河流沿岸搬遷化工廠區(qū)土壤原位修復(fù)降水過程研究

胡 濤 許蘭生

中石化第五建設(shè)有限公司 廣東廣州 510145

某搬遷化工廠區(qū)土壤原位修復(fù)項目位于安徽蚌埠市淮河南岸20m 處，占地約100 畝，包括異位熱脫附工程、原位熱脫附工程和地下水抽出處理。需要修復(fù)的區(qū)塊有71 個，需修復(fù)的土壤面積為26250.29m2，存在問題區(qū)域（需同時對水污染進(jìn)行處理） 面積總計約29421.25m2，修復(fù)的土方量約為14.04 萬m3，預(yù)估處理水量約30 萬t。圖1 和圖2 分別為該項目的地下水污染分布圖和土壤污染分布圖。

圖1 地下水污染分布圖

圖2 土壤污染分布圖

1 地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探施工，結(jié)合收集場區(qū)內(nèi)前期工作成果及區(qū)域地質(zhì)資料，施工區(qū)地層情況概述如下：

1.1 第四系（Q）

0～1.70m 雜填土：灰黃色、褐黃色，松散，含大量建筑垃圾、碎石，稍濕，有異味。

1.70～5.05m 粉土：淡黃色、淡褐黃色，較松散狀，較濕，有異味，粉粒中含暗色粒屑，局部粘粒含量較高。

5.05～5.75m 粉質(zhì)粘土：灰色、淺灰黃色，較松散狀，較濕，粉粒含量較高，含云母碎片，有異味。

5.75～10.75m 粘土夾薄層粉質(zhì)粘土、粉土：淺褐色、淺灰黃色，較松散- 稍密狀，較濕，下部粉粒含量較高，有異味。

10.75～38.00m 粉砂、粉細(xì)砂夾薄層粘土、粉土：淺褐色、淺灰褐色，松散- 較松散，濕，飽和，主要礦物成分為長石、石英，以石英為主，暗色粒屑含量較高，多呈次棱角狀，分選性較好，磨圓度一般，粒間多充填有粘粒；其中28.00～30.00m 段多見蚌殼碎片，下部細(xì)粒含量較高，局部見中細(xì)粒，有異味。

1.2 晚太古界（Ar）

38.00～38.36m 斜長片麻巖：淺灰黃色、黃褐色，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、斜長石，少量角閃石，具風(fēng)化。

1.3 含水層組

根據(jù)鉆探揭露，本場地在深度45.20m 深度范圍內(nèi)主要存在3 個含水層組：

（1）第一含水層組：地下水類型屬潛水，主要賦存于①層雜填土和②層粉土中。本層地下水主要接受大氣降水、地表水補(bǔ)給，易蒸發(fā)。其水位、流量隨季節(jié)有明顯變化。勘察期間，地下水的初見水位與穩(wěn)定水位埋深基本一致，穩(wěn)定水位埋深0.19～1.72m 之間，高程約為17.59～18.91m。

（2）第二含水層組：地下水類型屬承壓水，主要分布于④層粉細(xì)砂中，以地下水的水平徑向流動補(bǔ)給為主。勘察期間，此層承壓水初見水位埋深約為14.80～15.00m，高程約為4.28～4.55m，穩(wěn)定承壓水頭高出④層粉細(xì)砂頂面約1.0m。

（3）第三含水層組：地下水類型屬承壓水，主要分布于⑥層細(xì)中砂及⑦層強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中，以地下水的水平徑向流動補(bǔ)給為主。勘察期間，此層承壓水初見水位埋深約26.80～30.40m，高程約為- 10.85～- 7.49m，穩(wěn)定承壓水頭高出⑥層細(xì)中砂頂面約1.0m。

勘察期間屬枯水期，但降雨量較大，地下水位接近年最高水位。按正常年份，蚌埠地區(qū)6～9 月份為豐水期，12 月～次年3 月份為枯水期。地下水位年變化幅度為2.00m 左右。

2 項目難點(diǎn)

