福建省紫金銅業銅冶煉項目廢水防滲工程水文地質勘察手段探析

魏 強

（福建省水文地質工程地質勘察研究院，福建漳州363000）

隨著我國經濟社會快速發展，人們對地下水污染防治要求進一步提高，特別是對重金屬加工企業在生產過程中已經被用過而受到污染的廢水，應進行必要的防滲處理，以防止滲入地下而污染地下水。因此在前期的勘察設計中，就應該充分考慮到地下水防滲工程的重要性，制定出有針對性的水文勘察方案，確定場區含水層及隔水層的埋藏條件、分析地下水的動態變化規律，確定地下水的滲流、流向及地下水的補給、徑流、排泄條件等，并提出相應準確的計算參數、防滲技術方案，供防滲工程設計使用。

1 工程概況

福建省紫金銅業年產20×104t銅冶煉項目廠區，包括生活區、生產區、辦公區等數十幢建（構）筑物，總占地面積約60×104m2。場地整平標高為641.383～628.906m，呈北向南梯狀展布。廠區所生產排放出的多為酸性廢水，若滲漏將會造成對地下水、地表水污染；另外，生產廢渣堆存不當也會造成土壤污染。廠區的主要污染區域為凈液車間、電解車間等，位于場區的西北側。

2 勘察目的與手段

查明廠區場地含水層及隔水層的埋藏條件，地下水類型、分布，查明廠區地下水及梅壩溪的水力聯系，分析地下水的動態變化規律，確定地下水的滲流流速、流向及地下水的補給、徑流、排泄條件，在此基礎上，提出可行的經濟合理的防滲技術措施，并分析防滲工程可能產生的場地地質條件變化及對地基基礎的影響。

通過仔細的勘探工作，對工程地基巖土層進行了詳細的劃分，對各巖土層滲透性能進行了準確的評價。對巖土層物理力學設計參數、防滲處理等提出了經濟合理的結論和建議。

針對工程場地地質條件、工程特點和設計要求，本次勘察主要采用水文地質調查、地質物理勘探、水文地質鉆探，并結合標準貫入試驗、現場水文地質試驗及采取原狀土樣、擾動土樣、水樣等綜合手段進行勘察施工[1]。

水文勘探孔的布孔原則主要網格狀布置，并在構造破碎帶上下盤附近分別加密布設鉆孔。主要完成的勘察工作量有：布置鉆孔64個，物探剖面1100m，水文地質試驗95臺次等，具體詳見圖1。

3 水文、工程地質環境條件

3.1 地形地貌

本場區屬中切割低山區，原始地形地勢呈北高南低的大體趨勢，最高海拔約684.34m,原始地形最低侵蝕基面標高約610m,最大高差約75m。場區原始地貌主要為殘積臺地間山前河谷沖洪積地貌，現場地已平整成梯狀，整平標高為641.383～628.906m，呈北向南梯狀展布。經開挖整平的場地最大填土高度約27m。

3.2 氣象水文

龍巖地區屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫19.8℃，極端高溫38.4℃，極端低溫-2.8℃，年日照時數1442～2043h，無霜期270～299d。降水量充沛，為本區地下水的主要補給來源，每年3～8月份為主要雨季，約占全年降雨量的75%左右，受臺風影響，常會出現連續降雨或暴雨。11月至翌明1月，為旱季，雨量較小。場地多年平均降水量1681.9mm，最大降水量2495.5mm(1975年),最小降水量1188.9mm(1958年)，日最大降水量強度322mm(1965年7月28日),連續累計最大降雨量871mm，多年平均蒸發量1672.2mm。

區內水系屬韓江水系上游。主要發育有梅壩溪，位于場區的西南側，呈北向南、至東流向展布，河寬15～40m不等，河谷多呈“V”形谷，切割深、坡降大，水淺灘、不能通航。勘察期間區內多次觀測平均流量約0.025m3/s。梅壩溪于溪流下游建一小型水壩，設計壩頂最高水位615m(黃海標高)，壩底最低標高約576m(黃海標高)。

3.3 地質構造

影響場地的區域斷裂主要有華力西—印支構造旋回。走向以北東向、北西向斷裂為主，偶見東西向斷裂。根據野外調查，影響廠區的主要次生斷層有：F02斷層、F03斷層、F06斷層和F07斷層等4條，詳見表1。

