福建省紫金銅業(yè)銅冶煉項(xiàng)目廢水防滲工程水文地質(zhì)勘察手段探析

魏 強(qiáng)

（福建省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察研究院，福建漳州363000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，人們對(duì)地下水污染防治要求進(jìn)一步提高，特別是對(duì)重金屬加工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)被用過(guò)而受到污染的廢水，應(yīng)進(jìn)行必要的防滲處理，以防止?jié)B入地下而污染地下水。因此在前期的勘察設(shè)計(jì)中，就應(yīng)該充分考慮到地下水防滲工程的重要性，制定出有針對(duì)性的水文勘察方案，確定場(chǎng)區(qū)含水層及隔水層的埋藏條件、分析地下水的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，確定地下水的滲流、流向及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件等，并提出相應(yīng)準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)、防滲技術(shù)方案，供防滲工程設(shè)計(jì)使用。

1 工程概況

福建省紫金銅業(yè)年產(chǎn)20×104t銅冶煉項(xiàng)目廠區(qū)，包括生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、辦公區(qū)等數(shù)十幢建（構(gòu)）筑物，總占地面積約60×104m2。場(chǎng)地整平標(biāo)高為641.383～628.906m，呈北向南梯狀展布。廠區(qū)所生產(chǎn)排放出的多為酸性廢水，若滲漏將會(huì)造成對(duì)地下水、地表水污染；另外，生產(chǎn)廢渣堆存不當(dāng)也會(huì)造成土壤污染。廠區(qū)的主要污染區(qū)域?yàn)閮粢很?chē)間、電解車(chē)間等，位于場(chǎng)區(qū)的西北側(cè)。

2 勘察目的與手段

查明廠區(qū)場(chǎng)地含水層及隔水層的埋藏條件，地下水類型、分布，查明廠區(qū)地下水及梅壩溪的水力聯(lián)系，分析地下水的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，確定地下水的滲流流速、流向及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，在此基礎(chǔ)上，提出可行的經(jīng)濟(jì)合理的防滲技術(shù)措施，并分析防滲工程可能產(chǎn)生的場(chǎng)地地質(zhì)條件變化及對(duì)地基基礎(chǔ)的影響。

通過(guò)仔細(xì)的勘探工作，對(duì)工程地基巖土層進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，對(duì)各巖土層滲透性能進(jìn)行了準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。對(duì)巖土層物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)、防滲處理等提出了經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)論和建議。

針對(duì)工程場(chǎng)地地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，本次勘察主要采用水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)物理勘探、水文地質(zhì)鉆探，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)及采取原狀土樣、擾動(dòng)土樣、水樣等綜合手段進(jìn)行勘察施工[1]。

水文勘探孔的布孔原則主要網(wǎng)格狀布置，并在構(gòu)造破碎帶上下盤(pán)附近分別加密布設(shè)鉆孔。主要完成的勘察工作量有：布置鉆孔64個(gè)，物探剖面1100m，水文地質(zhì)試驗(yàn)95臺(tái)次等，具體詳見(jiàn)圖1。

3 水文、工程地質(zhì)環(huán)境條件

3.1 地形地貌

本場(chǎng)區(qū)屬中切割低山區(qū)，原始地形地勢(shì)呈北高南低的大體趨勢(shì)，最高海拔約684.34m,原始地形最低侵蝕基面標(biāo)高約610m,最大高差約75m。場(chǎng)區(qū)原始地貌主要為殘積臺(tái)地間山前河谷沖洪積地貌，現(xiàn)場(chǎng)地已平整成梯狀，整平標(biāo)高為641.383～628.906m，呈北向南梯狀展布。經(jīng)開(kāi)挖整平的場(chǎng)地最大填土高度約27m。

3.2 氣象水文

龍巖地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫19.8℃，極端高溫38.4℃，極端低溫-2.8℃，年日照時(shí)數(shù)1442～2043h，無(wú)霜期270～299d。降水量充沛，為本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，每年3～8月份為主要雨季，約占全年降雨量的75%左右，受臺(tái)風(fēng)影響，常會(huì)出現(xiàn)連續(xù)降雨或暴雨。11月至翌明1月，為旱季，雨量較小。場(chǎng)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)，日最大降水量強(qiáng)度322mm(1965年7月28日),連續(xù)累計(jì)最大降雨量871mm，多年平均蒸發(fā)量1672.2mm。

區(qū)內(nèi)水系屬韓江水系上游。主要發(fā)育有梅壩溪，位于場(chǎng)區(qū)的西南側(cè)，呈北向南、至東流向展布，河寬15～40m不等，河谷多呈“V”形谷，切割深、坡降大，水淺灘、不能通航?？辈炱陂g區(qū)內(nèi)多次觀測(cè)平均流量約0.025m3/s。梅壩溪于溪流下游建一小型水壩，設(shè)計(jì)壩頂最高水位615m(黃海標(biāo)高)，壩底最低標(biāo)高約576m(黃海標(biāo)高)。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

