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图1 场地环境现状
Fig.1 Current situation of site environment
1.2 地层条件
依据《天津市地基土层序划分技术规程》(DB/T 29-191—2009)及水文地质勘察结果,场地地层按成因类型和沉积年代可划分为人工堆积层和第四纪松散沉积层,按地层岩性及其理化性质进一步划分为4个大层,分别是:第1大层即人工填土层,第2大层即全新统上组陆相冲积层,第3大层即全新统中组海相沉积层,第4大层即全新统下组陆相冲积层,地层特征详见表1。
表1 场地地层划分列表
Tab.1 Stratigraphic division of the site
结合渗透性对场地地层进行概化,主要概化为6层(表1),然后利用Horizon法构建了Solid三维地层实体模型(图2),可知:各地层在整个场地内基本分布连续,不同地层厚度不一,其中黏土④层在场地南侧与西南侧的分布缺失,详见地层单元纵切剖面图3。
图2 场地地层单元的三维空间展布图
Fig.2 Three dimensional spatial distribution of stratigraphic units in the site
图3 场地地层单元纵切剖面图
Fig.3 Longitudinal section of stratigraphic unit in the site
1.3 含水层特征
场地地表以下最大勘探深度范围内主要分布的浅层地下水类型为潜水,含水层整体赋存于粉砂、粉质黏土、粉土及淤泥质粉质黏土层中,其水力特性呈现微承压,其中场地南侧填埋垃圾厚度较大,已埋藏至潜水含水层中,垃圾渗滤液与下部潜水水力联系密切。据统计场地潜水含水层总厚度约为7.5~12.1 m,稳定水位埋深为2.32~6.16 m。
1.4 探查手段可行性
鉴于该场地为人工扰动的填埋场,填埋物质成分繁多且不稳定,其电性主要表现为高阻特征,下部的原状土稳定层电性特征为低阻反映,即填埋层与稳定的正常沉积层之间存在着显著的电性差异,为开展高密度电法工作提供了良好的地球物理条件;此外,场地整体较为平整,便于开展钻探勘察,即采用高密度电法为“面”与钻探法为“点”的综合探查方法对本填埋场适用。
综上,结合电阻率差异的电性模型特点,借助高密度电法物理探查方法能够查明填埋层与正常沉积层的界面,初步确定填埋层的分布情况;同时利用钻探勘察方法,对物理探查结果进行验证,最终确定填埋层的空间展布范围。
2 高密度电法以“面”无损探查
2.1 高密度电法定点测量
根据填埋场内的具体情况,高密度电法物理探查工作布置采取由北到南、从西至东的编号顺序,研究区共完成了10条剖面线的测量,各剖面线位置依据场地实际环境与工作条件等布设,长度分别为180、198、284和360 m不等,累计剖面线长度3.0 km,高密度电法剖面线布设详见图4。
图4 高密度电法剖面线实际布置图
Fig.4 Aactual layout of high density electrical profile
高密度电法采用温纳装置形式进行测量,测量点距2 m,隔离系数为1~10,保证了足够的探测深度和较高的分辨率。
2.2 高密度电法成果分析
根据图5高密度电法测量反演解释推断可知,全区地电断面特征基本一致,总体反映为近地表浅部为相对高阻层,表明了垃圾填埋层的垂向深度与水平展布情况,其中填埋层分界线详见图5。由此看出,垂向上相对高阻层多在2.1~11.0 m之间,最厚处可达14.0 m左右,初步推测是填埋层的反映,同时在不同剖面或相同剖面的不同区段,高阻异常场值及形态有较大变化,是由于填埋层的成分及埋藏厚度不等等情况造成的,呈现出填埋层极不均匀的状态特征[8]。
图5 高密度电法测量各剖面线反演解释推断图
Fig.5 Inversion, interpretation and inference of each profile line measured by high density electrical method
此外,在填埋层下方出现显著的低阻层,相应层位厚度较大,电阻率值一般在0.3~4.0 Ω·m之间,埋藏深度在地面以下3.0~15.0 m范围,主要是由富含盐碱水的淤泥质黏土等引起;再往深部的电阻率值逐渐升高,场值多在3.0~10.0 Ω.m之间甚至更高,分析认为是由于深部黏土层处于半凝结、凝结状态,其内部含水量变少,局部还有粉砂层的缘故所致,深部地层的界面相对平缓而且连续[9-10]。