3.4 主要巖土層

根據鉆孔揭露主要地層如下，詳見圖2。

①素填土：淺紅、淺黃色，中密—密實，濕—飽和。弱透水層，富水性較差。

②粉質粘土：淺灰色，可塑，飽和。弱透水層，富水性較差。

表1 主要斷層特征表

圖2 水文地質剖面圖

③坡積粉質粘土：淺紅、淺黃色，硬塑，濕。弱透水層，富水性較差。

④殘積砂質粘性土：淺紅、淺黃色，硬塑，濕—飽和。弱透水層，富水性較差。

⑤全風化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺黃色。透水性較差，富水性差。

⑥砂土狀強風化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺黃色。透水性較差，富水性差。

⑦碎塊狀強風化似斑巨斑狀花崗巖：淺黃、灰褐色，節理裂隙發育。透水性較差，富水性差。

⑧中風化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺灰白色。透水性一般，富水性中等。

⑨碎塊狀強風化輝綠巖脈：淺灰、灰褐色，節理裂隙發育。透水性較差，富水性差。

⑩中風化輝綠巖脈（βμ）：淺灰、灰綠色。透水性一般，富水性中等。

3.5 現狀水文地質條件

區內水系屬韓江水系上游。主要發育有梅壩溪，下游注入永定河向西南匯入韓江。按地表水水域功能劃類：梅壩溪屬Ⅲ類，即主要適用于集中式生活飲用水水源地二級保護區，一般魚類保護區和游泳區。

（1）地下水埋藏條件與性質。場區的匯水面積約1.0km2。場地內地下水可劃分為四個水質地質單元，即上層滯水含水單元、松散巖類孔隙水含水單元、風化殼網狀裂隙水含水單元、基巖構造裂隙水含水單元等四種。場區內的上部各含水層均為弱透水層，初見水位標高為621.84～640.62m；地下水混合水位標高621.84～606.90m；其間在抽水試驗時測得基巖構造裂隙水水位標高約621.22～638.73m，該區地下水年變幅約3.00～6.00m[2]。

場區的匯水面積約A=1.0km2，當地年均降雨量為W=1681.9mm，入滲系數取a=0.20，采用降水入滲法估算地下水的日總水量。降水入滲法公式：

經計算：大致可推測出廠區地下水日總水量約為900～1000m3/d。

（2）地下水補、徑、排特征。根據地質調查及水文試驗結果：廠區內相對富水性區域主要分布廠區的西北角及東北角一帶。廠區的北側相對地勢較高，南側地勢相對較低，出露的巖性多為殘坡積土層、全—強風化巖，下部為中風化巖，導水性總體上較差。地下水總體以東、西、南沿原始地形低洼沖溝處和斷裂破碎帶向下游梅壩溪排泄。

（3）地下水的水化學特征。據取地表水和地下水水質分析結果分別如下：地下水為淡水，離子總量為163.69～261.14mg/L、pH值6.16～7.94，侵蝕性CO2為3.02～20.28mg/L。

4 防滲工程方案分析

4.1 巖土層滲漏性分析測試

為了確定廠區各含水層、隔水層的滲透性及影響因系和變化規律，確定主要滲漏帶及帷幕線底界深度，在廠區不同地段，按不同的含水單元及巖土層，分別采用注、壓和抽水試驗，以測定各巖土層的水文地質參數，為廠區滲漏評價提供依據。依據《工程地質手冊》第五版[3]，根據不同含水層的一般滲透性，采用不同的水文試驗方法分別進行，具體如下：

（1）碎塊狀強風化巖層、中風化巖層、構造破碎帶等主要采用抽水試驗法進行。計算公式：

K=0.366Q(lgR/rw)/(H·Sw)（承壓水單孔非完整井）

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

R——影響半徑，m；

rw——濾管半徑，m；

H——至過濾器底部的含水層深度，m；

Sw——水頭降深，m。

（2）第四系巖土層及各基巖風化層等多采用分段法進行壓水試驗方法進行。計算公式：

式中：Q3——第三階段的計算流量，L/min；

P3——第三階段的試驗段壓力，MPa；

L——試驗段長度，m。

（3）地表出露的素填土層、粘質粘土、殘積土層等地段部分采用注水試驗方法進行。計算公式：

式中：F——形狀系數；

T——時間，min；

A——注水管內徑截面積，cm2。

根據不同的水文試驗方法，分別進行了15臺班抽水試驗、56次壓水試驗、24次注水試驗。分別求得各巖土層的滲透性和滲透參數，為廠區滲漏評價提供依據，判定標準詳見表2，試驗結果見表3。

