福建省紫金铜业铜冶炼项目废水防渗工程水文地质勘察手段探析

魏 强

（福建省水文地质工程地质勘察研究院，福建漳州363000）

随着我国经济社会快速发展，人们对地下水污染防治要求进一步提高，特别是对重金属加工企业在生产过程中已经被用过而受到污染的废水，应进行必要的防渗处理，以防止渗入地下而污染地下水。因此在前期的勘察设计中，就应该充分考虑到地下水防渗工程的重要性，制定出有针对性的水文勘察方案，确定场区含水层及隔水层的埋藏条件、分析地下水的动态变化规律，确定地下水的渗流、流向及地下水的补给、径流、排泄条件等，并提出相应准确的计算参数、防渗技术方案，供防渗工程设计使用。

1 工程概况

福建省紫金铜业年产20×104t铜冶炼项目厂区，包括生活区、生产区、办公区等数十幢建（构）筑物，总占地面积约60×104m2。场地整平标高为641.383～628.906m，呈北向南梯状展布。厂区所生产排放出的多为酸性废水，若渗漏将会造成对地下水、地表水污染；另外，生产废渣堆存不当也会造成土壤污染。厂区的主要污染区域为净液车间、电解车间等，位于场区的西北侧。

2 勘察目的与手段

查明厂区场地含水层及隔水层的埋藏条件，地下水类型、分布，查明厂区地下水及梅坝溪的水力联系，分析地下水的动态变化规律，确定地下水的渗流流速、流向及地下水的补给、径流、排泄条件，在此基础上，提出可行的经济合理的防渗技术措施，并分析防渗工程可能产生的场地地质条件变化及对地基基础的影响。

通过仔细的勘探工作，对工程地基岩土层进行了详细的划分，对各岩土层渗透性能进行了准确的评价。对岩土层物理力学设计参数、防渗处理等提出了经济合理的结论和建议。

针对工程场地地质条件、工程特点和设计要求，本次勘察主要采用水文地质调查、地质物理勘探、水文地质钻探，并结合标准贯入试验、现场水文地质试验及采取原状土样、扰动土样、水样等综合手段进行勘察施工[1]。

水文勘探孔的布孔原则主要网格状布置，并在构造破碎带上下盘附近分别加密布设钻孔。主要完成的勘察工作量有：布置钻孔64个，物探剖面1100m，水文地质试验95台次等，具体详见图1。

3 水文、工程地质环境条件

3.1 地形地貌

本场区属中切割低山区，原始地形地势呈北高南低的大体趋势，最高海拔约684.34m,原始地形最低侵蚀基面标高约610m,最大高差约75m。场区原始地貌主要为残积台地间山前河谷冲洪积地貌，现场地已平整成梯状，整平标高为641.383～628.906m，呈北向南梯状展布。经开挖整平的场地最大填土高度约27m。

3.2 气象水文

龙岩地区属亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.8℃，极端高温38.4℃，极端低温-2.8℃，年日照时数1442～2043h，无霜期270～299d。降水量充沛，为本区地下水的主要补给来源，每年3～8月份为主要雨季，约占全年降雨量的75%左右，受台风影响，常会出现连续降雨或暴雨。11月至翌明1月，为旱季，雨量较小。场地多年平均降水量1681.9mm，最大降水量2495.5mm(1975年),最小降水量1188.9mm(1958年)，日最大降水量强度322mm(1965年7月28日),连续累计最大降雨量871mm，多年平均蒸发量1672.2mm。

区内水系属韩江水系上游。主要发育有梅坝溪，位于场区的西南侧，呈北向南、至东流向展布，河宽15～40m不等，河谷多呈“V”形谷，切割深、坡降大，水浅滩、不能通航。勘察期间区内多次观测平均流量约0.025m3/s。梅坝溪于溪流下游建一小型水坝，设计坝顶最高水位615m(黄海标高)，坝底最低标高约576m(黄海标高)。

3.3 地质构造

影响场地的区域断裂主要有华力西—印支构造旋回。走向以北东向、北西向断裂为主，偶见东西向断裂。根据野外调查，影响厂区的主要次生断层有：F02断层、F03断层、F06断层和F07断层等4条，详见表1。

