綜合物探技術(shù)在垃圾填埋場滲漏探測中的應(yīng)用研究

王旭明，馬若龍，劉現(xiàn)鋒，李志敬，胡文哲

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州450003)

1 引 言

隨著我國城市化和工業(yè)化進程的加速，人們的物質(zhì)生活日漸豐富，但同時也產(chǎn)生了大量的生活垃圾，相伴產(chǎn)生的垃圾填埋場數(shù)量也迅速增加。據(jù)統(tǒng)計，截至 2013年底，國內(nèi)已有垃圾填埋場1 549座，其中約380座分布在河網(wǎng)較為密集地區(qū)[1]。填埋垃圾產(chǎn)生的滲濾液成分復雜，污染物和有毒物質(zhì)含量極高，一旦發(fā)生滲濾液滲漏，會嚴重危害所在地區(qū)生活環(huán)境和人民的生命安全[2]。因此查明垃圾填埋場的滲漏問題，為污染評估和治理提供依據(jù)，其應(yīng)用研究具有一定的現(xiàn)實意義。

地球物理勘探方法在填埋場滲漏通道探測中一直扮演著重要的角色，其中地震法、高密度電阻率法、常規(guī)電法、電磁法和井中 CT 等是滲漏探測常用的物探方法。由于填埋場現(xiàn)場環(huán)境的不同，以及滲漏程度的不同，致使常用的各種滲漏探測方法都有其多解性與局限性。地震折射法受制于下層介質(zhì)波速大于上覆介質(zhì)波速條件和邊界效應(yīng)的影響；面波法雖不受波阻抗差異的約束，但其探測深度僅為其波長的一半；高密度電阻率法受介質(zhì)接地條件的影響較大，同時其探測深度受制于測線的長度；自然電場法易受測區(qū)內(nèi)游散電流的干擾；充電法只能探測出滲漏通道的平面位置，深度信息較少；地質(zhì)雷達法受電磁波衰減嚴重的限制，有效探測深度有限；瞬變電磁法探測分辨率較低且存在探測盲區(qū)，無法探測較淺和較小的滲漏異常；常用彈性波和電磁波CT是有損探測技術(shù)，需要多對鉆孔，且必須滿足滲漏通道通過鉆孔之間的條件[3-9]。由此可見，任何物探方法均不能單獨實現(xiàn)對滲漏通道較快速、較精確的探測。

為避免單一物探技術(shù)的局限性和多解性，準確查明垃圾填埋場滲漏通道的問題。本文以某垃圾填埋場垃圾擋壩滲漏通道的成功探測為例，在綜合分析常用探測方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，綜合采用高密度電阻率法、充電法和瞬態(tài)面波法等常用物探方法進行探測，不同方法互為補充、彼此驗證、去偽存真，解決了單一物探成果的局限性和多解性難題，較為準確地查明了大壩滲漏通道的位置和缺陷特性，對垃圾填埋場相似滲漏問題的地球物理方法選取有一定的借鑒意義[10-14]。

2 工程概況

某填埋場位于丘陵地帶自然形成的山洼中，總庫容量180萬m3，設(shè)計使用年限13年。垃圾擋壩依山勢而建，縱斷面為半月形，橫斷面為梯形，壩長約123 m，壩頂標高97.0 m，最大壩高17.5 m。大壩上、下游坡比均為1∶1.5，在下游壩坡93 m、89 m、85 m的高程處各設(shè)一馬道，馬道寬2 m。壩體采用堆土壩，材料為庫區(qū)底部整理時清理出的浮土(主要由第四系黏性土及風化石英片巖組成)，壩基為石英巖。另外，上游壩坡表面高密度聚乙烯膜鋪至壩頂，以增強壩體防滲。

2019年8月日常巡查時發(fā)現(xiàn)，該填埋場垃圾擋壩下游壩坡坡腳高程約80 m處出現(xiàn)一明顯的滲漏點，其附近亦出現(xiàn)面積約為10 m2的散浸區(qū)，且滲漏量隨著水位的降低而減小。由于滲瀝液成分復雜且具有高污染性，為防止因滲漏造成大壩潰塌和出現(xiàn)重大環(huán)境污染事件，開展了垃圾處理場垃圾擋壩滲漏通道的現(xiàn)場探測工作。

圖1 壩體橫剖面Fig.1 Dam cross section

圖2 壩體滲漏分布Fig.2 Dam leakage distribution

3 填埋場壩體滲漏綜合物探技術(shù)及特點分析

3.1 填埋場壩體滲漏探測地球物理基礎(chǔ)

