隐伏堆填体三维精细化勘察

康红军

(1.江苏省地质局，江苏 南京 210018； 2.江苏华东地质建设集团有限公司，江苏 南京 210007)

为了节约成本、生态意识薄弱加上管理不严格，旧填埋场防渗措施简易甚至没有铺设防渗层，导致隐伏堆填体产生的有毒、有害渗沥液向填埋场周边土地渗透,进而与河流发生水力联系，导致土地、河流污染，产生了隐伏堆填体二次环境问题。为了消除隐伏堆填体的二次环境问题，需要对其进行生态环境治理，而进行生态环境治理的前提是获得其深度、厚度、平面展布及与周边地层接触关系等基础信息。但旧填埋场常利用洼地、坑塘等改建，然后在堆填体上覆土形成隐伏堆填体，上述基础信息缺失甚至没有，影响了隐伏堆填体生态环境治理的设计，更谈不上实施。

获得隐伏堆填体生态环境治理所需的基础信息，通常采用勘察孔、路线穿越法相结合的工作方法，上述工作方法不仅工作效率低，而且只能获得勘察孔一维、表面二维有关隐伏堆填体的基础信息，不能得到其三维分布特征。为了保护土地、河流，作者依托北方某工业固体废物治理项目工程勘察，基于高密度电法[1-2]，结合勘察孔[3]、路线穿越法，获得了工业固体废物隐伏堆填体的三维分布特征，从而为生态环境治理的设计提供了基础信息，为实施提供了保障，也为类似隐伏堆填体的精细化勘察提供了方法、仪器、测网布置、数据采集及反演技术等参考。

1 工程概况

填埋场大致呈现梯形，东西长约513 m、南北长约666 m；北侧濒临小清河，西侧紧靠杏花河，东侧为引黄供水干渠；地形较为平坦，地面标高为11.72 m～15.35 m，东侧略低(见图1)。隐伏堆填体由炉渣、粉煤灰、脱硫石膏、盐泥、白泥和废水处理污泥等工业固体废物组成。

环境部门检查时发现，填埋场堆填大量工业固体废物，表面没有满覆盖，大部分堆填体底部无防渗措施，固体废物产生的有毒、有害物质存在向四周土地、河流渗透扩散的潜在风险[4]，要求采取相应措施以阻断隐伏堆填体中有毒、有害物质向周围土地渗透、与河流、干渠的水力联系，消除隐伏堆填体的二次环境问题。

2 三维精细化勘察

2.1 勘察孔、勘察线布置及勘察结果

为了消除隐伏堆填体的二次环境问题，需要给设计提供准确的地层信息[5]，为此，沿填埋场边界,按25 m间距布设了86个勘察孔，编号A1-A86(图1中仅标出了奇数勘察孔编号)；为了加强现场作业人员的劳动防护，防止工业固体废物与作业人员皮肤接触,吸入有毒、有害气体造成的伤害，在填埋场内只布置了4条穿越勘察线，编号5-5，6-6，7-7，8-8，在穿越勘察线上布置了15个勘察孔，编号83，165，247，22，87，170，254，3，26，74，174，258，78，179，263，勘察孔间距90 m～156 m。勘察孔孔口标高从场地南侧控制点引测，该控制点85高程为13.71 m。经过勘察，填埋场地层自上而下分为填土层、原状土层两层。

①填土层根据物理力学性质的差异分为三个亚层:①-1,①-2,①-3。

①-1杂填土：碎砖、混凝土块石、碎石等建筑垃圾、生活垃圾，层厚0.2 m～4.9 m，层底标高3.1 m～14.90 m。①-2杂填土：堆填体，局部表面覆盖粉质黏土等素填土，结构松散，局部夹混凝土块石等，有较强烈刺激性气味，层厚3.1 m～18.8 m，层底标高-4.2 m～11.10 m。①-3素填土：灰黄色～灰褐色，粉质黏土为主，夹贝壳、少量碎石，局部有堆填体，软～软可塑，堆填时间大于10 a,层厚0.9 m～8.6 m，层底标高-5.50 m～2.70 m。②原状土层分为七个亚层，从上到下依次为②-1粉质黏土、②-2粉土、②-3粉质黏土、②-4粉质黏土、②-5粉质黏土、②-5A粉土、②-6粉质黏土。潜水赋存于①-1层、①-2层、①-3层及②-1层中；微承压水主要赋存于②-2层、②-5A层中。①-1层、①-2层、①-3层及②-2层、②-5A层具有中等透水性；②-1层、②-3层、②-5层具有弱透水性；②-4层、②-6层具有微透水性。

通过勘察孔、勘察线获得的填埋场地层上下分布特征、地下水发育情况和地层透水性能，为应用高密度电法有了充分的理由。

2.2 高密度电法三维勘察

通过勘察孔、穿越勘察线只能获得一维、二维隐伏堆填体的基础信息。为了获得其三维基础信息，经济、有效的方法是工程物探方法，包括浅层地震法、地质雷达法和高密度电法。浅层地震法勘察成本高、分辨率低，地质雷达法对场地平整性要求高、勘察深度受地下水影响明显，因此，浅层地震法和地质雷达法不适合本项目。高密度电法具有轻便易行、效率高、成本低、不受场地平整性限制的优点，可用已有勘察孔填土层、原状土层信息精准标定层位、反演高密度电法现场勘察数据，提高三维勘察精度，故选择高密度电法。

2.2.1 高密度电法勘察原理

高密度电法利用地下介质的电性差异，通过研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律，实现解决岩土工程勘察问题的目的[6-9]。勘察时，供电系统通过A，B供电电极向地下供电流I，利用接收电极M，N，测量电位差ΔV，从而求得M,N中点的视电阻率ρ=K·ΔV/I，其中，K为装置系数(见图2)，高密度电法本质上是温纳四极装置。