影響場(chǎng)地的區(qū)域斷裂主要有華力西—印支構(gòu)造旋回。走向以北東向、北西向斷裂為主，偶見(jiàn)東西向斷裂。根據(jù)野外調(diào)查，影響廠區(qū)的主要次生斷層有：F02斷層、F03斷層、F06斷層和F07斷層等4條，詳見(jiàn)表1。

3.4 主要巖土層

根據(jù)鉆孔揭露主要地層如下，詳見(jiàn)圖2。

①素填土：淺紅、淺黃色，中密—密實(shí)，濕—飽和。弱透水層，富水性較差。

②粉質(zhì)粘土：淺灰色，可塑，飽和。弱透水層，富水性較差。

表1 主要斷層特征表

圖2 水文地質(zhì)剖面圖

③坡積粉質(zhì)粘土：淺紅、淺黃色，硬塑，濕。弱透水層，富水性較差。

④殘積砂質(zhì)粘性土：淺紅、淺黃色，硬塑，濕—飽和。弱透水層，富水性較差。

⑤全風(fēng)化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺黃色。透水性較差，富水性差。

⑥砂土狀強(qiáng)風(fēng)化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺黃色。透水性較差，富水性差。

⑦碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化似斑巨斑狀花崗巖：淺黃、灰褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育。透水性較差，富水性差。

⑧中風(fēng)化似斑巨斑狀花崗巖：淺紅、淺灰白色。透水性一般，富水性中等。

⑨碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖脈：淺灰、灰褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育。透水性較差，富水性差。

⑩中風(fēng)化輝綠巖脈（βμ）：淺灰、灰綠色。透水性一般，富水性中等。

3.5 現(xiàn)狀水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)水系屬韓江水系上游。主要發(fā)育有梅壩溪，下游注入永定河向西南匯入韓江。按地表水水域功能劃類：梅壩溪屬Ⅲ類，即主要適用于集中式生活飲用水水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，一般魚(yú)類保護(hù)區(qū)和游泳區(qū)。

（1）地下水埋藏條件與性質(zhì)。場(chǎng)區(qū)的匯水面積約1.0km2。場(chǎng)地內(nèi)地下水可劃分為四個(gè)水質(zhì)地質(zhì)單元，即上層滯水含水單元、松散巖類孔隙水含水單元、風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水含水單元、基巖構(gòu)造裂隙水含水單元等四種。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的上部各含水層均為弱透水層，初見(jiàn)水位標(biāo)高為621.84～640.62m；地下水混合水位標(biāo)高621.84～606.90m；其間在抽水試驗(yàn)時(shí)測(cè)得基巖構(gòu)造裂隙水水位標(biāo)高約621.22～638.73m，該區(qū)地下水年變幅約3.00～6.00m[2]。

場(chǎng)區(qū)的匯水面積約A=1.0km2，當(dāng)?shù)啬昃涤炅繛閃=1681.9mm，入滲系數(shù)取a=0.20，采用降水入滲法估算地下水的日總水量。降水入滲法公式：

經(jīng)計(jì)算：大致可推測(cè)出廠區(qū)地下水日總水量約為900～1000m3/d。

（2）地下水補(bǔ)、徑、排特征。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及水文試驗(yàn)結(jié)果：廠區(qū)內(nèi)相對(duì)富水性區(qū)域主要分布廠區(qū)的西北角及東北角一帶。廠區(qū)的北側(cè)相對(duì)地勢(shì)較高，南側(cè)地勢(shì)相對(duì)較低，出露的巖性多為殘坡積土層、全—強(qiáng)風(fēng)化巖，下部為中風(fēng)化巖，導(dǎo)水性總體上較差。地下水總體以東、西、南沿原始地形低洼沖溝處和斷裂破碎帶向下游梅壩溪排泄。

（3）地下水的水化學(xué)特征。據(jù)取地表水和地下水水質(zhì)分析結(jié)果分別如下：地下水為淡水，離子總量為163.69～261.14mg/L、pH值6.16～7.94，侵蝕性CO2為3.02～20.28mg/L。

4 防滲工程方案分析

4.1 巖土層滲漏性分析測(cè)試

為了確定廠區(qū)各含水層、隔水層的滲透性及影響因系和變化規(guī)律，確定主要滲漏帶及帷幕線底界深度，在廠區(qū)不同地段，按不同的含水單元及巖土層，分別采用注、壓和抽水試驗(yàn)，以測(cè)定各巖土層的水文地質(zhì)參數(shù)，為廠區(qū)滲漏評(píng)價(jià)提供依據(jù)。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》第五版[3]，根據(jù)不同含水層的一般滲透性，采用不同的水文試驗(yàn)方法分別進(jìn)行，具體如下：