表2 《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287－2008）附錄J[4]

表3 各巖土層的滲透性

從試驗結果上看，廠區內的各巖土層的滲透性總體屬于正常值范圍內。由于人工填層的成份有差異性較大，均勻性較差，壓實不均，局部顯示其具有中等透水性。碎塊狀強風化巖—中風化巖的滲透性總體較弱，但在局部地段節理裂隙有可能較為發育，其滲透性有可能出現較大的變異。故區內防滲重點是素填土層和構造破碎導水帶。

4.2 廠區地下水富水區分析

根據場地原始地形地貌及地下水的主要排泄方向，廠區內的主要富水區分布多處斷層走向的走廊帶上，共推斷有中等富水帶（Ⅰ）-（Ⅳ）等4區。

中等富水帶（Ⅰ）：斷層影響帶的滲透系數K=4.10×10-3cm/s，中等透水性，主要受F03斷層構造的影響為主，同時場地的原始地形地貌也是決定其為地下水富集的主要因素之一。

中等富水帶（Ⅱ）：斷層影響帶的滲透系數K=4.72×10-3cm/s，弱透水性，地下水的富集由F02斷層構造的影響與原始地形較為低洼的共同影響造成。

中等富水帶（Ⅲ）：斷層影響帶的滲透系數K=2.82×10-2cm/s，中等透水性，主要受F07斷層構造的影響為主，同時場地的原始地形地貌也是決定其為地下水富集的主要因素之一。

中等富水帶（Ⅳ）：巖土層的綜合滲透系數K平均值為2.66×10-2cm/s，中等透水性。由于受到周邊斷層帶的影響，巖體總體較為破碎，局部地段發育節理裂隙帶，導水性較好，地下水易于富集。另外原始地形較為低洼，周圍地下水的補給也是其地下中等富集的一個因素。

4.3 污水防滲工程措施建議

場區防滲重點是防止有毒污水向地下水滲漏與擴散及排向地表河水（梅壩溪）。故防滲工程建議采用兩種措施：隔離與疏導。

（1）隔離法：在污染區地表上部設置排水導槽，槽坡和槽底鋪設防滲襯材，防滲襯材應滿足滲透系數K≤10×10-7cm/s的防滲要求，地表其它范圍（排水導槽以外）可采用HDPE防滲膜+粘土進行水平防滲。各富水帶（Ⅰ）-（Ⅳ）區的地下水排泄方向兩端及其它地段需進行垂直防滲工程的地區，建議采用注漿帷幕、水泥攪拌樁、地下連續墻等方案進行截、排地下水。

（2)疏導法：即地下水下降漏斗法，滲透系數K值取2.66×10-2～2.82×10-3cm/s，降水井口徑以130～200mm為宜，沿富水帶條狀布設疏導降水井間距建議控制在200～300m左右，重點污染地段周邊應適當加密。

降水井平時可作為水位和水質監測井，一旦發現地下水受到污染，即可啟動疏導方案，進行降水，將抽出的水集中處理。

同時在廠區四周外側布置一定密度的觀測井點，作長期的地下水位、水質監測及數據對比使用，以便隨時掌握污水對地下水的污染狀況。

5 結語

福建省紫金銅業年產20×104t銅冶煉項目防滲工程竣工已運行5年多，運行正常。經長期檢測，未見因滲漏造成的對地下水、地表水污染。本次水文地質勘察所取的結論和建議是符合實際的，對甲方和設計單位所關切的巖土層滲透性、防滲處理措施等問題的結論和建議，已被工程實踐證明。福建省紫金銅業年產20×104t銅冶煉項目防滲工程水文地質勘察提供了科學準備的數據，為優化設計、節省投資創造了條件，取得了良好的經濟效益和社會效益。同時，也為今后同類項目在花崗巖地復雜水文地質條件下的工程建設積累了經驗。