填埋場中的垃圾主要由工業(yè)和生活垃圾組成，其產(chǎn)生的污染物在水中多以帶電離子形式存在。當壩體存在滲漏通道時，垃圾滲瀝液將由滲漏點進入滲漏通道并向填埋場的下游方向擴散。因含有帶電離子的滲瀝液是良導體，從而導致滲漏部位相對于周圍介質(zhì)而言電阻率較低；同時壩體滲漏通道一般是由工程隱蔽缺陷或不良地質(zhì)體造成的，導致滲漏部位相對于周圍正常介質(zhì)而言波速較低。因此，當壩體中存在滲漏通道時，滲漏部位相對于周圍正常介質(zhì)存在明顯的電性和波阻抗差異。這種介質(zhì)間的物性差異為利用物探方法查明垃圾填埋場壩體滲漏通道的位置、規(guī)模和埋深等分布規(guī)律提供了必要的地球物理基礎(chǔ)條件。

壩體常見介質(zhì)的電阻率參數(shù)和橫波波速參數(shù)分別見表1和表2[15,16]。

表1 壩體常見介質(zhì)電阻率Table 1 Table of resistivity parameters of common media in dam body

表2 壩體常見介質(zhì)橫波波速Table 2 Table of shear wave velocity parameters of common media in dam body

3.2 填埋場壩體滲漏探測物探方法的選擇

常用的物探方法中，地震類方法對介質(zhì)的波阻抗差異比較敏感，電法和電磁法類的方法對介質(zhì)的電性差異比較敏感。雖然各種物探方法在大壩滲漏通道探測中均有一定的效果，但是每種物探方法都有各自的局限性，任何一種物探方法均不能單獨實現(xiàn)對滲漏通道較快速、精確的探測。因此，針對介質(zhì)間不同的物性差異應(yīng)采用對其更加敏感的地球物理方法進行探測，再通過綜合分析、互相補充、相互驗證，便可實現(xiàn)對大壩滲漏通道更加準確的探測效果。

因此，本文綜合采用充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波勘探法對壩體滲漏問題進行探測研究，各種物探技術(shù)互相結(jié)合、互相驗證、相互補充，并結(jié)合工程和地質(zhì)資料進行綜合分析。

2018年全國本科教育工作大會上，明確要求將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與思想政治教育、專業(yè)教育相結(jié)合，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育要融入高校人才培養(yǎng)的全過程。因此，政府和高校要構(gòu)建有效的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程質(zhì)量監(jiān)測與評價體系，以對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程的開展情況進行監(jiān)測、評價和反饋，從而提升高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程的實效性。

3.3 方法技術(shù)

3.3.1 充電法

充電法也屬于常規(guī)直流電法，工作對象是導電性良好或較好的地質(zhì)體。其在壩體已知滲漏點上接以供電電極的一個極(一般是正極A)作為充電點，另一電極(B)置于遠離充電體足夠遠的地方(也稱“無窮遠供電電極”)地方，其電場影響可忽略不計。然后為AB兩電極接上電源對滲漏通道(充電體)進行供電，形成穩(wěn)定電流場(簡稱電場)，該電場的空間分布取決于導體的形狀、大小、產(chǎn)狀及埋深等因素[17]。

壩體存在滲漏時，充電后滲漏通道形成一線性導體，其電阻率一般比周圍介質(zhì)的電阻率要低得多，電流線主要沿滲漏通道方向分布。將不極化測量電極沿測線逐點移動，根據(jù)觀測的電位數(shù)據(jù)和電位或電位梯度剖面曲線來分析判斷滲漏通道的位置和規(guī)模。

3.3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖土體的導電性差異作為基礎(chǔ)的一種電法勘探方法，其集電剖面法和電測深法于一體，一次布極可實現(xiàn)多種裝置觀測，從而獲得更加豐富的地電信息[18]。

由于壩體都是分層填筑的，在填筑介質(zhì)均勻且碾壓密實的情況下，地下空間相當于一均質(zhì)體，其視電阻率等值線呈水平層狀分布；當壩體存在滲漏現(xiàn)象時，均質(zhì)體遭到破壞，滲漏通道部位的電阻率要低于周圍正常介質(zhì)，致使視電阻率等值線將不再呈現(xiàn)分層分布的規(guī)律；根據(jù)所測視電阻率的大小及曲線形態(tài)，再綜合考慮測區(qū)相關(guān)資料，推斷出壩體滲漏通道的部位和埋深。

3.3.3 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法屬于淺層地球物理勘探方法，勘探費用較低，多采用安全、簡便的錘擊或落重等作為震源[4,6]。其實質(zhì)上是根據(jù)面波傳播的頻散特性，通過儀器接收人工激發(fā)(錘擊)的多種頻率成分的面波，尋找出地下介質(zhì)波速隨頻率的變化關(guān)系，以達到探測地下介質(zhì)分布特征的目的。在均勻介質(zhì)中無頻散現(xiàn)象發(fā)生和在不均勻介質(zhì)中才具頻散特性是面波勘探的物理基礎(chǔ)。

