河流沿岸搬迁化工厂区土壤原位修复降水过程研究

胡 涛 许兰生

中石化第五建设有限公司 广东广州 510145

某搬迁化工厂区土壤原位修复项目位于安徽蚌埠市淮河南岸20m 处，占地约100 亩，包括异位热脱附工程、原位热脱附工程和地下水抽出处理。需要修复的区块有71 个，需修复的土壤面积为26250.29m2，存在问题区域（需同时对水污染进行处理） 面积总计约29421.25m2，修复的土方量约为14.04 万m3，预估处理水量约30 万t。图1 和图2 分别为该项目的地下水污染分布图和土壤污染分布图。

图1 地下水污染分布图

图2 土壤污染分布图

1 地质概况

根据钻探施工，结合收集场区内前期工作成果及区域地质资料，施工区地层情况概述如下：

1.1 第四系（Q）

0～1.70m 杂填土：灰黄色、褐黄色，松散，含大量建筑垃圾、碎石，稍湿，有异味。

1.70～5.05m 粉土：淡黄色、淡褐黄色，较松散状，较湿，有异味，粉粒中含暗色粒屑，局部粘粒含量较高。

5.05～5.75m 粉质粘土：灰色、浅灰黄色，较松散状，较湿，粉粒含量较高，含云母碎片，有异味。

5.75～10.75m 粘土夹薄层粉质粘土、粉土：浅褐色、浅灰黄色，较松散- 稍密状，较湿，下部粉粒含量较高，有异味。

10.75～38.00m 粉砂、粉细砂夹薄层粘土、粉土：浅褐色、浅灰褐色，松散- 较松散，湿，饱和，主要矿物成分为长石、石英，以石英为主，暗色粒屑含量较高，多呈次棱角状，分选性较好，磨圆度一般，粒间多充填有粘粒；其中28.00～30.00m 段多见蚌壳碎片，下部细粒含量较高，局部见中细粒，有异味。

1.2 晚太古界（Ar）

38.00～38.36m 斜长片麻岩：浅灰黄色、黄褐色，变晶结构，片麻状构造，主要矿物成分为石英、斜长石，少量角闪石，具风化。

1.3 含水层组

根据钻探揭露，本场地在深度45.20m 深度范围内主要存在3 个含水层组：

（1）第一含水层组：地下水类型属潜水，主要赋存于①层杂填土和②层粉土中。本层地下水主要接受大气降水、地表水补给，易蒸发。其水位、流量随季节有明显变化。勘察期间，地下水的初见水位与稳定水位埋深基本一致，稳定水位埋深0.19～1.72m 之间，高程约为17.59～18.91m。

（2）第二含水层组：地下水类型属承压水，主要分布于④层粉细砂中，以地下水的水平径向流动补给为主。勘察期间，此层承压水初见水位埋深约为14.80～15.00m，高程约为4.28～4.55m，稳定承压水头高出④层粉细砂顶面约1.0m。

（3）第三含水层组：地下水类型属承压水，主要分布于⑥层细中砂及⑦层强风化混合花岗岩中，以地下水的水平径向流动补给为主。勘察期间，此层承压水初见水位埋深约26.80～30.40m，高程约为- 10.85～- 7.49m，稳定承压水头高出⑥层细中砂顶面约1.0m。

勘察期间属枯水期，但降雨量较大，地下水位接近年最高水位。按正常年份，蚌埠地区6～9 月份为丰水期，12 月～次年3 月份为枯水期。地下水位年变化幅度为2.00m 左右。

2 项目难点

（1）修复场地地勘资料不详实，地下无连续隔水层，与业主方提供的修复技术简本不符；地下水与淮河有直接水利联系，且污染浓度下限深度超过13m，对降水要求较高；

（2）淮河管控范围120m 内不允许建深井，开挖深度不允许超过4.5m；

（3） 特征有机污染物难处理，沸点温度高于250℃，目标污染物难挥发。

进入场地进行地质补勘后，得出场地地质模拟图（图3）。模拟图揭示，地下第二、第三含水层之间无阻隔，修复区域地下水与淮河之间存在水利联系，抽出水量会远大于设计预估量。

