劉 莉

(濟南天下第一泉風(fēng)景區(qū)服務(wù)中心，山東 濟南 250000)

1 環(huán)境概況

項目所在區(qū)域?qū)儆邳S河、小清河沖積平原，地形開闊平坦，地勢平緩，起伏較小。區(qū)域第四系厚45～50 m，地下水類型為松散巖類孔隙水，無好的含水層?？辈樯疃?30 m)內(nèi)粉土層為相對含水層，埋藏較淺，富水性差；粉質(zhì)粘土層為相對隔水層，局部有粘土層或粘土透鏡體，厚度不穩(wěn)定，透水性差。50 m以下為基巖裂隙水。

工作區(qū)地下水位埋深1.0～3.0 m，埋藏較淺，年內(nèi)、年際水位動態(tài)較穩(wěn)定，多年水位變幅在1.5 m左右，目前無開發(fā)利用。地下水主要接受大氣降水補給、徑流及蒸發(fā)排泄，地下水流向受地形、地勢控制，基本流向為由北向南，排泄于南側(cè)的小清河中。

2 區(qū)域水土環(huán)境分析

2.1 化工廠附近水土污染情況

鉻鹽是重要的無機化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、冶金、紡織、機械等行業(yè)。2001年之前因我國缺少危險廢物貯存和填埋污染控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)鉻渣堆場未采取有效的環(huán)境風(fēng)險防護措施[1]。鉻渣露天堆放、退役鉻鹽廠浸出車間環(huán)保措施管理不到位，造成附近區(qū)域土壤和地下水受到污染。

工作區(qū)西側(cè)化工廠自1959年開始生產(chǎn)鉻鹽產(chǎn)品，經(jīng)過長達半個世紀(jì)的鉻鹽生產(chǎn)、鉻渣堆放、產(chǎn)品原料運輸?shù)刃袨椋沟脧S區(qū)內(nèi)及周邊的土壤及地下水受到了較為嚴(yán)重的鉻污染。該化工廠相關(guān)污染調(diào)查報告指出，Cr污染與鉻渣堆存、運輸撒落及含Cr廢水排放等有關(guān)，土壤和地下水污染情況具體如下：

2.1.1 土壤污染情況

場地內(nèi)土壤中六價鉻污染嚴(yán)重，最高濃度達到18 900 mg/kg，污染主要分布在北部原鉻渣堆場、東部原鉻渣堆場、東南部原鉻鹽車間及污水處理廠等區(qū)域。鉻渣堆、鉻渣填埋場、鉻鹽車間地段土壤中Cr(Ⅵ)含量總體上隨土層深度增加而顯著降低，地表下0～3 m土中Cr(Ⅵ)超標(biāo)非常嚴(yán)重，整個廠區(qū)超標(biāo)最大深度到地表下12 m。

2.1.2 地下水污染情況

廠區(qū)地下水中六價鉻濃度超標(biāo)監(jiān)測井位主要分布在鉻渣堆、鉻渣填埋場、鉻鹽車間地段，以原鉻渣堆場西南部和原鉻渣填埋場中部濃度最高。

淺層地下水(深度<10 m)中六價鉻濃度均>4 000 mg/L，深層地下水(<16 m)中六價鉻濃度亦在200 mg/L以上；鉻渣堆和鉻渣填埋場兩個區(qū)域的邊界區(qū)域及鉻鹽車間的六價鉻濃度在100～600 mg/L之間，深層地下水濃度較低，均在2 mg/L以下。其他地段地下水中六價鉻濃度低于檢出限(0.01 mg/L)。

綜上，化工廠鉻污染集中在鉻渣存放、生產(chǎn)場地及周邊小范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離鉻渣地段土壤和地下水中鉻污染不明顯?；S建于1919年，距今已有百年的歷史，鉻渣無防滲堆放也已存在幾十年，但整體看土壤和地下水中鉻超標(biāo)仍集中在小范圍內(nèi)，說明鉻類重金屬受粘性土顆粒的吸附作用強，在地層中遷移速度慢、遷移難度大。