（1）修復(fù)場地地勘資料不詳實(shí)，地下無連續(xù)隔水層，與業(yè)主方提供的修復(fù)技術(shù)簡本不符；地下水與淮河有直接水利聯(lián)系，且污染濃度下限深度超過13m，對降水要求較高；

（2）淮河管控范圍120m 內(nèi)不允許建深井，開挖深度不允許超過4.5m；

（3） 特征有機(jī)污染物難處理，沸點(diǎn)溫度高于250℃，目標(biāo)污染物難揮發(fā)。

進(jìn)入場地進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘后，得出場地地質(zhì)模擬圖（圖3）。模擬圖揭示，地下第二、第三含水層之間無阻隔，修復(fù)區(qū)域地下水與淮河之間存在水利聯(lián)系，抽出水量會遠(yuǎn)大于設(shè)計預(yù)估量。

圖3 場地地質(zhì)模擬圖

為更好地實(shí)施降水施工，驗(yàn)證場地后續(xù)降水工作的可行性，確定本場地地質(zhì)條件下淮河可能的補(bǔ)水量、單井涌水量、實(shí)際抽水量、群井抽水量和最大抽水量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行了降水試驗(yàn)。

3 止水帷幕及降水井建設(shè)

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，在降水區(qū)域外圍建設(shè)止水帷幕。止水帷幕采用850＠900 的三軸水泥攪拌樁，水泥攪拌樁采用PO32.5 級水泥，水灰比為1.5～2.0，樁長23m，深入砂層，起到更好的橫向阻隔作用。但縱向會有深層水在無隔水層處出現(xiàn)越流現(xiàn)象。

為加大抽水量，達(dá)到降水目的，場地內(nèi)共布設(shè)12口井，井編號和深度如圖4 所示。

圖4 降水區(qū)域水井布置圖（標(biāo)識：編號- 井深）

各井參數(shù)如表1 所示。圖5 為管井大樣圖。

表1 降水區(qū)域降水井參數(shù)

圖5 管井大樣圖（單位：mm）

4 抽水運(yùn)行

為驗(yàn)證抽水效率，前期根據(jù)降水效果調(diào)整井?dāng)?shù)量和水泵功率，進(jìn)行了第一階段三批次抽水試驗(yàn)。通過三次試驗(yàn)結(jié)果和對場地整體抽水的評估，再進(jìn)行第二階段的抽水試驗(yàn)。

4.1 第一階段試驗(yàn)

4.1.1 第一次試驗(yàn)

各編號井按照不同功率的泵同時進(jìn)行抽水，詳見表2。

表2 第一次試驗(yàn)抽水計劃

4.1.2 第二次試驗(yàn)

根據(jù)第一次試驗(yàn)，補(bǔ)充建4 口井，補(bǔ)充大功率水泵，各編號井按照不同功率的泵同時抽水，詳見表3。

表3 第二次試驗(yàn)抽水計劃

4.1.3 第三次試驗(yàn)

根據(jù)第二次試驗(yàn)，更換大功率水泵，各編號井按照不同功率的泵同時抽水，詳見表4。

表4 第二次試驗(yàn)抽水計劃

4.2 第二階段試驗(yàn)

第一階段中，因現(xiàn)場地質(zhì)情況與場地調(diào)查報告有較大差別，水位下降達(dá)不到要求。根據(jù)第一階段的試驗(yàn)結(jié)果、常規(guī)抽水試驗(yàn)結(jié)果和場地污染水處理工程量，經(jīng)綜合分析，設(shè)計出第二階段的降水試驗(yàn)。

降水區(qū)域抽水量確定為約1200m3/ d，控制抽水量1200m3/ d，穩(wěn)定運(yùn)行至少5d，觀察降水效果。

4.3 運(yùn)行總結(jié)

4.3.1 第一階段運(yùn)行結(jié)果現(xiàn)場3 組井及2 個17m 井，匹配井出水能力的泵進(jìn)行降水運(yùn)行時，水位僅能控制在9.7～10.3m 左右，水量約260～487m3/ d。