图3 场地地质模拟图

为更好地实施降水施工，验证场地后续降水工作的可行性，确定本场地地质条件下淮河可能的补水量、单井涌水量、实际抽水量、群井抽水量和最大抽水量等数据，进行了降水试验。

3 止水帷幕及降水井建设

为保证试验顺利进行，在降水区域外围建设止水帷幕。止水帷幕采用850＠900 的三轴水泥搅拌桩，水泥搅拌桩采用PO32.5 级水泥，水灰比为1.5～2.0，桩长23m，深入砂层，起到更好的横向阻隔作用。但纵向会有深层水在无隔水层处出现越流现象。

为加大抽水量，达到降水目的，场地内共布设12口井，井编号和深度如图4 所示。

图4 降水区域水井布置图（标识：编号- 井深）

各井参数如表1 所示。图5 为管井大样图。

表1 降水区域降水井参数

图5 管井大样图（单位：mm）

4 抽水运行

为验证抽水效率，前期根据降水效果调整井数量和水泵功率，进行了第一阶段三批次抽水试验。通过三次试验结果和对场地整体抽水的评估，再进行第二阶段的抽水试验。

4.1 第一阶段试验

4.1.1 第一次试验

各编号井按照不同功率的泵同时进行抽水，详见表2。

表2 第一次试验抽水计划

4.1.2 第二次试验

根据第一次试验，补充建4 口井，补充大功率水泵，各编号井按照不同功率的泵同时抽水，详见表3。

表3 第二次试验抽水计划

4.1.3 第三次试验

根据第二次试验，更换大功率水泵，各编号井按照不同功率的泵同时抽水，详见表4。

表4 第二次试验抽水计划

4.2 第二阶段试验

第一阶段中，因现场地质情况与场地调查报告有较大差别，水位下降达不到要求。根据第一阶段的试验结果、常规抽水试验结果和场地污染水处理工程量，经综合分析，设计出第二阶段的降水试验。

降水区域抽水量确定为约1200m3/ d，控制抽水量1200m3/ d，稳定运行至少5d，观察降水效果。

4.3 运行总结

4.3.1 第一阶段运行结果现场3 组井及2 个17m 井，匹配井出水能力的泵进行降水运行时，水位仅能控制在9.7～10.3m 左右，水量约260～487m3/ d。

4.3.2 第二阶段运行结果

运行维持抽水量约1000m3/ d，开启水泵型号和数量动态调节。第一天，开始运行12＃，增加2＃；第二天增加运行7＃和9＃；第三天增加运行5＃和11＃。初始抽提井水位在2.33～8.25m；第一、二和三天，水位逐渐呈下降趋势；第四天，水位整体呈上升趋势，水位3.96～9.6m，与前一天比有0.46～3.3m 的浮动。

4.4 抽水试验结果

施工区上覆地层为第四系粘土、粉土、粉质粘土及粉细砂，厚度38m，下伏地层为晚太古界斜长片麻岩，试验目的含水层埋深10.75 ～38.00m，厚度约27.75m。试验段为地下承压水，降水井属于承压完整井。观测井观测数据异常，仅供参考，不参与相关参数的求取。

4.4.1 按单孔稳定流抽水试验

选择公式见式（1）和式（2）。

式中：K——含水层渗透系数，m/ d；

Q——抽水井流量，m3/ d；

SW——抽水井中水位落程，m；

M——承压含水层厚度，m；

R——影响半径，m；

r——抽水井半径，m。

通过三个落程获得的落程值及对应的涌水量值，计 算 得 出 K1=8.5574m/ d，R1=152m；K2=8.1454 m/ d，R2=95m；K3=5.5442m/ d，R3=42m；含水层平均渗透系数K=8.3514，求取各水文参数见表5。

表5 水文地质参数求取一览表

4.4.2 按带一孔观测孔稳定流抽水试验

选择公式见式（3）和式（4）。

式中：K——含水层渗透系数，m/ d；

Q——抽水井流量，m3/ d；

Sw——抽水井中水位落程，m；

M——承压含水层厚度，m；

R——影响半径，m；

rw——抽水井半径，m；

r1——观测井与抽水井距离，m；

S1——观测井降深，m。

通过最大落程值及对应的涌水量值，计算得出含水层渗透系数为7.8951～9.3055m/ d，含水层平均渗透系数K=8.6003 m/ d，影响半径R=153m，经抽水实验求取各水文参数见表6。