2.2 項目區(qū)附近水土環(huán)境分析

對項目區(qū)周邊土壤和地下水進行了采樣監(jiān)測，結(jié)果表明：項目區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)二級標(biāo)準(zhǔn)；地下水中未檢出六價鉻，但高錳酸鉀指數(shù)、總硬度、氨氮、亞硝酸鹽氮、總大腸菌群、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體部分指標(biāo)存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，分析原因主要是受場區(qū)內(nèi)及周邊人類活動等綜合污染所致，已不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)水質(zhì)腐蝕性評價，區(qū)域地下水具有弱腐蝕性。周邊土壤和地下水中鉻未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，說明化工廠鉻污染未擴展到周圍土壤和地下水中。

3 帷幕工程設(shè)計

地下水污染治理技術(shù)歸納起來主要有：物理處理法、水動力控制法、抽出處理法 原位處理法[2，3]。物理屏蔽法作為一種永久性的封閉方法，主要用于處理小范圍的劇毒、難降解污染物。其中的阻水帷幕法最早用在解決水電工程領(lǐng)域水電站巖體裂隙或土體孔洞等導(dǎo)水作用引起的破壞性作用[4]。幕墻能夠優(yōu)化原有土體或巖體裂隙等防滲功能，阻斷由原有地層缺陷等造成的污染，隔斷污染通道使地下水及土壤等免受大范圍污染，從而達到堵水防滲目的[5，6]。

本工程為了防止因項目區(qū)施工基坑降水，改變地下水流場，阻止受污染的水土向東遷移影響項目區(qū)域，在項目區(qū)內(nèi)設(shè)置阻水幕墻，阻擋地下水向東遷移，控制地下水污染擴散。

3.1 項目區(qū)概況

工作區(qū)涉及四處基坑，分別為A、B、C、D、E，具體參數(shù)見表1。這四處基坑與化工廠東界距離分別為：215 m、135 m、76 m、330 m和530 m

整個工作區(qū)南側(cè)緊鄰河流，與F和G兩地塊毗鄰，目前這兩個地塊基坑已建設(shè)完成。工作區(qū)與化工廠相對位置見圖1。

圖1 評價地塊相對位置圖

3.2 帷幕工程設(shè)計

由于工作區(qū)與西側(cè)化工廠距離較近，為了防止因區(qū)內(nèi)基坑降水改變區(qū)域地下水流場，使得化工廠附近受到污染的地下水向東側(cè)徑流，導(dǎo)致地下水中鉻污染擴散。沿工作區(qū)西邊界設(shè)計了一條阻水帷幕，并于沿帷幕西側(cè)間隔設(shè)置3眼回灌井，見圖2。

3.2.1 帷幕位置及長度

考慮場地空間環(huán)境實際情況，結(jié)合水文地質(zhì)條件及以往工作經(jīng)驗，區(qū)域地下水由北向南流動，北側(cè)基坑距離化工廠相對較遠(yuǎn)，南側(cè)基坑相對較近，認(rèn)為北側(cè)受基坑降水的影響比南側(cè)小。將阻水帷幕設(shè)置在開發(fā)地塊與化工廠之間，帷幕西側(cè)留出設(shè)置監(jiān)測井和回灌井的空間，帷幕與基坑之間留出降水井和基坑支護工程的空間。

考慮到帷幕兩端的繞流問題，設(shè)計在主帷幕南北兩端分別向東延伸，北端向東延伸約120 m到A地塊中部，南端向東延伸約380 m到C地塊的東邊界。此設(shè)計方案避開了市政管線的穿越，保持了帷幕的完整性，更好的阻擋西側(cè)污水滲流。