4.3.2 第二階段運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行維持抽水量約1000m3/ d，開啟水泵型號和數(shù)量動態(tài)調(diào)節(jié)。第一天，開始運(yùn)行12＃，增加2＃；第二天增加運(yùn)行7＃和9＃；第三天增加運(yùn)行5＃和11＃。初始抽提井水位在2.33～8.25m；第一、二和三天，水位逐漸呈下降趨勢；第四天，水位整體呈上升趨勢，水位3.96～9.6m，與前一天比有0.46～3.3m 的浮動。

4.4 抽水試驗(yàn)結(jié)果

施工區(qū)上覆地層為第四系粘土、粉土、粉質(zhì)粘土及粉細(xì)砂，厚度38m，下伏地層為晚太古界斜長片麻巖，試驗(yàn)?zāi)康暮畬勇裆?0.75 ～38.00m，厚度約27.75m。試驗(yàn)段為地下承壓水，降水井屬于承壓完整井。觀測井觀測數(shù)據(jù)異常，僅供參考，不參與相關(guān)參數(shù)的求取。

4.4.1 按單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

選擇公式見式（1）和式（2）。

式中：K——含水層滲透系數(shù)，m/ d；

Q——抽水井流量，m3/ d；

SW——抽水井中水位落程，m；

M——承壓含水層厚度，m；

R——影響半徑，m；

r——抽水井半徑，m。

通過三個落程獲得的落程值及對應(yīng)的涌水量值，計 算 得 出 K1=8.5574m/ d，R1=152m；K2=8.1454 m/ d，R2=95m；K3=5.5442m/ d，R3=42m；含水層平均滲透系數(shù)K=8.3514，求取各水文參數(shù)見表5。

表5 水文地質(zhì)參數(shù)求取一覽表

4.4.2 按帶一孔觀測孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

選擇公式見式（3）和式（4）。

式中：K——含水層滲透系數(shù)，m/ d；

Q——抽水井流量，m3/ d；

Sw——抽水井中水位落程，m；

M——承壓含水層厚度，m；

R——影響半徑，m；

rw——抽水井半徑，m；

r1——觀測井與抽水井距離，m；

S1——觀測井降深，m。

通過最大落程值及對應(yīng)的涌水量值，計算得出含水層滲透系數(shù)為7.8951～9.3055m/ d，含水層平均滲透系數(shù)K=8.6003 m/ d，影響半徑R=153m，經(jīng)抽水實(shí)驗(yàn)求取各水文參數(shù)見表6。

表6 水文地質(zhì)參數(shù)求取一覽表

通過第二落程值及對應(yīng)的涌水量值，計算得出含水層滲透系數(shù)為8.7538～10.1477m/ d，含水層平均滲透系數(shù)K=9.4508m/ d，影響半徑R=102m，經(jīng)抽水實(shí)驗(yàn)求取各水文參數(shù)見表7。

表7 水文地質(zhì)參數(shù)求取一覽表

通過第三落程值及對應(yīng)的涌水量值，計算得出含水層滲透系數(shù)7.4134～8.8950m/ d，平均滲透系數(shù)K=8.1542m/ d，影響半徑R=44m，經(jīng)抽水實(shí)驗(yàn)求取各水文參數(shù)見表8。

表8 水文地質(zhì)參數(shù)求取一覽表

4.4.3 按帶二孔觀測孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

選擇公式見式（4）、式（5）。

式中：r1、r2——觀測井與抽水井距離，m；

S1、S2——觀測井降深，m。

通過三個落程獲得的落程值及對應(yīng)的涌水量值，計算得出含水層平均滲透系數(shù)K＞26m/ d，影響半徑超過260m，數(shù)值偏大，與按單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)及按帶一孔觀測孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，建議在場區(qū)涌水量計算時作為參考。

綜上所述，通過對單孔抽水試驗(yàn)及帶觀測孔抽水試驗(yàn)等條件下的滲透系數(shù)、影響半徑的求取，得到降水區(qū)域地下水滲透系數(shù)為8.1542～10.1477m/ d，與區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)相符。穩(wěn)定動水位埋深11.94m、降深5.20m，時影響半徑為150m 左右。

