隔水防渗技术在重金属污染物场地勘查中的运用研究

闫鼎熠，眭华生，寸春发，余绍维

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院， 云南昆明 650051)

0 前言

近年来，重金属污染给环境造成的破坏越来越受到人们的关注。赋存在渣堆场里的重金属元素，在未得到有效治理时，很有可能造成严重的土壤重金属污染［1-2］，这些潜在的污染物一旦渗入土壤及地下水，便很难被土壤微生物降解，治理也非常困难，有可能将长期危害人类健康。目前国内外专家对重金属污染研究主要集中在小范围内的水域沉积物、湖泊底泥和表层土壤等方面［3-7］，而对废弃渣堆场深部土壤的污染深度研究甚少。某渣场堆积年代较长，由于历史原因，在堆存前未进行任何的隔水防渗处理，因此，查清该渣堆场对地下土壤的污染深度范围、污染严重程度具有较好实用价值和社会意义，而避免所取土样受上层水土的二次污染成为了本次研究的重点和难点。

1 地层岩性及水文地质条件

1.1 地层岩性

根据钻孔揭露情况，场地地层自上而下分别是:

(1)人工填土。厚1.5～5.2 m，由褐黄、灰褐色粘性土等组成，结构松散，稍湿，局部夹少量黑色矿渣碎块，透水性较强;

(2)冲洪积含砾粘土。厚7.1～28.1 m，黄褐色为主，局部底部灰褐色，硬塑～可塑状态，湿～稍湿，切面稍光滑，含有20% ～40%的玄武岩碎块。地下水位以上土层中，由于干湿交替作用，可见原生裂隙发育，且以竖向为主，造成土质疏松现象;

(3)坡残积粘土。厚7.0～21.2 m，红褐色，可塑～硬塑状态，湿，至纯，切面光滑，局部含有约5%的玄武岩碎块;

(4)玄武岩。厚36.0～51.9 m，全风化，岩石风化成土状，风化碎块被粘土所包裹，密实;

(5)灰岩。未揭穿，灰白色，块状结构，中厚层状构造，中等至微风化，节理裂隙较发育，岩芯呈中短柱状，局部较破碎，岩芯采取率约75%，RQD=60%。

1.2 水文地质条件

1.2.1 地下水类型

钻探揭露，渣场区含砾粘土层分布有孔隙水，而其他各地层均未发现地下水。孔隙地下水水位埋深4.25～19.90 m，属于潜水类型，另据区域资料分析，雨季时地下水位将上升1.00～3.00 m。场地处于盆地边缘，下伏二叠系下统栖霞茅口组灰岩，钻探过程中未揭露到岩溶水水位，渣堆场岩溶水埋深大于150.00 m。

1.2.2 地下水层分布

场地主要渗水层为第四系人工堆积层的矿渣和填土，主要含水层为第四系冲洪积层的含砾粘土，相对隔水层为第四系坡残积层的粘土及二叠系中统峨眉山组全风化玄武岩，而钻探揭露深度范围内的二叠系下统栖霞茅口组灰岩段属于不含水的透水地层。

1.2.3 地下水补给特征

场地孔隙水的补给源主要是大气降雨及地表径流，严格受地形地貌及岩性控制，大气降雨部分沿地表坡面径流成为地表水，部分沿土层的原生裂隙及孔隙渗入成为地下水，随着土层的原生裂隙发育程度变弱，地下水流动方向主要以水平运动为主，由北至南呈“扇形状”向盆地低洼地带排泄。

2 勘探工艺

2.1 工艺原理及特点

为查清渣堆场下伏土壤的受污染程度及深度范围，引进了压力灌浆与无缝钢管相结合的隔水防渗技术。利用无缝钢管及压力灌浆勘探工艺对孔壁外围形成止水壳，封闭孔壁以外的水土，使其在勘探取土过程中所取的样品不受上层水土的二次污染。

然而此类勘探工艺无先例经验可以借鉴，在隔水防渗压力灌浆中既要做到阻隔地下水的效果，又不能大范围的破坏岩土层原有的状态、结构和特性，所以面临着许多难题，比如压力灌浆的压力值确定、水灰比控制、隔水效果检测手段等。因此在整个勘探施工前，在场地选择一个钻孔作为试验孔，用以了解场地地层压力灌浆时合适的压力值、合适的水灰比，检测压力灌浆的隔水效果。

2.2 压力灌浆的压力值试验

图1 灌浆压力随时间变化

在试验孔内15 m处粘土层与含砾粘土层交界处，保持水灰比不变进行压力灌浆试验。预设0.1 MPa为灌浆时的初始压力值，经过不断调试，发现当压力调至0.7 MPa后1 min，压力值迅速降至0.1 MPa，推测土层已被破坏，无法再继续加压，60 min后停止试验(见图1)。试验结果表明0.7 MPa为土层破坏的临界值。分析压浆试验效果，发现灌浆压力为 0.5 MPa时效果最好，小于0.5 MPa时，水泥浆内的水分不易散失，导致水泥浆凝固时间较长，影响工期;大于0.5 MPa时，容易破坏土层;最终确定控制注浆压力范围值为0.6～0.4 MPa。