3.2.2 帷幕墻的深度

本工作區(qū)內(nèi)相對含水層為粉土層，最大層底埋深為12.8 m，其下為粉質(zhì)粘土及粘土層，為隔水層。根據(jù)阻水帷幕相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，帷幕樁進入下部隔水層(粉質(zhì)粘土～粘土層)，3～5倍的樁徑，即2.5～4.0 m，本次設(shè)計為3 m。

結(jié)合各基坑開挖深度及降水深度，設(shè)計帷幕深度如下：

A和B地塊的西側(cè)(bc段)及東延長段(ab段)、D地塊南側(cè)(ef段)設(shè)計帷幕深度為為16 m，C地塊西側(cè)(cd段)及南側(cè)(de段)設(shè)計帷幕深度為18 m(見圖2)。

圖2 阻水帷幕設(shè)計平面示意圖

3.2.3 施工工藝

常用帷幕阻水方法主要有：地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁、高壓旋噴樁帷幕截水、水泥攪拌樁、SMW施工法(Soil Mixing Wall)等[7]。高壓旋噴樁帷幕截水由70年代由日本首先提出[8]，國內(nèi)常用方法有：單管旋噴(水泥漿)、二重管旋噴(水泥漿+氣)和三重管旋噴(水泥漿+氣+水)[7]。高壓旋噴樁由于價格低廉，阻水效果較好，在地下水控制工程中已占據(jù)主導(dǎo)地位[9]。

本工程采用高壓旋噴樁施工工藝，見圖3。高壓旋噴樁樁長16.0 m和18.0 m，直徑800 mm，樁間搭接200 mm，樁距600 mm，咬合寬度(有效厚度)530 mm，樁頂標(biāo)高為自然地坪，采用隔行跳打形式，單排樁咬合形成帷幕墻。

圖3 高壓旋噴樁設(shè)計圖

高壓旋噴樁采用三重管法施工。根據(jù)土質(zhì)條件通過試驗確定高壓噴射注漿的施工參數(shù)，高壓水射流的壓力大于20 MPa，氣流壓力0.7 MPa，水泥漿灌注壓力1～5 MPa，提升速度為0.05～0.25 m/min，旋轉(zhuǎn)速度為10～20 r/min。

帷幕工程的設(shè)計壽命：在無外力破壞—如地震或人工破壞條件下，高壓旋噴樁阻水帷幕30～50 a內(nèi)是有效的。

3.3 回灌井設(shè)置

為了便于日常監(jiān)測地下水位的變化情況，在帷幕西側(cè)施工6眼監(jiān)測-回灌井(見圖2中HG1～HG6)。基坑施工排水的同時，將帷幕內(nèi)側(cè)的排水注入回灌井，用來補充地下水，從而保證帷幕外測地下水位不產(chǎn)生較大的變化。

監(jiān)測-回灌井設(shè)計井深13～15 m，井徑300～400 mm，成井后抽水洗井。當(dāng)基坑外側(cè)水位降深超過0.5 m時進行回灌，回灌過程中保持井內(nèi)水位高出靜水位0.3 m。

4 數(shù)值模擬模型

為了驗證帷幕工程阻隔地下水污染的效果，模擬分析基坑排水對區(qū)域地下水流場的影響，結(jié)合廠區(qū)水文地質(zhì)條件，建立場地及周邊(至影響范圍外)地塊的地下水滲流數(shù)值模型，加入基坑降水載荷，計算不同工況下地下水流場形態(tài)的變化，識別這種變化是否對化工廠地段形成影響，并對預(yù)測結(jié)果進行了分析研究。

4.1 數(shù)值模擬模型

采用Visual MODFLOW軟件，建立地下水三維數(shù)值模擬模型。將面積為5 km2的模擬區(qū)剖分成50 m×50 m的矩形網(wǎng)格，并在擬建帷幕地段進行了加密處理，將帷幕地塊加密到10 m×10 m的矩形網(wǎng)格(見圖4)。

