，詳見反演推斷圖5與典型鉆孔柱狀圖10。

圖10 場地典型鉆孔柱狀圖Fig.10 Site typical borehole histogram

(3)根據(jù)物探斷面推斷結(jié)果填埋層的平均厚度為6.80 m，場地內(nèi)鉆孔揭穿填埋層的累計厚度約為180.60 m，加權(quán)平均后，平均厚度約為6.65 m，兩者數(shù)據(jù)非常接近，再次證實(shí)了高密度電法無損探查成果的真實(shí)性與可靠性。

5 結(jié)論

1)高密度電法測量反演解釋推斷結(jié)果總體反映了近地表淺部為相對高阻層，厚度多在2.1～11.0 m之間，最厚處可達(dá)14.0 m左右，初步認(rèn)為是填埋層；同時在不同剖面或相同剖面的不同區(qū)段，高阻異常場值及形態(tài)有較大變化，這是由于填埋層的成分及埋藏厚度不等、成分種類繁雜等情況所造成，表現(xiàn)出填埋層極不均勻的狀態(tài)特征，但總體分布比較連續(xù)。

2)根據(jù)鉆探探查可知，平面上填埋層分布均勻，布滿整個研究區(qū)；垂向上垃圾填埋厚度不均，分別自北東向南西厚度增大。

3)對比高密度電法和鉆探探查垃圾填埋層的過程分析，綜合考慮實(shí)際場地情況，在高密度電法精確度分析的短板上增加鉆探實(shí)測，一方面可詳細(xì)且精確地查明場地地層與填埋層的空間展布特征，另一方面也減少了工作量并節(jié)省了成本，對于今后的場地土壤污染調(diào)查具有一定指導(dǎo)意義。