隱伏堆填體三維精細化勘察

康紅軍

(1.江蘇省地質(zhì)局，江蘇 南京 210018； 2.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 210007)

為了節(jié)約成本、生態(tài)意識薄弱加上管理不嚴(yán)格，舊填埋場防滲措施簡易甚至沒有鋪設(shè)防滲層，導(dǎo)致隱伏堆填體產(chǎn)生的有毒、有害滲瀝液向填埋場周邊土地滲透,進而與河流發(fā)生水力聯(lián)系，導(dǎo)致土地、河流污染，產(chǎn)生了隱伏堆填體二次環(huán)境問題。為了消除隱伏堆填體的二次環(huán)境問題，需要對其進行生態(tài)環(huán)境治理，而進行生態(tài)環(huán)境治理的前提是獲得其深度、厚度、平面展布及與周邊地層接觸關(guān)系等基礎(chǔ)信息。但舊填埋場常利用洼地、坑塘等改建，然后在堆填體上覆土形成隱伏堆填體，上述基礎(chǔ)信息缺失甚至沒有，影響了隱伏堆填體生態(tài)環(huán)境治理的設(shè)計，更談不上實施。

獲得隱伏堆填體生態(tài)環(huán)境治理所需的基礎(chǔ)信息，通常采用勘察孔、路線穿越法相結(jié)合的工作方法，上述工作方法不僅工作效率低，而且只能獲得勘察孔一維、表面二維有關(guān)隱伏堆填體的基礎(chǔ)信息，不能得到其三維分布特征。為了保護土地、河流，作者依托北方某工業(yè)固體廢物治理項目工程勘察，基于高密度電法[1-2]，結(jié)合勘察孔[3]、路線穿越法，獲得了工業(yè)固體廢物隱伏堆填體的三維分布特征，從而為生態(tài)環(huán)境治理的設(shè)計提供了基礎(chǔ)信息，為實施提供了保障，也為類似隱伏堆填體的精細化勘察提供了方法、儀器、測網(wǎng)布置、數(shù)據(jù)采集及反演技術(shù)等參考。

1 工程概況

填埋場大致呈現(xiàn)梯形，東西長約513 m、南北長約666 m；北側(cè)瀕臨小清河，西側(cè)緊靠杏花河，東側(cè)為引黃供水干渠；地形較為平坦，地面標(biāo)高為11.72 m～15.35 m，東側(cè)略低(見圖1)。隱伏堆填體由爐渣、粉煤灰、脫硫石膏、鹽泥、白泥和廢水處理污泥等工業(yè)固體廢物組成。

環(huán)境部門檢查時發(fā)現(xiàn)，填埋場堆填大量工業(yè)固體廢物，表面沒有滿覆蓋，大部分堆填體底部無防滲措施，固體廢物產(chǎn)生的有毒、有害物質(zhì)存在向四周土地、河流滲透擴散的潛在風(fēng)險[4]，要求采取相應(yīng)措施以阻斷隱伏堆填體中有毒、有害物質(zhì)向周圍土地滲透、與河流、干渠的水力聯(lián)系，消除隱伏堆填體的二次環(huán)境問題。

2 三維精細化勘察

2.1 勘察孔、勘察線布置及勘察結(jié)果

為了消除隱伏堆填體的二次環(huán)境問題，需要給設(shè)計提供準(zhǔn)確的地層信息[5]，為此，沿填埋場邊界,按25 m間距布設(shè)了86個勘察孔，編號A1-A86(圖1中僅標(biāo)出了奇數(shù)勘察孔編號)；為了加強現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動防護，防止工業(yè)固體廢物與作業(yè)人員皮膚接觸,吸入有毒、有害氣體造成的傷害，在填埋場內(nèi)只布置了4條穿越勘察線，編號5-5，6-6，7-7，8-8，在穿越勘察線上布置了15個勘察孔，編號83，165，247，22，87，170，254，3，26，74，174，258，78，179，263，勘察孔間距90 m～156 m?？辈炜卓卓跇?biāo)高從場地南側(cè)控制點引測，該控制點85高程為13.71 m。經(jīng)過勘察，填埋場地層自上而下分為填土層、原狀土層兩層。