根据各条剖面线上地表浅层电性异常的分布形态,用虚线对高阻异常进行了圈定,对应范围即为推断的填埋层。通过对各剖面线相交处推断填埋层对比分析,得出各剖面推断填埋层结果一致。从填埋层的反映结果得出场地各剖面线特征不尽相同,填埋层厚度不均一、成分种类繁杂,但总体分布比较连续。
借助Volxer软件利用上述所有电阻率数据模拟了场地高密度电法反演解释推断形体渲染成果图[11-12],由此可以看出场地填埋层厚度自北向南逐渐增大,其中西南部填埋层厚度分布最大,详见图6。
图6 高密度电法反演数据形体渲染成果图
Fig.6 Rendering results of high density
electrical inversion data
3 钻探法以“点”探查填埋层
研究区原为某废弃物填埋场,依据高密度电阻率推断断面结果,同时结合钻孔验证数据(勘察孔布置详见图7),初步确定杂填土层为填埋层,填埋物种类主要包括各类生活垃圾及工程堆土、建筑装饰废料、混凝土残块等建筑垃圾。
图7 钻探法勘察孔布置图
Fig.7 Layout of exploratory holes by drilling method
根据填埋层三维空间展布图8可知,平面上填埋层分布均匀,布满整个研究区;垂向上填埋层厚度不均,分别自北东向南西厚度逐渐增大;同时由填埋层厚度等值线分布特征(图9)可知,钻孔T13/T14以南的填埋厚度大于8 m,最厚处达13.5 m,而钻孔T13/T14以北的填埋厚度较小,普遍为2~4 m,即填埋厚度以钻孔T13/T14为界,南北两部分厚度发生突变,这与填埋物堆存与回填历史有关。
图8 场地填埋层的三维空间展布图
Fig.8 Three dimensional spatial distribution of
landfill layer in the site
图9 场地填埋层厚度等值线分布特征图
Fig.9 Contour distribution acteristics of
landfill thickness in the site
4 填埋层综合探查
汇总场地高密度电法反演推断成果与钻探勘察验证结果,两种手段整体上对填埋层空间分布的探查情况基本一致,分述如下:
(1)高密度电法剖面线A-A’、I-I’、G-G’、D-D’和E-E’分别穿过主要钻孔T16、T18、T5、T10和T11,垂向上高密度电法反演的填埋层深度与揭露的填埋物厚度基本一致,其中钻孔T18揭露填埋层(杂填土层)厚度为8.5 m,剖面线穿过钻孔T18位置的填埋层厚度为9.3 m,钻孔T11揭露填埋层(杂填土层)厚度为3.6 m,剖面线穿过钻孔T11位置的填埋层厚度为4.8 m,详见反演推断图5与典型钻孔柱状图10。
(2)高密度电法剖面线J-J’、C-C’分别穿过主要钻孔T23、T24,垂向上高密度电法反演的填埋层深度相对钻孔揭露的填埋物厚度较大,其中钻孔T23、T24揭露填埋层(杂填土层)厚度分别为8.0、9.5 m,剖面线穿过钻孔T23、T24位置的填埋层厚度分别为13.8、15.6 m,推测可能受地层含水率及岩性等影响,同时表明高密度电法无损探查填埋物的空间展布具有一定受限性,详见反演推断图5与典型钻孔柱状图10。
图10 场地典型钻孔柱状图
Fig.10 Site typical borehole histogram
(3)根据物探断面推断结果填埋层的平均厚度为6.80 m,场地内钻孔揭穿填埋层的累计厚度约为180.60 m,加权平均后,平均厚度约为6.65 m,两者数据非常接近,再次证实了高密度电法无损探查成果的真实性与可靠性。
5 结论
1)高密度电法测量反演解释推断结果总体反映了近地表浅部为相对高阻层,厚度多在2.1~11.0 m之间,最厚处可达14.0 m左右,初步认为是填埋层;同时在不同剖面或相同剖面的不同区段,高阻异常场值及形态有较大变化,这是由于填埋层的成分及埋藏厚度不等、成分种类繁杂等情况所造成,表现出填埋层极不均匀的状态特征,但总体分布比较连续。
2)根据钻探探查可知,平面上填埋层分布均匀,布满整个研究区;垂向上垃圾填埋厚度不均,分别自北东向南西厚度增大。
3)对比高密度电法和钻探探查垃圾填埋层的过程分析,综合考虑实际场地情况,在高密度电法精确度分析的短板上增加钻探实测,一方面可详细且精确地查明场地地层与填埋层的空间展布特征,另一方面也减少了工作量并节省了成本,对于今后的场地土壤污染调查具有一定指导意义。
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