高密度电法人工一次性布极后，采用计算机自动控制，以任何四极的组合方式来采集数据，获得多个M，N之间的电位差ΔV，大大提高了数据采集工效的同时，减少了数据采集时的人为、环境随机干扰误差，将所测得的数据利用勘察孔反演成为视电阻率剖面图，直接用于隐伏堆填体、土层分布的分析和解释。

根据勘察结果，填埋场上部①-1杂填土层为建筑垃圾、生活垃圾，整体表现为中高阻，中部①-2杂填土层即堆填体表现为低阻，下部①-3素填土层、原状土层为中高电阻，填埋场地层的电性差异为视电阻率剖面图的分析和解释奠定了基础。

2.2.2 测线布置及仪器

间隔15 m布置测线，测线走向近SN向，共35条，总长度约17.5 km。图1中仅画出了L1测线、偶数测线和L35测线。其中，L16,L30与路线穿越法勘察线6-6,8-8一致。采用120道、点距1 m的测量参数。利用2套高密度电法设备流水作业，按1.2 km/d工作量计算，15 d完成数据采集。仪器选用WDJD-4型多功能数字直流激电仪，测量仪器为中海达双频GPS定位仪，地形测量采用RTK法。

2.2.3 数据处理及反演结果

数据处理流程：常规处理→特殊处理→三维反演与初始模型建立→三维成像。

常规处理采用瑞典高密度处理软件Res2dinv软件，通过去除异常点、设置阻尼系数、网格大小、正演模拟方法等参数的调试，并在最小二乘法反演中增加组合反演、加强反演等相关工作，得到二维成果剖面图，为后期的成果解释提供扎实的基础。

特殊处理包括底界识别处理、异常场识别处理。底界识别处理是指地下同一套介质，其电性在水平方向上可能有较大变化，但在垂直方向上，介质电性的相对变化关系是不变的，应用底界识别技术，来提取底界的深度信息；异常场识别处理是指地下各层介质的电性变化不大，为了区分小的异常信息，通过残差法，多次滤波方式，计算出区域场，在整个断面中去除区域场，重点突出和放大异常信息。

在常规处理、特殊处理时，用已有勘察孔对剖面进行垂向标定，在此基础上，利用①-1杂填土层、①-2杂填土层(堆填体)和①-3素填土层、原状土层的电性差异，在横向上对各地层物性层的延伸情况进行合理的外推，进而获得各物性层在垂向和横向上的空间展布特征(见图3，图4)。

三维反演与初始模型建立是通过法国Petrel三维成图解释系统，建立初始三维模型，为地质解译及三维成像提供数据基础。

三维成像是第二次利用勘察孔进行标定，对初始三维模型进行地质解译，获得填埋场物性层空间展布的三维模型成像(见图5～图7)，在三维模型成像基础上，计算了主要物性层堆填体的体积。

由图3～图7可知：1)在剖面图上，电性呈现出高-低-高的变化趋势，对应①-1,①-2堆填体、①-3+原状土层，①-1高阻团块明显，①-2堆填体结构松散，含水较多，低阻明显；2)①-1分布不连续，厚度0 m～1.5 m之间；3)堆填体面积相对广泛，但没有被①-1满覆盖, 堆填体底面有一定起伏，底部平均埋深约为12 m；4)堆填体呈现西部厚、东部较薄的特征,西部平均厚度约13.5 m，最厚约为18 m，底部平均埋深约为14.5 m,东部较薄区域平均厚度约为10 m，底部平均埋深约为11 m,在西部存在埋深较深的坑洼地带，底部埋深最深为20 m；5)堆填体下为①-3+原状土层，分布较为稳定。

根据堆填体顶、底界面埋深、展布情况及三维图，利用微积分原理，计算了堆填体体积，计算公式如下：

dV=h·dx·dy

(1)

V=∬h·dx·dy

(2)

计算时,由于数据是离散化的,因此,需要对体积计算公式进行近似,因此体积积分公式简化为:

(3)

其中，Δx为横向网格间距；Δy为纵向网格间距；hi为第i个点的深度值。

计算结果为:分布面积为311 283 m2,平均厚度为11.76 m,体积为3 648 980 m3。

3 生态环境治理措施

在隐伏堆填体三维精细勘察的基础上，优选原位阻隔方式以消除二次环境问题，遵循经济及技术可行的原则，以②-1粉质黏土层作为相对隔水层，用三轴水泥土搅拌桩止水帷幕物理隔离法对填埋场进行隔离处理，止水帷幕进入②-1层粉质黏土弱透水层不小于3 m，套打施工，消除搭接不好产生固体废物中有毒、有害物质向四周土地、河流渗透扩散的隐患，局部施工受限地区用高压旋喷桩或压密注浆处理[10-11]。

4 结语

1)高密度电法自动化、智能化程度高，一次性布极，可以同时对多个测点进行测深测量，野外数据信息采集量大，大大减少了数据采集时的人为误差和环境随机干扰误差，是工程物探方法中对浅部地质分层分辨率较高的有效方法。2)用高密度电法解决岩土工程勘察问题时，利用已有勘察孔信息进行反演，可极大提高勘察精度。3)工业固体废物会分解释放出有毒、有害气体，伤害勘察人员的身体，因此，工业固体废物填埋场勘察时的安全性是勘察的一个难点，为此可以利用高密度电法快速圈定工业固体废物的层数、范围及三维展布，加快勘察速度，减少勘察人员在填埋场的工作时间，消除有毒、有害气体伤害勘察人员。4)勘察孔、路线穿越法结合高密度电法，适用于隐伏生活垃圾、不良地质体等精细化勘察。5)采用物理隔离法对填埋场进行隔离处理，消除二次环境问题。