隔水防滲技術在重金屬污染物場地勘查中的運用研究

閆鼎熠，眭華生，寸春發，余紹維

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院， 云南昆明 650051)

0 前言

近年來，重金屬污染給環境造成的破壞越來越受到人們的關注。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。目前國內外專家對重金屬污染研究主要集中在小范圍內的水域沉積物、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、污染嚴重程度具有較好實用價值和社會意義，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和難點。

1 地層巖性及水文地質條件

1.1 地層巖性

根據鉆孔揭露情況，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，結構松散，稍濕，局部夾少量黑色礦渣碎塊，透水性較強;

(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，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，可見原生裂隙發育，且以豎向為主，造成土質疏松現象;

(3)坡殘積粘土。厚7.0～21.2 m，紅褐色，可塑～硬塑狀態，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，全風化，巖石風化成土狀，風化碎塊被粘土所包裹，密實;

(5)灰巖。未揭穿，灰白色，塊狀結構，中厚層狀構造，中等至微風化，節理裂隙較發育，巖芯呈中短柱狀，局部較破碎，巖芯采取率約75%，RQD=60%。

1.2 水文地質條件

1.2.1 地下水類型

鉆探揭露，渣場區含礫粘土層分布有孔隙水，而其他各地層均未發現地下水。孔隙地下水水位埋深4.25～19.90 m，屬于潛水類型，另據區域資料分析，雨季時地下水位將上升1.00～3.00 m。場地處于盆地邊緣，下伏二疊系下統棲霞茅口組灰巖，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峨眉山組全風化玄武巖，而鉆探揭露深度范圍內的二疊系下統棲霞茅口組灰巖段屬于不含水的透水地層。

1.2.3 地下水補給特征

場地孔隙水的補給源主要是大氣降雨及地表徑流，嚴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育程度變弱，地下水流動方向主要以水平運動為主，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

為查清渣堆場下伏土壤的受污染程度及深度范圍，引進了壓力灌漿與無縫鋼管相結合的隔水防滲技術。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驗可以借鑒，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、結構和特性，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

圖1 灌漿壓力隨時間變化

在試驗孔內15 m處粘土層與含礫粘土層交界處，保持水灰比不變進行壓力灌漿試驗。預設0.1 MPa為灌漿時的初始壓力值，經過不斷調試，發現當壓力調至0.7 MPa后1 min，壓力值迅速降至0.1 MPa，推測土層已被破壞，無法再繼續加壓，60 min后停止試驗(見圖1)。試驗結果表明0.7 MPa為土層破壞的臨界值。分析壓漿試驗效果，發現灌漿壓力為 0.5 MPa時效果最好，小于0.5 MPa時，水泥漿內的水分不易散失，導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

在試驗孔內30 m處全風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之間不斷調整，根據壓漿效果，當水灰比為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

為了了解壓力灌漿的防滲效果，待水泥凝固后采用現場注水試驗檢驗水泥底部的垂直滲透系數，對試驗孔的10，20，30 m處進行了試驗，結果見表1，根據水利水電工程地質勘察規范巖土體滲透性分級定為極微透水層，達到了隔水防滲效果。

表1 注水試驗結果

2.5 工藝流程

勘探工藝流程為:施工準備→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→檢驗隔水效果→掃出孔內凝固的水泥漿→回轉鉆進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→檢驗隔水效果→掃出孔內凝固的水泥漿→下薄壁取土器取土，重復上述工作直至鉆孔完成。

工藝重點是要隔住上部的含礫粘土層的地下水及礦渣、填土內的污染物。

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，主要控制地層為灰巖以上的第四系土層及全風化玄武巖，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，未發現地下水，下無縫鋼管、壓力灌漿;

步奏二:待水泥凝固后，掃除孔內水泥，鉆至5.5 m發現地下水，繼續鉆進至15.3 m粘土層上部，對鉆孔清洗后進行抽水試驗，以獲取含礫粘土層的滲透性參數，試驗結束后，下無縫鋼管，并壓力灌漿，待水泥凝固后掃除孔內水泥漿體至12 m，在孔內進行注水試驗，檢驗隔水效果;

步奏三:用水泵抽出注水試驗時的水，然后清孔鉆探，揭穿粘土、全風化玄武巖，未發現地下水，鉆探至74.2 m灰巖表面時下無縫鋼管、壓力灌漿，待水泥凝固后，掃除孔內水泥再接著鉆探灰巖。

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

3 工藝效果分析

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

為了了解渣堆周邊的土壤環境背景值，選取渣堆北側偏西的山坡坡頂為取樣點，該點距離渣堆約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的松散土體進行了清除，然后采取土樣1件。

分析結果表明渣堆場土壤中的鉛(Pb)、銅(Cu)、砷(As)未超標，而鋅(Zn)、鎘(Cd)嚴重超標，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境背景值后沒有反彈;重金屬元素含量測試結果驗證了工藝效果可行。

圖4 土壤中Cd的垂向濃度變化

4 結論

通過對隔水防滲技術施工工藝的研究探討，得到了一套比較完整的操作技術及施工經驗;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證了工藝效果可行。

本工藝為類似工程的勘探工藝和技術提供了實用的參考經驗。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，分段抽水試驗等。

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