①填土層根據(jù)物理力學(xué)性質(zhì)的差異分為三個亞層:①-1,①-2,①-3。

①-1雜填土：碎磚、混凝土塊石、碎石等建筑垃圾、生活垃圾，層厚0.2 m～4.9 m，層底標(biāo)高3.1 m～14.90 m。①-2雜填土：堆填體，局部表面覆蓋粉質(zhì)黏土等素填土，結(jié)構(gòu)松散，局部夾混凝土塊石等，有較強烈刺激性氣味，層厚3.1 m～18.8 m，層底標(biāo)高-4.2 m～11.10 m。①-3素填土：灰黃色～灰褐色，粉質(zhì)黏土為主，夾貝殼、少量碎石，局部有堆填體，軟～軟可塑，堆填時間大于10 a,層厚0.9 m～8.6 m，層底標(biāo)高-5.50 m～2.70 m。②原狀土層分為七個亞層，從上到下依次為②-1粉質(zhì)黏土、②-2粉土、②-3粉質(zhì)黏土、②-4粉質(zhì)黏土、②-5粉質(zhì)黏土、②-5A粉土、②-6粉質(zhì)黏土。潛水賦存于①-1層、①-2層、①-3層及②-1層中；微承壓水主要賦存于②-2層、②-5A層中。①-1層、①-2層、①-3層及②-2層、②-5A層具有中等透水性；②-1層、②-3層、②-5層具有弱透水性；②-4層、②-6層具有微透水性。

通過勘察孔、勘察線獲得的填埋場地層上下分布特征、地下水發(fā)育情況和地層透水性能，為應(yīng)用高密度電法有了充分的理由。

2.2 高密度電法三維勘察

通過勘察孔、穿越勘察線只能獲得一維、二維隱伏堆填體的基礎(chǔ)信息。為了獲得其三維基礎(chǔ)信息，經(jīng)濟、有效的方法是工程物探方法，包括淺層地震法、地質(zhì)雷達法和高密度電法。淺層地震法勘察成本高、分辨率低，地質(zhì)雷達法對場地平整性要求高、勘察深度受地下水影響明顯，因此，淺層地震法和地質(zhì)雷達法不適合本項目。高密度電法具有輕便易行、效率高、成本低、不受場地平整性限制的優(yōu)點，可用已有勘察孔填土層、原狀土層信息精準(zhǔn)標(biāo)定層位、反演高密度電法現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)，提高三維勘察精度，故選擇高密度電法。

2.2.1 高密度電法勘察原理

高密度電法利用地下介質(zhì)的電性差異，通過研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律，實現(xiàn)解決巖土工程勘察問題的目的[6-9]?？辈鞎r，供電系統(tǒng)通過A，B供電電極向地下供電流I，利用接收電極M，N，測量電位差ΔV，從而求得M,N中點的視電阻率ρ=K·ΔV/I，其中，K為裝置系數(shù)(見圖2)，高密度電法本質(zhì)上是溫納四極裝置。

高密度電法人工一次性布極后，采用計算機自動控制，以任何四極的組合方式來采集數(shù)據(jù)，獲得多個M，N之間的電位差ΔV，大大提高了數(shù)據(jù)采集工效的同時，減少了數(shù)據(jù)采集時的人為、環(huán)境隨機干擾誤差，將所測得的數(shù)據(jù)利用勘察孔反演成為視電阻率剖面圖，直接用于隱伏堆填體、土層分布的分析和解釋。

根據(jù)勘察結(jié)果，填埋場上部①-1雜填土層為建筑垃圾、生活垃圾，整體表現(xiàn)為中高阻，中部①-2雜填土層即堆填體表現(xiàn)為低阻，下部①-3素填土層、原狀土層為中高電阻，填埋場地層的電性差異為視電阻率剖面圖的分析和解釋奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2 測線布置及儀器

間隔15 m布置測線，測線走向近SN向，共35條，總長度約17.5 km。圖1中僅畫出了L1測線、偶數(shù)測線和L35測線。其中，L16,L30與路線穿越法勘察線6-6,8-8一致。采用120道、點距1 m的測量參數(shù)。利用2套高密度電法設(shè)備流水作業(yè)，按1.2 km/d工作量計算，15 d完成數(shù)據(jù)采集。儀器選用WDJD-4型多功能數(shù)字直流激電儀，測量儀器為中海達雙頻GPS定位儀，地形測量采用RTK法。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及反演結(jié)果

數(shù)據(jù)處理流程：常規(guī)處理→特殊處理→三維反演與初始模型建立→三維成像。

常規(guī)處理采用瑞典高密度處理軟件Res2dinv軟件，通過去除異常點、設(shè)置阻尼系數(shù)、網(wǎng)格大小、正演模擬方法等參數(shù)的調(diào)試，并在最小二乘法反演中增加組合反演、加強反演等相關(guān)工作，得到二維成果剖面圖，為后期的成果解釋提供扎實的基礎(chǔ)。

