综合物探技术在垃圾填埋场渗漏探测中的应用研究

王旭明，马若龙，刘现锋，李志敬，胡文哲

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州450003)

1 引 言

随着我国城市化和工业化进程的加速，人们的物质生活日渐丰富，但同时也产生了大量的生活垃圾，相伴产生的垃圾填埋场数量也迅速增加。据统计，截至 2013年底，国内已有垃圾填埋场1 549座，其中约380座分布在河网较为密集地区[1]。填埋垃圾产生的渗滤液成分复杂，污染物和有毒物质含量极高，一旦发生渗滤液渗漏，会严重危害所在地区生活环境和人民的生命安全[2]。因此查明垃圾填埋场的渗漏问题，为污染评估和治理提供依据，其应用研究具有一定的现实意义。

地球物理勘探方法在填埋场渗漏通道探测中一直扮演着重要的角色，其中地震法、高密度电阻率法、常规电法、电磁法和井中 CT 等是渗漏探测常用的物探方法。由于填埋场现场环境的不同，以及渗漏程度的不同，致使常用的各种渗漏探测方法都有其多解性与局限性。地震折射法受制于下层介质波速大于上覆介质波速条件和边界效应的影响；面波法虽不受波阻抗差异的约束，但其探测深度仅为其波长的一半；高密度电阻率法受介质接地条件的影响较大，同时其探测深度受制于测线的长度；自然电场法易受测区内游散电流的干扰；充电法只能探测出渗漏通道的平面位置，深度信息较少；地质雷达法受电磁波衰减严重的限制，有效探测深度有限；瞬变电磁法探测分辨率较低且存在探测盲区，无法探测较浅和较小的渗漏异常；常用弹性波和电磁波CT是有损探测技术，需要多对钻孔，且必须满足渗漏通道通过钻孔之间的条件[3-9]。由此可见，任何物探方法均不能单独实现对渗漏通道较快速、较精确的探测。

为避免单一物探技术的局限性和多解性，准确查明垃圾填埋场渗漏通道的问题。本文以某垃圾填埋场垃圾挡坝渗漏通道的成功探测为例，在综合分析常用探测方法优缺点的基础上，综合采用高密度电阻率法、充电法和瞬态面波法等常用物探方法进行探测，不同方法互为补充、彼此验证、去伪存真，解决了单一物探成果的局限性和多解性难题，较为准确地查明了大坝渗漏通道的位置和缺陷特性，对垃圾填埋场相似渗漏问题的地球物理方法选取有一定的借鉴意义[10-14]。

2 工程概况

某填埋场位于丘陵地带自然形成的山洼中，总库容量180万m3，设计使用年限13年。垃圾挡坝依山势而建，纵断面为半月形，横断面为梯形，坝长约123 m，坝顶标高97.0 m，最大坝高17.5 m。大坝上、下游坡比均为1∶1.5，在下游坝坡93 m、89 m、85 m的高程处各设一马道，马道宽2 m。坝体采用堆土坝，材料为库区底部整理时清理出的浮土(主要由第四系黏性土及风化石英片岩组成)，坝基为石英岩。另外，上游坝坡表面高密度聚乙烯膜铺至坝顶，以增强坝体防渗。

2019年8月日常巡查时发现，该填埋场垃圾挡坝下游坝坡坡脚高程约80 m处出现一明显的渗漏点，其附近亦出现面积约为10 m2的散浸区，且渗漏量随着水位的降低而减小。由于渗沥液成分复杂且具有高污染性，为防止因渗漏造成大坝溃塌和出现重大环境污染事件，开展了垃圾处理场垃圾挡坝渗漏通道的现场探测工作。