表6 水文地质参数求取一览表

通过第二落程值及对应的涌水量值，计算得出含水层渗透系数为8.7538～10.1477m/ d，含水层平均渗透系数K=9.4508m/ d，影响半径R=102m，经抽水实验求取各水文参数见表7。

表7 水文地质参数求取一览表

通过第三落程值及对应的涌水量值，计算得出含水层渗透系数7.4134～8.8950m/ d，平均渗透系数K=8.1542m/ d，影响半径R=44m，经抽水实验求取各水文参数见表8。

表8 水文地质参数求取一览表

4.4.3 按带二孔观测孔稳定流抽水试验

选择公式见式（4）、式（5）。

式中：r1、r2——观测井与抽水井距离，m；

S1、S2——观测井降深，m。

通过三个落程获得的落程值及对应的涌水量值，计算得出含水层平均渗透系数K＞26m/ d，影响半径超过260m，数值偏大，与按单孔稳定流抽水试验及按带一孔观测孔稳定流抽水试验数据差异较大，建议在场区涌水量计算时作为参考。

综上所述，通过对单孔抽水试验及带观测孔抽水试验等条件下的渗透系数、影响半径的求取，得到降水区域地下水渗透系数为8.1542～10.1477m/ d，与区域水文地质参数相符。稳定动水位埋深11.94m、降深5.20m，时影响半径为150m 左右。

4.5 抽水量确定

4.5.1 单孔涌水量推断

结合降水区域降水情况，按本次抽水试验最大降深、第二降深抽水试验数据，静止水位埋深6.74m 时，依据《水文地质手册（第二版）》相关要求，采用插入法，假设6.26m 降深点其流量为Q2、降深6.26m 为S2，相邻两降深点分别为Q1、Q3及S1、S3，先采用公式（6）计算相邻两降深点曲度值，计算结果n=1.0467，介于1～2，为指数型。再采用公式（7）,利用已知的Q1、Q3及S1、S3求得系数a、m 及S2代入式（6）求得Q2，单孔推断出水量见表9。

表9 推断涌水量一览表

4.5.2 水跃值推断

抽水试验时，管内水位与管外水位的差为水跃值（△h），按过滤器未淹没时计算公式如式（8）所示。

动水位埋深24m 时，降深17.26m，其推断涌水量为 3421.49m3/ d； 基 岩 面 埋 深 38m，K 值 取10.1477m/ d，经计算△h 为12.82m，亦即动水位埋深降至24m 时，管外水位埋深为11.18m。

4.5.3 干扰井群涌水量推断

因降水场区形状不规则，按周长174m（委托方提供的资料），降水区域距离淮河河岸195m。根据本次抽水试验成果，对降水区涌水量进行推断。因降水区周边已施工完成23m 左右的止水帷幕，地下水条件较复杂，无成熟公式进行计算，只能参考单井涌水量计算数据、现场降水数据，按稳定流承压完整井群进行推断估算，依据水文地质手册采用公式（9）进行计算。

式中：K——渗透系数，取值10.1477m/ d；

M——含水层厚度，取值27.25m；

S——降深，取值17.26m；

R0——引用影响半径，取值195m×2=390m；r0——引用半径，取值174m/ 2п=28m；

n——干扰井群数。

经推断估算，止水帷幕范围内降水施工区（1700m2）涌水量达11390.61m3/ d。因场区内地下水条件复杂，无成熟公式，故此数值仅在后期降水区域降深水时作为参考，具体数值以实际降水时的涌水量、动水位为准。

4.6 水中污染物浓度

在降水区域抽水相对稳定期，对抽出承压水的水质检测发现，承压水COD 值为188～300mg/ L，较开始抽水时污染物浓度低，且部分井中水的检测指标低于排水要求值。

5 问题总结

（1）对施工的影响：由于本场地主要是地下施工修复，场地地勘资料不完整，对施工造成很大阻碍；

（2）地质、汛期影响：隔水层不连续以及淮河与地下水连通，汛期回补水速度过快，使得原位修复降水实施过程通过原设计抽水量基本不可能实现，除非加大抽水量才有可能实现；

（3）降水安全性：降水区域降水期间，外围距离降水区域北端约40m 处的常规抽水试验井，水位同时下降，降水水位维持在11m 左右时，外围水位达到9.5m（初始静态水位7～8m），说明降水区域抽水影响着整个外围区域的水位。