围封固化法在某污染场地治理中的应用

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  【摘要】为了解高压旋喷桩作为隔离措施在污染场地治理中的效果,本文以某污染场地为例,在取样分析调查的基础上,建立二维有限差分模型;以浓度含量较高、危害较大的有机污染物三甲苯为代表性污染物,分析了不同水位条件下污染物击穿隔离墙的时间。分析结果表明:水头是污染物影响运移的主导因素; 70年后,高压旋喷形成的防污屏障周围土体中污染物浓度低于国家土壤中A级标准限值;围封固化法是一种有效的污染场地治理措施。
  关键词:污染场地;治理;隔离墙;高压旋喷;围封;固化
  中图分类号:X33;X 505文献标识码:B文章编号:
  Application of enclosure and solidification in treatment of contaminated site
  LIU WEI
  (Guangdong electric power design institute, Guangzhou, 510663)
  【Abstract】In order to prediction the performance of high-pressure jet grouting pile used as vertical cut-off wall in polluted ground treatment, a finite difference model was set up on the basis of the geological condition of a polluted site in Fuyang. The breakthrough time of vertical cutoff wall by the contaminant of Trimethyl benzene was analyzed by considering its high concentration content and great hazard. The study shows that cross hydraulic head is the primary parameters affecting the breakthrough time of the cut off wall. It is showed that concentration in the stratum outside of the cut off wall is lower than the value of class A in the soil Standard. It is also concluded that enclosure and solidification are effective measures for treatment of contaminated site.
  
  【Keyword】contaminated site; treatment; cut off wall; high-pressure jet grouting pile; enclosure; solidification
  中图分类号: F407.61 文献标识码:A 文章编号:
  
  0引言
  目前,污染场地常用的治理措施有换填法、围封法、固化法、电动法、化学处理法、电磁法、电化学方法处理、土壤热处理、土壤淋洗、植物修复、生物修复等技术。国内外有学者对不同的治理方法进行了研究,但仍处于研究、试验阶段,缺少工程运用。围封和固化作为比较成熟的方法在国外诸多工程场地的治理中运用过。
  围封法是一种原位处理污染土体的技术。该方法是在污染地下水与未污染地下水之间采用隔离带,阻止污染物进一步向周围区域扩散。固化法是把水泥、石灰、火山灰、热塑料、树脂等加入到污染土内,使之固化,使污染物转化成稳定形式。
  目前常用的隔离措施有防渗墙、竖向隔离墙、深层搅拌桩墙、灌浆帷幕、高压喷射灌浆板墙等[1-9]。它们系利用置换、填充、挤密、插入板桩等达到截断污染物溶质迁移路径,隔离污染物目的。垂直隔离措施可以有效地防止污染物质在地层中的水平迁移,但是必须与底部的不透水层结合,而且在污染区域的表层应设置密封膜,比如压实粘土层、土工膜等。该方法要求防渗墙有较低的渗透性,应深入相对不透水层,具有一定的耐腐蚀性,地表密封层的厚度、渗透性等都有严格的要求。
  某地产项目位于富阳市老城区东侧,场地以前为老化工厂、医药厂、化纤厂和油脂厂的生产生活基地,在项目进行地质勘探项目过程中发现部分地段土层已被污染。为避免对工程施工造成安全隐患和威胁以及对未来居住环境造成不利影响和潜在危害。对整个项目场地土壤进行采样、分析测试以掌握污染物种类、分布范围和污染现状;本文在取样测试分析的基础上对该项目场地污染物的运移情况进行模拟分析,以评估围封+固化治理方案的可行性和长期效果。
  1工程概况
  该工程场地位于两条冲沟沟口交汇位置,呈梯形展布,长约250m,宽约120m。场地地貌总体属构造、剥蚀低山丘陵地貌单元。场区三面环山,南-东南向临江,原始地形自北向南略有倾斜(北高南低),后因人类活动及工程项目初步实施,目前场地地形较为平缓,地面高程为7.73m-9.72m。根据区域资料,场地地下水一般在1.5m-2.0m左右,场地填高后地下水位将会上升。
  根据取样测试结果,该项目场地污染土体分布情况如图1所示,图中标高为相对标高,从室外设计地面±0.00(相当于黄海高程13.5m)算起。
  