图1 坝体横剖面Fig.1 Dam cross section

图2 坝体渗漏分布Fig.2 Dam leakage distribution

3 填埋场坝体渗漏综合物探技术及特点分析

3.1 填埋场坝体渗漏探测地球物理基础

填埋场中的垃圾主要由工业和生活垃圾组成，其产生的污染物在水中多以带电离子形式存在。当坝体存在渗漏通道时，垃圾渗沥液将由渗漏点进入渗漏通道并向填埋场的下游方向扩散。因含有带电离子的渗沥液是良导体，从而导致渗漏部位相对于周围介质而言电阻率较低；同时坝体渗漏通道一般是由工程隐蔽缺陷或不良地质体造成的，导致渗漏部位相对于周围正常介质而言波速较低。因此，当坝体中存在渗漏通道时，渗漏部位相对于周围正常介质存在明显的电性和波阻抗差异。这种介质间的物性差异为利用物探方法查明垃圾填埋场坝体渗漏通道的位置、规模和埋深等分布规律提供了必要的地球物理基础条件。

坝体常见介质的电阻率参数和横波波速参数分别见表1和表2[15,16]。

表1 坝体常见介质电阻率Table 1 Table of resistivity parameters of common media in dam body

表2 坝体常见介质横波波速Table 2 Table of shear wave velocity parameters of common media in dam body

3.2 填埋场坝体渗漏探测物探方法的选择

常用的物探方法中，地震类方法对介质的波阻抗差异比较敏感，电法和电磁法类的方法对介质的电性差异比较敏感。虽然各种物探方法在大坝渗漏通道探测中均有一定的效果，但是每种物探方法都有各自的局限性，任何一种物探方法均不能单独实现对渗漏通道较快速、精确的探测。因此，针对介质间不同的物性差异应采用对其更加敏感的地球物理方法进行探测，再通过综合分析、互相补充、相互验证，便可实现对大坝渗漏通道更加准确的探测效果。

因此，本文综合采用充电法、高密度电阻率法和瞬态面波勘探法对坝体渗漏问题进行探测研究，各种物探技术互相结合、互相验证、相互补充，并结合工程和地质资料进行综合分析。

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3.3 方法技术

3.3.1 充电法

充电法也属于常规直流电法，工作对象是导电性良好或较好的地质体。其在坝体已知渗漏点上接以供电电极的一个极(一般是正极A)作为充电点，另一电极(B)置于远离充电体足够远的地方(也称“无穷远供电电极”)地方，其电场影响可忽略不计。然后为AB两电极接上电源对渗漏通道(充电体)进行供电，形成稳定电流场(简称电场)，该电场的空间分布取决于导体的形状、大小、产状及埋深等因素[17]。

坝体存在渗漏时，充电后渗漏通道形成一线性导体，其电阻率一般比周围介质的电阻率要低得多，电流线主要沿渗漏通道方向分布。将不极化测量电极沿测线逐点移动，根据观测的电位数据和电位或电位梯度剖面曲线来分析判断渗漏通道的位置和规模。

3.3.2 高密度电阻率法

高密度电阻率法是以岩土体的导电性差异作为基础的一种电法勘探方法，其集电剖面法和电测深法于一体，一次布极可实现多种装置观测，从而获得更加丰富的地电信息[18]。

由于坝体都是分层填筑的，在填筑介质均匀且碾压密实的情况下，地下空间相当于一均质体，其视电阻率等值线呈水平层状分布；当坝体存在渗漏现象时，均质体遭到破坏，渗漏通道部位的电阻率要低于周围正常介质，致使视电阻率等值线将不再呈现分层分布的规律；根据所测视电阻率的大小及曲线形态，再综合考虑测区相关资料，推断出坝体渗漏通道的部位和埋深。

3.3.3 瞬态面波法

瞬态面波法属于浅层地球物理勘探方法，勘探费用较低，多采用安全、简便的锤击或落重等作为震源[4,6]。其实质上是根据面波传播的频散特性，通过仪器接收人工激发(锤击)的多种频率成分的面波，寻找出地下介质波速随频率的变化关系，以达到探测地下介质分布特征的目的。在均匀介质中无频散现象发生和在不均匀介质中才具频散特性是面波勘探的物理基础。

面波的波速与介质的密实度紧密相关，密实度越大，波速越高；密实度越小，波速越低。因此面波波速与坝体砂土填筑质量有较好的对应关系。当坝体存在渗漏通道时，坝体内正常介质和渗漏通道周围之间的密实度不同，导致两者之间存在明显的波阻抗差异，因此具备了采用瞬态面波法探测坝体隐患部位的地球物理前提条件。通过对面波信号的频谱分析和处理，计算并绘制频散曲线，并结合探测场地内的工程和地质资料，对频散曲线进行解释并提取各地层面波速度，对可能存在的渗漏通道等不良地质体进行分析和评价。