2.3 压力灌浆的水灰比控制

在试验孔内30 m处全风化玄武岩与粘土层交界处，保持灌浆压力不变，在水灰比1～0.5之间不断调整，根据压浆效果，当水灰比为0.7时凝固效果最好，大于这个比例时水泥浆过稀，不易凝固;小于这个比例时，水泥浆过浓，浆液不易扩散，管底封闭效果差;因此确定0.7为本地层压力灌浆的水灰比。

2.4 压力灌浆的防渗效果检验

为了了解压力灌浆的防渗效果，待水泥凝固后采用现场注水试验检验水泥底部的垂直渗透系数，对试验孔的10，20，30 m处进行了试验，结果见表1，根据水利水电工程地质勘察规范岩土体渗透性分级定为极微透水层，达到了隔水防渗效果。

表1 注水试验结果

2.5 工艺流程

勘探工艺流程为:施工准备→开孔钻透第一地层→下置无缝钢管→压力灌浆封闭→待水泥浆凝固→检验隔水效果→扫出孔内凝固的水泥浆→回转钻进并下薄壁取土器取土→钻透第二地层→下置无缝钢管→压力灌浆封闭→待水泥浆凝固→检验隔水效果→扫出孔内凝固的水泥浆→下薄壁取土器取土，重复上述工作直至钻孔完成。

工艺重点是要隔住上部的含砾粘土层的地下水及矿渣、填土内的污染物。

围绕渣堆在东、南、西三个方向布置了13个钻孔，深度控制在60～150 m，主要控制地层为灰岩以上的第四系土层及全风化玄武岩，目的是为了查明孔隙地下水径流方向的土壤污染程度及污染深度。以某孔为例将勘探过程分为3个步奏(见图2)。

图2 施工工艺流程

步奏一:钻穿2.1 m的人工填土，至2.7 m含砾粘土层上部，未发现地下水，下无缝钢管、压力灌浆;

步奏二:待水泥凝固后，扫除孔内水泥，钻至5.5 m发现地下水，继续钻进至15.3 m粘土层上部，对钻孔清洗后进行抽水试验，以获取含砾粘土层的渗透性参数，试验结束后，下无缝钢管，并压力灌浆，待水泥凝固后扫除孔内水泥浆体至12 m，在孔内进行注水试验，检验隔水效果;

步奏三:用水泵抽出注水试验时的水，然后清孔钻探，揭穿粘土、全风化玄武岩，未发现地下水，钻探至74.2 m灰岩表面时下无缝钢管、压力灌浆，待水泥凝固后，扫除孔内水泥再接着钻探灰岩。

以上3个步骤在操作过程中采用薄壁取土器、以静压连续贯入法采取土样，采取密度自上而下由密到疏。

3 工艺效果分析

运用隔水防渗技术，在钻孔中分层采取土样并及时送往相关的环境分析测试中心进行重金属元素含量分析，本次分析项目为铅(Pb)、锌(Zn)、铜(Cu)、镉(Cd)、砷(As)。

为了了解渣堆周边的土壤环境背景值，选取渣堆北侧偏西的山坡坡顶为取样点，该点距离渣堆约3.16 km，与渣堆高差约330 m，植被密集，受人类活动影响较小，受大渣堆场的影响小，取样点土层岩性和场地的土层岩性一致，具代表性。取样前，对表部1.0 m的松散土体进行了清除，然后采取土样1件。

分析结果表明渣堆场土壤中的铅(Pb)、铜(Cu)、砷(As)未超标，而锌(Zn)、镉(Cd)严重超标，属于外源污染。因此将某孔锌(Zn)、镉(Cd)的垂向浓度变化情况用图3、图4列出，以验证工艺效果。

图3 土壤中Zn的垂向浓度变化

由图3、图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围10 m以上;该孔地下水位为5.7 m，由图可知水位线附近，污染线呈锯齿状，波动较大，说明水是污染物的载体;该孔16 m以上为素填土和含砾粘土，是主要污染地层;总体而言，Zn、Cd元素含量自孔口至孔底呈递减趋势，且在某一深度越过环境背景值后没有反弹;重金属元素含量测试结果验证了工艺效果可行。

图4 土壤中Cd的垂向浓度变化

4 结论

通过对隔水防渗技术施工工艺的研究探讨，得到了一套比较完整的操作技术及施工经验;该工艺使孔壁外围形成止水壳，封闭了孔壁以外的水土，使其在钻孔取土过程中不受上层水土的二次污染;利用锌(Zn)、镉(Cd)的垂向浓度变化曲线验证了工艺效果可行。

本工艺为类似工程的勘探工艺和技术提供了实用的参考经验。工艺适用于渣场、渣库等地面以下的水、土污染范围勘查工程;钻探过程中的分层取水、取土，分段抽水试验等。

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