  图1污染物分布范围及围封方案平面示意图
  根据取样测试结果,图1中虚线围成的区域1中有机污染物超过国家标准中土壤B级标準限值,属于高污染土体。该范围面积约12500m2,长度约610m,平均污染深度为5m。如采用挖除换填方式处理,不仅处理污染土体积较大,费用较高;而且挖除污染土体过程中,污染物易挥发,会影响人员安全和周边环境。综合考虑本工程采用围封+固化方式对污染土体进行原位处理,沿图1中虚线布设高压旋喷桩形成垂直隔离墙,底部嵌入到中等~微风化基岩中;采用高压旋喷技术在浅层土体喷水泥浆液,与土体混合形成2~3m厚水泥固化层,包裹整个污染土体。该方法不仅可以降低污染土体的处理成本,安全可行;而且垂直隔离墙以及水泥固化层可用于基坑支护或作为地下室侧墙和底板,降低工程投资。
  根据场地情况及污染土分布深度,对比分析了两种治理方案的效果:
  方案1:地下室底板标高-5.9m,高压旋喷桩隔离墙+表层3~4m土体高压旋喷固化。
  高压旋喷桩顶部标高为-6.8m,桩端穿过深部的含粘土碎石层,进入底部中等风化基岩1-2m,平均桩深约15m;表层固化处理深度为4m。浅层污染土固化处理之后,进行地下室基坑开挖,挖去素填土和1m固化层,再浇筑30cm沥青混凝土垫层和底板。
  方案2:地下室底板标高提升2m,为-3.9m,垫层底部标高目前地面标高。采用高压旋喷桩隔离墙+表层2m土体高压旋喷固化。
  高压旋喷桩顶部标高为-4.8m,即目前地面标高,桩端穿过深部的含粘土碎石层,进入底部中风化基岩1-2m,平均桩深约17m;表层固化处理深度为2m,主要处理对象为表层素填土。表层土固化处理之后,在固化层上部逐步进行底板垫层施工,防水层铺设,地下室底板浇筑施工,垫层采用30cm厚沥青混凝土。
  
  (a)方案1
  
  (b)方案2
  图2处理方案示意图
  2计算参数及工况
  本文采用地下水模拟系统GMS软件中MODFLOW和MT3DMS两个有限差分模块对该场地的污染物运移情况进行模拟分析。以评估围封+固化治理方案的可行性,并对其长期效果进行预测分析和评价。
  2.1计算参数
  根据地质资料结果,参考文献的统计数据[10-15],计算参数表1。
  表1各层土分析计算参数
  
  
  本次选取三甲苯作为典型污染物,假设初始土壤中污染物含量为600mg/kg(实测最大污染物浓度为516.7mg/kg),参考相关国家标准,A级标准为土壤环境质量目标值,允许目标污染物的含量为20mg/kg。根据相关文献资料[12],土壤中污染物的含量与孔隙水中污染物的含量关系由下式计算:
  
  其中,C为土样孔隙水中污染物的实际浓度;Cm为实验室测得的土壤中污染物浓度;Ww为实验室中加入蒸馏水的质量;Wsdry为实验中土样的质量,w为土样的含水量。
  目前地面标高为-4.7m(相对标高),地下水位标高为-5.7m(相对标高),未来场地将堆高到0.0标高。考虑到水位将有一定抬升,参考区域资料,本文设定地下高水位为-1.0m,低水位为-3.0m。
  2.2计算工况
  本次计算考虑三个典型剖面,如图1。
  (1)隔离墙位于地下室边缘。图1中1-1剖面,场外地下水位较高,在对流和扩散作用下,污染物沿竖向运移到垫层甚至地下室内,分析不同水位条件下污染物竖向运移情况。
  (2)隔离墙位于地下室中央处。图1中2-2剖面,隔离墙位于底板中央,分析污染物水平向通过防渗墙扩散情况。
  (3)隔离墙位于地下室侧墙外侧。图1中3-3剖面,地下室底板垫层下部及侧墙外均有污染土体,计算污染物在对流弥散作用下水平和竖向运移情况。
  本次分析主要验算以下几种工况:
  (1)工况1、2:对比两种水位条件下,污染物在垂直方向上的运移规律;
  (2)工况3、4:底板标高提升2m,对比两种水位条件下,污染物在垂直方向上的运移规律;
  (3)工况5、6:根据地下室及防污屏障的相对位置,分析污染物向地下室内迁移扩散,及向建筑外部运移情况;
  (4)工况7:墙两侧没有水头差,污染物水平向扩散情况;
  (5)工况8:墙内侧水位高于外侧1m,污染物水平向扩散情况。
  