特殊處理包括底界識別處理、異常場識別處理。底界識別處理是指地下同一套介質(zhì)，其電性在水平方向上可能有較大變化，但在垂直方向上，介質(zhì)電性的相對變化關(guān)系是不變的，應(yīng)用底界識別技術(shù)，來提取底界的深度信息；異常場識別處理是指地下各層介質(zhì)的電性變化不大，為了區(qū)分小的異常信息，通過殘差法，多次濾波方式，計算出區(qū)域場，在整個斷面中去除區(qū)域場，重點突出和放大異常信息。

在常規(guī)處理、特殊處理時，用已有勘察孔對剖面進行垂向標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上，利用①-1雜填土層、①-2雜填土層(堆填體)和①-3素填土層、原狀土層的電性差異，在橫向上對各地層物性層的延伸情況進行合理的外推，進而獲得各物性層在垂向和橫向上的空間展布特征(見圖3，圖4)。

三維反演與初始模型建立是通過法國Petrel三維成圖解釋系統(tǒng)，建立初始三維模型，為地質(zhì)解譯及三維成像提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三維成像是第二次利用勘察孔進行標(biāo)定，對初始三維模型進行地質(zhì)解譯，獲得填埋場物性層空間展布的三維模型成像(見圖5～圖7)，在三維模型成像基礎(chǔ)上，計算了主要物性層堆填體的體積。

由圖3～圖7可知：1)在剖面圖上，電性呈現(xiàn)出高-低-高的變化趨勢，對應(yīng)①-1,①-2堆填體、①-3+原狀土層，①-1高阻團塊明顯，①-2堆填體結(jié)構(gòu)松散，含水較多，低阻明顯；2)①-1分布不連續(xù)，厚度0 m～1.5 m之間；3)堆填體面積相對廣泛，但沒有被①-1滿覆蓋, 堆填體底面有一定起伏，底部平均埋深約為12 m；4)堆填體呈現(xiàn)西部厚、東部較薄的特征,西部平均厚度約13.5 m，最厚約為18 m，底部平均埋深約為14.5 m,東部較薄區(qū)域平均厚度約為10 m，底部平均埋深約為11 m,在西部存在埋深較深的坑洼地帶，底部埋深最深為20 m；5)堆填體下為①-3+原狀土層，分布較為穩(wěn)定。

根據(jù)堆填體頂、底界面埋深、展布情況及三維圖，利用微積分原理，計算了堆填體體積，計算公式如下：

dV=h·dx·dy

(1)

V=?h·dx·dy

(2)

計算時,由于數(shù)據(jù)是離散化的,因此,需要對體積計算公式進行近似,因此體積積分公式簡化為:

(3)

其中，Δx為橫向網(wǎng)格間距；Δy為縱向網(wǎng)格間距；hi為第i個點的深度值。

計算結(jié)果為:分布面積為311 283 m2,平均厚度為11.76 m,體積為3 648 980 m3。

3 生態(tài)環(huán)境治理措施

在隱伏堆填體三維精細勘察的基礎(chǔ)上，優(yōu)選原位阻隔方式以消除二次環(huán)境問題，遵循經(jīng)濟及技術(shù)可行的原則，以②-1粉質(zhì)黏土層作為相對隔水層，用三軸水泥土攪拌樁止水帷幕物理隔離法對填埋場進行隔離處理，止水帷幕進入②-1層粉質(zhì)黏土弱透水層不小于3 m，套打施工，消除搭接不好產(chǎn)生固體廢物中有毒、有害物質(zhì)向四周土地、河流滲透擴散的隱患，局部施工受限地區(qū)用高壓旋噴樁或壓密注漿處理[10-11]。

4 結(jié)語

1)高密度電法自動化、智能化程度高，一次性布極，可以同時對多個測點進行測深測量，野外數(shù)據(jù)信息采集量大，大大減少了數(shù)據(jù)采集時的人為誤差和環(huán)境隨機干擾誤差，是工程物探方法中對淺部地質(zhì)分層分辨率較高的有效方法。2)用高密度電法解決巖土工程勘察問題時，利用已有勘察孔信息進行反演，可極大提高勘察精度。3)工業(yè)固體廢物會分解釋放出有毒、有害氣體，傷害勘察人員的身體，因此，工業(yè)固體廢物填埋場勘察時的安全性是勘察的一個難點，為此可以利用高密度電法快速圈定工業(yè)固體廢物的層數(shù)、范圍及三維展布，加快勘察速度，減少勘察人員在填埋場的工作時間，消除有毒、有害氣體傷害勘察人員。4)勘察孔、路線穿越法結(jié)合高密度電法，適用于隱伏生活垃圾、不良地質(zhì)體等精細化勘察。5)采用物理隔離法對填埋場進行隔離處理，消除二次環(huán)境問題。