面波的波速與介質(zhì)的密實度緊密相關(guān)，密實度越大，波速越高；密實度越小，波速越低。因此面波波速與壩體砂土填筑質(zhì)量有較好的對應(yīng)關(guān)系。當壩體存在滲漏通道時，壩體內(nèi)正常介質(zhì)和滲漏通道周圍之間的密實度不同，導致兩者之間存在明顯的波阻抗差異，因此具備了采用瞬態(tài)面波法探測壩體隱患部位的地球物理前提條件。通過對面波信號的頻譜分析和處理，計算并繪制頻散曲線，并結(jié)合探測場地內(nèi)的工程和地質(zhì)資料，對頻散曲線進行解釋并提取各地層面波速度，對可能存在的滲漏通道等不良地質(zhì)體進行分析和評價。

4 填埋場壩體滲漏現(xiàn)場試驗分析

4.1 填埋場壩體滲漏綜合物探技術(shù)方案

針對垃圾擋壩為堆土壩，壩頂長123 m，上游壩坡表面高密度聚乙烯膜鋪至壩頂且大部分被滲瀝液淹沒，下游壩坡表面植被茂盛的探測條件，制定了本次的填埋場壩體滲漏綜合物探技術(shù)方案為:

1)首先采用充電法對壩體進行快速探測，初步判斷壩體滲漏通道的大致分布和走向。充電法布置兩條測線，分別布置在垃圾擋壩下游壩坡的一、三級馬道上，并沿測線依次進行梯度測量，MN間距為2 m，測點點距為2 m，充電點A位于滲漏點處，另一電極B置于無窮遠處。儀器選用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-3高密度電法儀，電極為不極化電極。其中C1測線63個測點，C2測線39個測點。測線布置情況見圖3，圖中紅線為充電法測線，藍色三角為滲漏點。

圖3 充電法測線布置Fig.3 Dam cross section

2)其次采用高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法的綜合物探手段，對疑似存在滲漏通道的位置做進一步探測。高密度電阻率法用以確定壩體內(nèi)滲漏通道的位置、深度和影響范圍，并對滲漏形成原因進行分析；瞬態(tài)面波法用以查明低速帶的范圍，確定巖土的波速和密實性，并對滲漏探測的結(jié)果進行驗證分析。

高密度電阻率法共布置3條測線，分別布置在垃圾擋壩下游壩坡的三個馬道上，裝置方式為施倫倍格裝置，電極距為2 m，儀器選用WGMD-3高密度電法儀，配套使用60個銅電極。其中G1測線布置在第一馬道，G2測線布置在第二馬道，G3測線布置在第三馬道，測線長度均為120 m。測線布置情況見圖4，圖中綠線為高密度電阻率法測線，藍色三角為滲漏點。

圖4 高密度電阻率法測線布置Fig.4 Line layout of high density resistivity method

瞬態(tài)面波法共布置3條測線，測線分別布置在下游壩坡的三個馬道上，道間距2 m，點距4 m，偏移距20 m，儀器選用北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WZG-6地震儀，配套使用6道檢波器。其中M1測線布置在第一馬道，共28個測點；M2測線布置在第二馬道，共25個測點；M3測線布置在第三馬道，共20個測點。測線布置情況見圖5，圖中淺紅線為瞬態(tài)面波法測線，藍色三角為滲漏點。為了保證信號的質(zhì)量，落錘時確保短促有力，避免有回振，同時通過多次信號疊加，剔除雜波信號的干擾。

圖5 瞬態(tài)面波法測線布置Fig.5 Layout of survey line by transient surface wave method

3)最后綜合測區(qū)內(nèi)同一測線不同物探方法和同一方法不同測線位置的成果進行對比分析，判斷垃圾擋壩滲漏通道的位置、走向與埋深，再結(jié)合收集到的相關(guān)資料進行綜合分析論證，提高探測結(jié)果的準確性和可靠性。

4.2 探測結(jié)果與分析

4.2.1 充電法探測結(jié)果分析

圖6為位于一級馬道的C1測線歸一化電位梯度曲線，從圖中可以看出，在樁號72 m位置歸一化梯度曲線出現(xiàn)過零點，推測72 m位置下方為滲漏通道中心位置。圖7為位于三級馬道的C2測線歸一化電位梯度曲線，從圖中可以看出，在樁號73 m位置電位梯度值為零，推測73 m位置下方為滲漏通道中心位置。綜合C1和C2測線的普查結(jié)果，初步判定壩體滲漏通道位于大壩樁號72～73 m處，通道走向大致和壩軸線方向垂直。