3.4 主要岩土层

根据钻孔揭露主要地层如下，详见图2。

①素填土：浅红、浅黄色，中密—密实，湿—饱和。弱透水层，富水性较差。

②粉质粘土：浅灰色，可塑，饱和。弱透水层，富水性较差。

表1 主要断层特征表

图2 水文地质剖面图

③坡积粉质粘土：浅红、浅黄色，硬塑，湿。弱透水层，富水性较差。

④残积砂质粘性土：浅红、浅黄色，硬塑，湿—饱和。弱透水层，富水性较差。

⑤全风化似斑巨斑状花岗岩：浅红、浅黄色。透水性较差，富水性差。

⑥砂土状强风化似斑巨斑状花岗岩：浅红、浅黄色。透水性较差，富水性差。

⑦碎块状强风化似斑巨斑状花岗岩：浅黄、灰褐色，节理裂隙发育。透水性较差，富水性差。

⑧中风化似斑巨斑状花岗岩：浅红、浅灰白色。透水性一般，富水性中等。

⑨碎块状强风化辉绿岩脉：浅灰、灰褐色，节理裂隙发育。透水性较差，富水性差。

⑩中风化辉绿岩脉（βμ）：浅灰、灰绿色。透水性一般，富水性中等。

3.5 现状水文地质条件

区内水系属韩江水系上游。主要发育有梅坝溪，下游注入永定河向西南汇入韩江。按地表水水域功能划类：梅坝溪属Ⅲ类，即主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区，一般鱼类保护区和游泳区。

（1）地下水埋藏条件与性质。场区的汇水面积约1.0km2。场地内地下水可划分为四个水质地质单元，即上层滞水含水单元、松散岩类孔隙水含水单元、风化壳网状裂隙水含水单元、基岩构造裂隙水含水单元等四种。场区内的上部各含水层均为弱透水层，初见水位标高为621.84～640.62m；地下水混合水位标高621.84～606.90m；其间在抽水试验时测得基岩构造裂隙水水位标高约621.22～638.73m，该区地下水年变幅约3.00～6.00m[2]。

场区的汇水面积约A=1.0km2，当地年均降雨量为W=1681.9mm，入渗系数取a=0.20，采用降水入渗法估算地下水的日总水量。降水入渗法公式：

经计算：大致可推测出厂区地下水日总水量约为900～1000m3/d。

（2）地下水补、径、排特征。根据地质调查及水文试验结果：厂区内相对富水性区域主要分布厂区的西北角及东北角一带。厂区的北侧相对地势较高，南侧地势相对较低，出露的岩性多为残坡积土层、全—强风化岩，下部为中风化岩，导水性总体上较差。地下水总体以东、西、南沿原始地形低洼冲沟处和断裂破碎带向下游梅坝溪排泄。

（3）地下水的水化学特征。据取地表水和地下水水质分析结果分别如下：地下水为淡水，离子总量为163.69～261.14mg/L、pH值6.16～7.94，侵蚀性CO2为3.02～20.28mg/L。

4 防渗工程方案分析

4.1 岩土层渗漏性分析测试

为了确定厂区各含水层、隔水层的渗透性及影响因系和变化规律，确定主要渗漏带及帷幕线底界深度，在厂区不同地段，按不同的含水单元及岩土层，分别采用注、压和抽水试验，以测定各岩土层的水文地质参数，为厂区渗漏评价提供依据。依据《工程地质手册》第五版[3]，根据不同含水层的一般渗透性，采用不同的水文试验方法分别进行，具体如下：

（1）碎块状强风化岩层、中风化岩层、构造破碎带等主要采用抽水试验法进行。计算公式：

K=0.366Q(lgR/rw)/(H·Sw)（承压水单孔非完整井）

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

R——影响半径，m；

rw——滤管半径，m；

H——至过滤器底部的含水层深度，m；

Sw——水头降深，m。

（2）第四系岩土层及各基岩风化层等多采用分段法进行压水试验方法进行。计算公式：

式中：Q3——第三阶段的计算流量，L/min；

P3——第三阶段的试验段压力，MPa；

L——试验段长度，m。

（3）地表出露的素填土层、粘质粘土、残积土层等地段部分采用注水试验方法进行。计算公式：

式中：F——形状系数；

T——时间，min；

A——注水管内径截面积，cm2。

根据不同的水文试验方法，分别进行了15台班抽水试验、56次压水试验、24次注水试验。分别求得各岩土层的渗透性和渗透参数，为厂区渗漏评价提供依据，判定标准详见表2，试验结果见表3。