4 填埋场坝体渗漏现场试验分析

4.1 填埋场坝体渗漏综合物探技术方案

针对垃圾挡坝为堆土坝，坝顶长123 m，上游坝坡表面高密度聚乙烯膜铺至坝顶且大部分被渗沥液淹没，下游坝坡表面植被茂盛的探测条件，制定了本次的填埋场坝体渗漏综合物探技术方案为:

1)首先采用充电法对坝体进行快速探测，初步判断坝体渗漏通道的大致分布和走向。充电法布置两条测线，分别布置在垃圾挡坝下游坝坡的一、三级马道上，并沿测线依次进行梯度测量，MN间距为2 m，测点点距为2 m，充电点A位于渗漏点处，另一电极B置于无穷远处。仪器选用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-3高密度电法仪，电极为不极化电极。其中C1测线63个测点，C2测线39个测点。测线布置情况见图3，图中红线为充电法测线，蓝色三角为渗漏点。

图3 充电法测线布置Fig.3 Dam cross section

2)其次采用高密度电阻率法和瞬态面波法的综合物探手段，对疑似存在渗漏通道的位置做进一步探测。高密度电阻率法用以确定坝体内渗漏通道的位置、深度和影响范围，并对渗漏形成原因进行分析；瞬态面波法用以查明低速带的范围，确定岩土的波速和密实性，并对渗漏探测的结果进行验证分析。

高密度电阻率法共布置3条测线，分别布置在垃圾挡坝下游坝坡的三个马道上，装置方式为施伦倍格装置，电极距为2 m，仪器选用WGMD-3高密度电法仪，配套使用60个铜电极。其中G1测线布置在第一马道，G2测线布置在第二马道，G3测线布置在第三马道，测线长度均为120 m。测线布置情况见图4，图中绿线为高密度电阻率法测线，蓝色三角为渗漏点。

图4 高密度电阻率法测线布置Fig.4 Line layout of high density resistivity method

瞬态面波法共布置3条测线，测线分别布置在下游坝坡的三个马道上，道间距2 m，点距4 m，偏移距20 m，仪器选用北京地质仪器厂生产的WZG-6地震仪，配套使用6道检波器。其中M1测线布置在第一马道，共28个测点；M2测线布置在第二马道，共25个测点；M3测线布置在第三马道，共20个测点。测线布置情况见图5，图中浅红线为瞬态面波法测线，蓝色三角为渗漏点。为了保证信号的质量，落锤时确保短促有力，避免有回振，同时通过多次信号叠加，剔除杂波信号的干扰。

图5 瞬态面波法测线布置Fig.5 Layout of survey line by transient surface wave method

3)最后综合测区内同一测线不同物探方法和同一方法不同测线位置的成果进行对比分析，判断垃圾挡坝渗漏通道的位置、走向与埋深，再结合收集到的相关资料进行综合分析论证，提高探测结果的准确性和可靠性。

4.2 探测结果与分析

4.2.1 充电法探测结果分析

图6为位于一级马道的C1测线归一化电位梯度曲线，从图中可以看出，在桩号72 m位置归一化梯度曲线出现过零点，推测72 m位置下方为渗漏通道中心位置。图7为位于三级马道的C2测线归一化电位梯度曲线，从图中可以看出，在桩号73 m位置电位梯度值为零，推测73 m位置下方为渗漏通道中心位置。综合C1和C2测线的普查结果，初步判定坝体渗漏通道位于大坝桩号72～73 m处，通道走向大致和坝轴线方向垂直。

图6 C1测线归一化电位梯度曲线Fig.6 Normalized potential gradient curve of C1 measuring line

图7 C2测线归一化电位梯度曲线Fig.7 Normalized potential gradient curve of C2 measuring line

4.2.2 高密度电阻率法和瞬态面波法探测结果分析

1)高密度电阻率法探测结果分析

图8为位于一级马道G1测线高密度电阻率法成果图，由图8可以看出，在大坝桩号66～74 m、高程86～80 m范围内存在一低阻异常，电阻率约45～55 Ω·m，明显低于周围介质的电阻率，并且此异常的水平位置和此处充电法C1测线探测出的位置相吻合。