圖6 C1測線歸一化電位梯度曲線Fig.6 Normalized potential gradient curve of C1 measuring line

圖7 C2測線歸一化電位梯度曲線Fig.7 Normalized potential gradient curve of C2 measuring line

4.2.2 高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法探測結(jié)果分析

1)高密度電阻率法探測結(jié)果分析

圖8為位于一級馬道G1測線高密度電阻率法成果圖，由圖8可以看出，在大壩樁號66～74 m、高程86～80 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率約45～55 Ω·m，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率，并且此異常的水平位置和此處充電法C1測線探測出的位置相吻合。

圖8 G1測線高密度電阻率法成果Fig.8 Results of high density resistivity method of G1 survey line

圖9為位于二級馬道G2測線高密度電阻率法成果圖，由圖9可以看出，在大壩樁號65～75 m、高程83～76 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率在40～55 Ω·m之間，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率。

圖9 G2測線高密度電阻率法成果Fig.9 Results of high density resistivity method of G2 survey line

圖10為位于三級馬道G3測線高密度電阻率法成果圖，由圖10可知，在大壩樁號66～90 m、高程82～76 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率較小，低于45 Ω·m，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率，且距離滲漏點較近，分析認為壩體內(nèi)滲水經(jīng)此處而外溢。并且此異常的水平位置和此處充電法C3測線探測出的結(jié)果相吻合。

圖10 G3測線高密度電阻率法成果Fig.10 Results of high density resistivity method of G3 survey line

2)瞬態(tài)面波法探測結(jié)果分析

圖11為瞬態(tài)面波法探測成果圖，其中M1、M2、M3測線分別位于一、二、三級馬道。從探測成果圖上分析，對于M1測線，整體上壩體隨著深度的增加，波速也在變高，相應(yīng)的密實度也在變大，受探測深度的限制，探測范圍內(nèi)介質(zhì)較均勻，未發(fā)現(xiàn)低速不良地質(zhì)體的存在。對于M2測線，在壩體高程大于82 m范圍內(nèi)，介質(zhì)平均波速小于250 m/s，與表2中的中軟土的波速值相當；在82 m高程以下，介質(zhì)平均波速大于250 m/s，為中硬土，但該層在樁號68～80 m范圍內(nèi)，波速相對較低，密實度也小于周圍介質(zhì)。對于M3測線，在壩體高程大于78 m范圍內(nèi)，介質(zhì)平均波速小于250 m/s，為中軟土；在78 m高程以下，介質(zhì)平均波速大于250 m/s，相當于中硬土的波速值，但該層在樁號68～78 m范圍內(nèi)，波速和密實度低于周圍介質(zhì)。

圖11 瞬態(tài)面波法探測成果圖Fig.11 Transient surface wave detection results

3)綜合高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法探測結(jié)果可知，除M1測線受探測深度限制無法和G1相互驗證外，瞬態(tài)面波法M2測線反映出的低速異常和高密度電阻率法G2測線上的低阻異常相吻合；M3測線反映出的低速異常和G3測線上的低阻異常相吻合。

4.2.3 小 結(jié)

結(jié)合充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波三種方法所探測的結(jié)果進行綜合分析，并結(jié)合工程和地質(zhì)資料得到如下結(jié)論：

1)在現(xiàn)有垃圾填埋場滲瀝液水位(94 m)和地質(zhì)條件下，推斷在壩體樁號68～75 m范圍內(nèi)疑似存在1條滲漏通道，如圖12所示，圖中綠色虛線代表滲漏通道，藍色三角代表滲漏點。

圖12 滲漏通道位置Fig.12 Location map of leakage channel

2)結(jié)合垃圾填埋場垃圾擋壩的工程和地質(zhì)資料可知，壩體滲漏通道的位置、埋深和走向與填埋場排污管的位置重合，可以推斷滲漏通道為排污管滲漏所致。

5 結(jié) 論

1)本文采用充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法的綜合物探方法對垃圾填埋場垃圾擋壩的滲漏情況進行探測，查明了滲漏通道的位置、埋深和走向。充電法布極簡單，可快速判斷出壩體滲漏區(qū)域的水平分布和走向，但深度信息較少；高密度電法具有采樣密度高、采集速度快等特點，可直觀反映出壩體內(nèi)滲漏通道的位置、深度和影響范圍；瞬態(tài)面波法采樣簡便，可以查明壩體巖土的波速和密實性，并對充電法以及高密度電法的探測結(jié)果進行驗證分析。

2)本文采用綜合物探方法在垃圾填埋場垃圾擋壩滲漏通道探測方面取得了較好的效果，對垃圾填埋場相似滲漏問題的地球物理方法選取有一定的借鑒意義。

3)每種物探方法都有各自的局限性，針對介質(zhì)間不同的物性差異采取相應(yīng)的物探方法進行探測，多種物探互相結(jié)合、互相驗證、相互補充，是提高探測效果的有效方法。