组合式垂直防渗在危废填埋场治理中的应用

孙高月，施灿海，黄乔云，刘明生

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

某危险废物填埋场因建设时间较早、环保设施不完善、环境监管不到位，致使渗滤液下渗对地下水造成污染，属历史遗留废渣堆存问题导致的周边生态环境污染。

由于危废填埋场产生的渗滤液中含有大量有害物质，对周围环境产生威胁，而对危废填埋场采用异位集中处置的方式对周边环境、地形地质条件、选址、投资方面要求较高，易造成二次污染。该次危废填埋场环保治理工程选用了原位风险管控的方式，利用场区分布的微透水层，对填埋场采取有效的垂直防渗，阻断渗滤液向外渗漏的通道，对周边环境扰动小，投资低。

目前，常用的垂直防渗有各自的适用条件及优缺点。对于填埋场垂直防渗结构形式的选择应根据场地地形地质条件、周边环境条件以及渗滤液污染因子等因素综合考虑。填埋场渗滤液对周边环境影响大，其垂直防渗与水利工程等其他工程垂直防渗作用不同，前者环保的要求高，需要达到的防渗性能强。传统垂直防渗普遍采用钻孔充填式的帷幕灌浆，但存在局限性，尤其是对于周边环境复杂、表层为第四系覆盖层的场地极易存在灌浆量不可控、防渗效果不理想的现象。而高压旋喷灌浆技术主要适用于黏土层、细砂层、粉细砂层、砾卵石层等地层内，具有抗渗性能良好、适应变形能力强、适用范围广等特点，可有效提升垂直防渗性能。高压旋喷灌浆作为防渗设施已广泛应用于桥涵工程、水利工程等防渗加固工程中，起到了较好的防渗效果。

场区地层分为上部第四系人工填土层、冲洪积层，下部基岩层。该次组合式垂直防渗技术考虑在上部第四系覆盖层中设置高压旋喷灌浆，下部基岩层中设置帷幕灌浆的方式，该项技术对实现原位风险管控，改善生态环境，阻止污染扩撒具有重要意义，其搭接工艺是确保填埋场环保治理效果的主要难点问题之一。

该组合式垂直防渗技术可适用于场地防渗性能要求高、微透水层较深、周边环境及地形地质条件复杂的填埋场原位风险管控项目。

1 工程水文地质概况

场地分布地层情况：第四系人工堆积层(Qml)、第四系坡洪积(Qdl+pl)层、下伏基岩为下第三系下统(E1y)强风化巨砾岩、砂砾岩夹泥岩以及三叠系上统三合洞组上段(T3s2)黑色板岩。

其中第四系坡洪积(Qdl+pl)粉质黏土：褐红、褐黄色，稍湿-湿，含10 %～30 %砾石、碎石，摇振稍有反应，干强度及韧性中等，层厚3.60～28.70 m，属弱透水层。下伏基岩强风化泥岩与强风化砂砾岩、巨砾岩互层，岩体风化强烈，节理裂隙极发育，属中等透水层。强风化板岩节理裂隙极发育，岩芯破碎呈碎块状-块状，属极软岩，属中等透水层。中风化板岩属较硬岩，岩体较完整，属极微透水，该层埋深较深，平均深度约70 m，为可作为相对隔水层。

依据地下水赋存条件，地下水类型为上层滞水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水3种类型。碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于下第三系下统云龙组(E1y)砂砾岩、巨砾岩层以及局部风化裂隙发育强烈的三合洞组强风化板岩中，填埋场内的渗滤液下渗补给地下水后主要沿该层地下水向下游径流产生污染，因此，该层地下水的处理为后期污染治理的重点。

2 垂直防渗设计

2.1 垂直防渗轴线布置

根据场地工程地质与水文地质条件及渗滤液污染迁移途径，结合场地内不渗水层或弱透水层分布情况，在填埋场渗滤液渗漏通道设置了垂直防渗，即在填埋场初期坝下游坝脚沿线布置垂直防渗。其轴线距离拦渣坝坝脚直线12 m，防渗顶界为原地面线，底界进入相对隔水层(中风化板岩)内3 m，以达到将填埋场渗滤液控制于填埋场之内的目的。垂直防渗平面布置见图1。

图1 垂直防渗平面布置图Fig.1 Vertical Anti-seepage Layout Plan

2.2 垂直防渗方式

场区周边环境复杂，对垂直防渗的防渗要求高，需达到<1 Lu或10-6cm/s。场区地层表层为第四系人工堆积层(Qml)、第四系坡洪积(Qdl+pl)层，层厚为5.0～14.6 m；下部基岩层为强风化泥岩、砂砾岩、巨砾岩及中风化板岩，基岩层最深为91 m。结合场地条件、环保防渗要求，该次采用了“上部高压旋喷灌浆+下部帷幕灌浆”组合的垂直防渗形式，其主要的布置方式如下：

2.2.1 上部高压旋喷灌浆

上部高压旋喷灌浆设置于第四系人工堆积层(Qml)、第四系坡洪积(Qdl+pl)层内，其灌浆底界深入强风化砂砾岩、强风化泥岩、强风化巨砾岩内1.5 m。采用单排三管法，三管分别输送水、气、水泥浆，采用高压水来切割地层，形成较大的空隙，再送水泥浆和压缩空气，最终形成较大的凝结体。