  
  表2计算工况及结果分析
  
  
  注:1、表中临界面是指地下室内墙表面,或者隔离墙外侧表面。如临界面处污染物浓度达到A级标准值(20mg/kg),表明防渗屏障已失去效用。
  2、地下水位-1.0m、-3.0m根据当地区域相关资料预测设定,为场地长期地下水位的变化范围,便于进行长期模拟分析。
  3、水头差正直表示墙外侧地下水位高于内侧,负值表示内侧水位高于外侧。
  
  
  3计算结果及分析
  根据表2分析结果:
  (1)工况1、2分析结果表明,如在水泥固化层上部铺设30cm混凝土垫层和50cm混凝土底板,在高水位条件下(-1.0m)70年后污染物已扩散到底板内,地下室底板表面污染物浓度为15mg/L,接近安全浓度限值20mg/L;如地下水位控制在-3m,污染物也已扩散到底板内,但是底板内污染物浓度较低,为4mg/L;
  (2)工况5、6分析结果表明,在高水位条件下(-1.0m),70年后污染物已经扩散到地下室内,特别是在3-3剖面薄弱处,浓度达到21mg/L;如水位控制在-3m,污染物也已扩散到底板内,但是底板表面浓度仅为8mg/L。分析原因:可能由于地下室侧壁紧贴固化处理污染土,高水位条件下污染物很容易通过孔隙水扩散到地下室侧墙、底板甚至内部;水位控制在-3m内时,应主要地下室墙角处防渗,并增强墙角防水层。
  (3)上述分析说明如果地下室底板不提升,在高水位条件下,污染物已经在薄弱部位扩散至地下室内,而且其他部位地下室内污染物浓度也接近安全浓度限值,需要在地下室底板加强防渗处理措施,如增加沥青混凝土垫层厚度或在垫层上设置防水层。
  (4)如提高地下室底板,则带来两方面有利条件:一是水头差减小;二是防渗厚度增加到2m,这样污染物就能更有效的得到控制。工况3、4计算结果也验证这点,污染扩散锋面距离地下室底板距离为1.5m,而且底板表面浓度非常低,仅为背景值;说明提高底板对防渗非常有利。
  (5)工况7、8表明,对于防渗墙位于地下室底板中央,如污染区内外没有水头差,污染主要以扩散为主,没有击穿防渗墙和地下室底板;如墙内侧水头长期高于墙外未污染区域水头,则70年后污染物已击穿防渗墙,扩散到未污染土层,故应严格控制水头差,避免墙内水头低于墙外水头;
  
  4结论及建议
  根据本文分析结果,可得出以下结论建议:
  (1)本工程中采用高压旋喷方法进行围封+固化处理污染土体后,周围土体中污染物浓度能满足国家标准中对于土壤污染物浓度A级标准的限值,表明高压旋喷隔离墙作为防污屏障安全可靠、经济可行,为污染土体的原位处理措施提供借鉴和参考。
  (2)水头是影响污染物运移的主导因素。应严格控制地下水位,应尽量控制在-3m以下,同时也不应低于防渗墙内侧水位。
  (3)建议在条件允许情况下,优先采用提升底板标高的方案。减少地下室底板防渗层的工作量,且有利于方案实施,确保70年内污染物不会扩散至地下室内。
  (4)如底板标高不变,70年后污染物已扩散到底板内,建议将沥青混凝土垫层厚度增加到60cm,而且应设置防水层。
  (5)局部污染扩散更快,70年后浓度已超过安全浓度,建议对地下室局部部位加厚防渗垫层,并增强防水层。
  
  作者简介:刘伟(1985- ),男,硕士,助理工程师,主要从事岩土工程勘察设计及环境岩土工程研究工作。
  
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