图8 G1测线高密度电阻率法成果Fig.8 Results of high density resistivity method of G1 survey line

图9为位于二级马道G2测线高密度电阻率法成果图，由图9可以看出，在大坝桩号65～75 m、高程83～76 m范围内存在一低阻异常，电阻率在40～55 Ω·m之间，明显低于周围介质的电阻率。

图9 G2测线高密度电阻率法成果Fig.9 Results of high density resistivity method of G2 survey line

图10为位于三级马道G3测线高密度电阻率法成果图，由图10可知，在大坝桩号66～90 m、高程82～76 m范围内存在一低阻异常，电阻率较小，低于45 Ω·m，明显低于周围介质的电阻率，且距离渗漏点较近，分析认为坝体内渗水经此处而外溢。并且此异常的水平位置和此处充电法C3测线探测出的结果相吻合。

图10 G3测线高密度电阻率法成果Fig.10 Results of high density resistivity method of G3 survey line

2)瞬态面波法探测结果分析

图11为瞬态面波法探测成果图，其中M1、M2、M3测线分别位于一、二、三级马道。从探测成果图上分析，对于M1测线，整体上坝体随着深度的增加，波速也在变高，相应的密实度也在变大，受探测深度的限制，探测范围内介质较均匀，未发现低速不良地质体的存在。对于M2测线，在坝体高程大于82 m范围内，介质平均波速小于250 m/s，与表2中的中软土的波速值相当；在82 m高程以下，介质平均波速大于250 m/s，为中硬土，但该层在桩号68～80 m范围内，波速相对较低，密实度也小于周围介质。对于M3测线，在坝体高程大于78 m范围内，介质平均波速小于250 m/s，为中软土；在78 m高程以下，介质平均波速大于250 m/s，相当于中硬土的波速值，但该层在桩号68～78 m范围内，波速和密实度低于周围介质。

图11 瞬态面波法探测成果图Fig.11 Transient surface wave detection results

3)综合高密度电阻率法和瞬态面波法探测结果可知，除M1测线受探测深度限制无法和G1相互验证外，瞬态面波法M2测线反映出的低速异常和高密度电阻率法G2测线上的低阻异常相吻合；M3测线反映出的低速异常和G3测线上的低阻异常相吻合。

4.2.3 小 结

结合充电法、高密度电阻率法和瞬态面波三种方法所探测的结果进行综合分析，并结合工程和地质资料得到如下结论：

1)在现有垃圾填埋场渗沥液水位(94 m)和地质条件下，推断在坝体桩号68～75 m范围内疑似存在1条渗漏通道，如图12所示，图中绿色虚线代表渗漏通道，蓝色三角代表渗漏点。

图12 渗漏通道位置Fig.12 Location map of leakage channel

2)结合垃圾填埋场垃圾挡坝的工程和地质资料可知，坝体渗漏通道的位置、埋深和走向与填埋场排污管的位置重合，可以推断渗漏通道为排污管渗漏所致。

5 结 论

1)本文采用充电法、高密度电阻率法和瞬态面波法的综合物探方法对垃圾填埋场垃圾挡坝的渗漏情况进行探测，查明了渗漏通道的位置、埋深和走向。充电法布极简单，可快速判断出坝体渗漏区域的水平分布和走向，但深度信息较少；高密度电法具有采样密度高、采集速度快等特点，可直观反映出坝体内渗漏通道的位置、深度和影响范围；瞬态面波法采样简便，可以查明坝体岩土的波速和密实性，并对充电法以及高密度电法的探测结果进行验证分析。

2)本文采用综合物探方法在垃圾填埋场垃圾挡坝渗漏通道探测方面取得了较好的效果，对垃圾填埋场相似渗漏问题的地球物理方法选取有一定的借鉴意义。

3)每种物探方法都有各自的局限性，针对介质间不同的物性差异采取相应的物探方法进行探测，多种物探互相结合、互相验证、相互补充，是提高探测效果的有效方法。