高压旋喷灌浆分两序施工，全孔自下而上连续作业。按逐渐加密方法钻灌，最终孔距为0.5 m，孔径≥0.7 m，灌浆孔孔深为6.5～16.1 m。灌浆材料采用P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥。灌浆处理后渗透系数达到10-6cm/s。

1)施工工艺

高压旋喷灌浆孔布置见图2，施工参数为：

图2 高压旋喷灌浆孔布置简图(单位：mm)Fig.2 Layout Sketch of High-pressure Jet Grouting Holes(in mm)

(1)水压力：38～45 MPa，流量：75 L/min，喷嘴直径：1.7～1.9 mm；

(2)气压力：0.5～0.7 MPa，流量：2～3 m3/min；

(3)水泥浆压力：0.2～0.4 MPa，流量：60～80 L/min；

(4)水灰比：1：1.0～0.8：1，密度1.5～1.7 g/cm3；

(5)提升速度：5～6 cm/min。

2)主要施工要求

(1)高压旋喷灌浆开孔孔位应确保偏差值<5 cm。钻孔应保持平整垂直。

(2)当喷头下至设计深度，应先按规定参数进行原位喷射，开始时先送高压水，再送水泥浆和压缩空气。之后原地静喷1～3 min，待浆液返出孔口、情况正常后方可开始提升喷射。风、水、浆均应连续输送，确保管路系统的畅通和密封。

(3)高压旋喷灌浆应分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔两序进行施工。

(4)提升速度要根据地层和返浆情况做及时调整，在地层交界处停止提升，静喷5～10 min并增大供浆量。

2.2.2 下部帷幕灌浆

帷幕灌浆采用两排三序孔，自上而下分段灌浆、分段阻塞，孔内循环灌浆法。按逐渐加密方法钻灌，最终孔距2.0 m，排距1.0 m，钻孔按照梅花形布置，按三序孔施工。灌浆最大深度约为94.0 m。灌浆材料采用P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥，帷幕灌浆底界进入中风化板岩层内3.0 m。灌浆处理后防渗标准<1 Lu。帷幕灌浆孔布置见图3。

图3 帷幕灌浆孔布置简图(单位：mm)Fig.3 Layout Sketch of Curtain Grouting Holes(in mm)

施工工艺：

帷幕灌浆由两排孔组成，应先灌下游排孔、再灌上游排孔。帷幕灌浆浆液水灰比使用3：1、2：1、1：1、0.8：1、0.5：1五个比级，灌浆浆液由稀到浓逐级变化。注浆孔压力0.4～1.0 MPa。帷幕灌浆钻孔基础采用回转钻机、套管护壁，终孔孔径为75 mm；钻机安装必须水平、稳固，开孔位置偏差应控制在10 cm之内，钻孔应分段进行孔斜测量，必须保证孔向准确。

3 组合式垂直防渗搭接设计

组合式垂直防渗方式的无极差搭接工艺是确保填埋场环保治理效果的主要技术。

(1)上部高压旋喷灌浆轴线沿帷幕灌浆两排孔的中心线布置，施工时先进行上部高压旋喷灌浆施工，待高压旋喷灌浆防渗墙达到75 %强度后再在其上钻孔施工下部帷幕灌浆。

(2)帷幕灌浆与高压旋喷灌浆下部搭接1.5 m，帷幕孔的开灌深度为高压旋喷孔的终孔深度以上1.5 m位置，该位置以下为灌浆段，以上为非灌浆段，以保证高压旋喷灌浆与帷幕灌浆搭接处的防渗效果。

(3)对于“高压旋喷灌浆+帷幕灌浆”的组合式垂直防渗，其搭接工艺是确保垂直防渗阻隔工艺实施效果的基础和关键。高压旋喷、帷幕灌浆孔开孔孔位、孔深、孔斜率应严格按设计要求进行，不得出现偏差。帷幕灌浆的开灌位置、高压旋喷灌浆底界必须保证垂直防渗搭接长度≥1.5 m，保证组合式垂直防渗搭接处的防渗性能，详见图4、图5。

图4 “上部高压旋喷灌浆孔+下部帷幕灌浆孔”布置大样图(单位：mm)Fig.4 Layout Detail of“Upper High-pressure Jet Grouting Holes + Lower Curtain Grouting Holes”(in mm)

图5 “上部高压旋喷+下部帷幕灌浆”纵断面示意图(单位：m)Fig.5 Schematic Diagram of Longitudinal Section of“Upper High-pressure Jet Grouting + Lower Curtain Grouting”(in m)

4 项目实施效果

(1)某危废填埋场治理项目通过采用“上部高压旋喷灌浆+下部帷幕灌浆”的组合式垂直防渗，其搭接长度为1.5 m，可实现对渗滤液进行有效的阻隔，防止地下水污染进一步扩大。项目实施后，下游地下水水质明显改善，效果较好。

(2)该次组合式垂直防渗技术可用于场地地层存在上部覆盖层及下部基岩层、垂直防渗性能要求高、周边环境复杂、相对隔水层较深的填埋场原位风险管控治理项目，为其他原位风险管控的填埋场、尾矿库、渣库环保治理项目提供了借鉴。

(3)项目实施后，通过在垂直防渗轴线设置检查孔，自上而下分段钻孔、取芯进行压水试验，其透水率均<1 Lu，防渗性能达到设计要求。