表2 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287－2008）附录J[4]

表3 各岩土层的渗透性

从试验结果上看，厂区内的各岩土层的渗透性总体属于正常值范围内。由于人工填层的成份有差异性较大，均匀性较差，压实不均，局部显示其具有中等透水性。碎块状强风化岩—中风化岩的渗透性总体较弱，但在局部地段节理裂隙有可能较为发育，其渗透性有可能出现较大的变异。故区内防渗重点是素填土层和构造破碎导水带。

4.2 厂区地下水富水区分析

根据场地原始地形地貌及地下水的主要排泄方向，厂区内的主要富水区分布多处断层走向的走廊带上，共推断有中等富水带（Ⅰ）-（Ⅳ）等4区。

中等富水带（Ⅰ）：断层影响带的渗透系数K=4.10×10-3cm/s，中等透水性，主要受F03断层构造的影响为主，同时场地的原始地形地貌也是决定其为地下水富集的主要因素之一。

中等富水带（Ⅱ）：断层影响带的渗透系数K=4.72×10-3cm/s，弱透水性，地下水的富集由F02断层构造的影响与原始地形较为低洼的共同影响造成。

中等富水带（Ⅲ）：断层影响带的渗透系数K=2.82×10-2cm/s，中等透水性，主要受F07断层构造的影响为主，同时场地的原始地形地貌也是决定其为地下水富集的主要因素之一。

中等富水带（Ⅳ）：岩土层的综合渗透系数K平均值为2.66×10-2cm/s，中等透水性。由于受到周边断层带的影响，岩体总体较为破碎，局部地段发育节理裂隙带，导水性较好，地下水易于富集。另外原始地形较为低洼，周围地下水的补给也是其地下中等富集的一个因素。

4.3 污水防渗工程措施建议

场区防渗重点是防止有毒污水向地下水渗漏与扩散及排向地表河水（梅坝溪）。故防渗工程建议采用两种措施：隔离与疏导。

（1）隔离法：在污染区地表上部设置排水导槽，槽坡和槽底铺设防渗衬材，防渗衬材应满足渗透系数K≤10×10-7cm/s的防渗要求，地表其它范围（排水导槽以外）可采用HDPE防渗膜+粘土进行水平防渗。各富水带（Ⅰ）-（Ⅳ）区的地下水排泄方向两端及其它地段需进行垂直防渗工程的地区，建议采用注浆帷幕、水泥搅拌桩、地下连续墙等方案进行截、排地下水。

（2)疏导法：即地下水下降漏斗法，渗透系数K值取2.66×10-2～2.82×10-3cm/s，降水井口径以130～200mm为宜，沿富水带条状布设疏导降水井间距建议控制在200～300m左右，重点污染地段周边应适当加密。

降水井平时可作为水位和水质监测井，一旦发现地下水受到污染，即可启动疏导方案，进行降水，将抽出的水集中处理。

同时在厂区四周外侧布置一定密度的观测井点，作长期的地下水位、水质监测及数据对比使用，以便随时掌握污水对地下水的污染状况。

5 结语

福建省紫金铜业年产20×104t铜冶炼项目防渗工程竣工已运行5年多，运行正常。经长期检测，未见因渗漏造成的对地下水、地表水污染。本次水文地质勘察所取的结论和建议是符合实际的，对甲方和设计单位所关切的岩土层渗透性、防渗处理措施等问题的结论和建议，已被工程实践证明。福建省紫金铜业年产20×104t铜冶炼项目防渗工程水文地质勘察提供了科学准备的数据，为优化设计、节省投资创造了条件，取得了良好的经济效益和社会效益。同时，也为今后同类项目在花岗岩地复杂水文地质条件下的工程建设积累了经验。