圖4 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖

參考周邊地塊的巖土工程勘察報告，將評價區(qū)地層(30 m以內(nèi))概化為五層，分別是：(1)雜填土、(2)粉土、(3)粉質(zhì)粘土、(4)粉土、(5)粘土—粉質(zhì)粘土。采用2017年3月區(qū)內(nèi)地下水流場作為模型初始條件，參照區(qū)域地下水流場圖，模型東邊界和西邊界與地下水位線近垂直，概化為零流量邊界，南邊界為小清河，概化為定水頭邊界，北部邊界為流量邊界。

4.2 預(yù)測模型

模型預(yù)測范圍即模型概化邊界所包括的范圍，重點預(yù)測評價區(qū)基坑附近、擬設(shè)帷幕墻周邊等敏感位置。

4.2.1 模擬時段

基坑降水正常會在一年內(nèi)結(jié)束，地下工程施工完畢后，地下水流場會逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。本次預(yù)測工作僅模擬施工期地下水流場變化，時段設(shè)置為1年，時間步長為5 d。

4.2.2 預(yù)測工況

本次工作設(shè)計了3種預(yù)測工況，分別為：

工況1：未設(shè)置阻水帷幕，且未設(shè)置地下水回灌井；

工況2：設(shè)置旋噴樁阻水帷幕，但未設(shè)置地下水回灌井；

工況3：設(shè)置旋噴樁阻水帷幕，且在帷幕西側(cè)設(shè)置地下水6口地下水回灌井。

4.3 預(yù)測結(jié)果

4.3.1 工況1預(yù)測結(jié)果

由于長時間排水，四個地塊內(nèi)地下水已經(jīng)疏干，受到基坑降水的影響，基坑西側(cè)地下水流場出現(xiàn)了明顯改變，水流方向改變較大，由原來的由北向南流動變?yōu)橛晌鞅绷飨驏|南，裕興化工廠附近地下水會向東滲流，基坑排水的影響區(qū)域擴展到了裕興化工廠區(qū)，西側(cè)最大影響距離約400 m(見圖5)。

圖5 工況1下不同層位地下水等水位線圖

4.3.2 工況2預(yù)測結(jié)果

經(jīng)過1年的基坑降水，四個地塊內(nèi)地下水已經(jīng)疏干，帷幕西側(cè)地下水總體由北向南流動，帷幕基本阻擋了西側(cè)地下水向基坑滲流，僅在帷幕附近等水位線略有上揚，即仍有少量滲流進入基坑，但影響范圍較小，基坑降水的影響區(qū)域主要集中在帷幕東側(cè)(見圖6)。

圖6 工況2下不同層位地下水等水位線圖

4.3.3 工況3預(yù)測結(jié)果

增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持為初始水位，基坑降水未擴展至化工廠區(qū)，未造成污染擴散。此種工況能將基坑排水的影響范圍控制到帷幕東側(cè)的小范圍內(nèi)，西側(cè)影響距離控制在帷幕附近20 m內(nèi)，影響范圍和影響程度達到最小(見圖7)。

圖7 工況3下不同層位地下水等水位線圖

5 結(jié)語

(1)研究區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單，水土環(huán)境條件較差。為了防止化工區(qū)東側(cè)施工因基坑降水導(dǎo)致地下水鉻污染擴散，專門設(shè)計了阻水帷幕工程，為驗證帷幕工程防護的有效性，采用Visual MODFLOW軟件建立了工作區(qū)三維數(shù)值模型，經(jīng)模擬驗證，設(shè)置阻水帷幕后，帷幕基本阻擋了地下水向基坑滲流，增加了回灌井后，帷幕附近地下水位基本保持為初始水位，基坑降水未擴展至化工廠區(qū)，不會造成污染擴散。模擬結(jié)果與實際較為符合。

(2)三維數(shù)值模型能較好的刻畫研究區(qū)水文地質(zhì)條件，較精確的預(yù)測地下水流場形態(tài)變化，可推廣應(yīng)用于類似地下水防護工程防治效果預(yù)測。