4.5 抽水量確定

4.5.1 單孔涌水量推斷

結(jié)合降水區(qū)域降水情況，按本次抽水試驗(yàn)最大降深、第二降深抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，靜止水位埋深6.74m 時，依據(jù)《水文地質(zhì)手冊（第二版）》相關(guān)要求，采用插入法，假設(shè)6.26m 降深點(diǎn)其流量為Q2、降深6.26m 為S2，相鄰兩降深點(diǎn)分別為Q1、Q3及S1、S3，先采用公式（6）計算相鄰兩降深點(diǎn)曲度值，計算結(jié)果n=1.0467，介于1～2，為指數(shù)型。再采用公式（7）,利用已知的Q1、Q3及S1、S3求得系數(shù)a、m 及S2代入式（6）求得Q2，單孔推斷出水量見表9。

表9 推斷涌水量一覽表

4.5.2 水躍值推斷

抽水試驗(yàn)時，管內(nèi)水位與管外水位的差為水躍值（△h），按過濾器未淹沒時計算公式如式（8）所示。

動水位埋深24m 時，降深17.26m，其推斷涌水量為 3421.49m3/ d； 基 巖 面 埋 深 38m，K 值 取10.1477m/ d，經(jīng)計算△h 為12.82m，亦即動水位埋深降至24m 時，管外水位埋深為11.18m。

4.5.3 干擾井群涌水量推斷

因降水場區(qū)形狀不規(guī)則，按周長174m（委托方提供的資料），降水區(qū)域距離淮河河岸195m。根據(jù)本次抽水試驗(yàn)成果，對降水區(qū)涌水量進(jìn)行推斷。因降水區(qū)周邊已施工完成23m 左右的止水帷幕，地下水條件較復(fù)雜，無成熟公式進(jìn)行計算，只能參考單井涌水量計算數(shù)據(jù)、現(xiàn)場降水?dāng)?shù)據(jù)，按穩(wěn)定流承壓完整井群進(jìn)行推斷估算，依據(jù)水文地質(zhì)手冊采用公式（9）進(jìn)行計算。

式中：K——滲透系數(shù)，取值10.1477m/ d；

M——含水層厚度，取值27.25m；

S——降深，取值17.26m；

R0——引用影響半徑，取值195m×2=390m；r0——引用半徑，取值174m/ 2п=28m；

n——干擾井群數(shù)。

經(jīng)推斷估算，止水帷幕范圍內(nèi)降水施工區(qū)（1700m2）涌水量達(dá)11390.61m3/ d。因場區(qū)內(nèi)地下水條件復(fù)雜，無成熟公式，故此數(shù)值僅在后期降水區(qū)域降深水時作為參考，具體數(shù)值以實(shí)際降水時的涌水量、動水位為準(zhǔn)。

4.6 水中污染物濃度

在降水區(qū)域抽水相對穩(wěn)定期，對抽出承壓水的水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，承壓水COD 值為188～300mg/ L，較開始抽水時污染物濃度低，且部分井中水的檢測指標(biāo)低于排水要求值。

5 問題總結(jié)

（1）對施工的影響：由于本場地主要是地下施工修復(fù)，場地地勘資料不完整，對施工造成很大阻礙；

（2）地質(zhì)、汛期影響：隔水層不連續(xù)以及淮河與地下水連通，汛期回補(bǔ)水速度過快，使得原位修復(fù)降水實(shí)施過程通過原設(shè)計抽水量基本不可能實(shí)現(xiàn)，除非加大抽水量才有可能實(shí)現(xiàn)；

（3）降水安全性：降水區(qū)域降水期間，外圍距離降水區(qū)域北端約40m 處的常規(guī)抽水試驗(yàn)井，水位同時下降，降水水位維持在11m 左右時，外圍水位達(dá)到9.5m（初始靜態(tài)水位7～8m），說明降水區(qū)域抽水影響著整個外圍區(qū)域的水位。