（1）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層、構(gòu)造破碎帶等主要采用抽水試驗(yàn)法進(jìn)行。計(jì)算公式：

K=0.366Q(lgR/rw)/(H·Sw)（承壓水單孔非完整井）

式中：Q——抽水井流量，m3/d；

R——影響半徑，m；

rw——濾管半徑，m；

H——至過(guò)濾器底部的含水層深度，m；

Sw——水頭降深，m。

（2）第四系巖土層及各基巖風(fēng)化層等多采用分段法進(jìn)行壓水試驗(yàn)方法進(jìn)行。計(jì)算公式：

式中：Q3——第三階段的計(jì)算流量，L/min；

P3——第三階段的試驗(yàn)段壓力，MPa；

L——試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m。

（3）地表出露的素填土層、粘質(zhì)粘土、殘積土層等地段部分采用注水試驗(yàn)方法進(jìn)行。計(jì)算公式：

式中：F——形狀系數(shù)；

T——時(shí)間，min；

A——注水管內(nèi)徑截面積，cm2。

根據(jù)不同的水文試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行了15臺(tái)班抽水試驗(yàn)、56次壓水試驗(yàn)、24次注水試驗(yàn)。分別求得各巖土層的滲透性和滲透參數(shù)，為廠區(qū)滲漏評(píng)價(jià)提供依據(jù)，判定標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287－2008）附錄J[4]

表3 各巖土層的滲透性

從試驗(yàn)結(jié)果上看，廠區(qū)內(nèi)的各巖土層的滲透性總體屬于正常值范圍內(nèi)。由于人工填層的成份有差異性較大，均勻性較差，壓實(shí)不均，局部顯示其具有中等透水性。碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖—中風(fēng)化巖的滲透性總體較弱，但在局部地段節(jié)理裂隙有可能較為發(fā)育，其滲透性有可能出現(xiàn)較大的變異。故區(qū)內(nèi)防滲重點(diǎn)是素填土層和構(gòu)造破碎導(dǎo)水帶。

4.2 廠區(qū)地下水富水區(qū)分析

根據(jù)場(chǎng)地原始地形地貌及地下水的主要排泄方向，廠區(qū)內(nèi)的主要富水區(qū)分布多處斷層走向的走廊帶上，共推斷有中等富水帶（Ⅰ）-（Ⅳ）等4區(qū)。

中等富水帶（Ⅰ）：斷層影響帶的滲透系數(shù)K=4.10×10-3cm/s，中等透水性，主要受F03斷層構(gòu)造的影響為主，同時(shí)場(chǎng)地的原始地形地貌也是決定其為地下水富集的主要因素之一。

中等富水帶（Ⅱ）：斷層影響帶的滲透系數(shù)K=4.72×10-3cm/s，弱透水性，地下水的富集由F02斷層構(gòu)造的影響與原始地形較為低洼的共同影響造成。

中等富水帶（Ⅲ）：斷層影響帶的滲透系數(shù)K=2.82×10-2cm/s，中等透水性，主要受F07斷層構(gòu)造的影響為主，同時(shí)場(chǎng)地的原始地形地貌也是決定其為地下水富集的主要因素之一。

中等富水帶（Ⅳ）：巖土層的綜合滲透系數(shù)K平均值為2.66×10-2cm/s，中等透水性。由于受到周邊斷層帶的影響，巖體總體較為破碎，局部地段發(fā)育節(jié)理裂隙帶，導(dǎo)水性較好，地下水易于富集。另外原始地形較為低洼，周?chē)叵滤难a(bǔ)給也是其地下中等富集的一個(gè)因素。

4.3 污水防滲工程措施建議

場(chǎng)區(qū)防滲重點(diǎn)是防止有毒污水向地下水滲漏與擴(kuò)散及排向地表河水（梅壩溪）。故防滲工程建議采用兩種措施：隔離與疏導(dǎo)。

（1）隔離法：在污染區(qū)地表上部設(shè)置排水導(dǎo)槽，槽坡和槽底鋪設(shè)防滲襯材，防滲襯材應(yīng)滿足滲透系數(shù)K≤10×10-7cm/s的防滲要求，地表其它范圍（排水導(dǎo)槽以外）可采用HDPE防滲膜+粘土進(jìn)行水平防滲。各富水帶（Ⅰ）-（Ⅳ）區(qū)的地下水排泄方向兩端及其它地段需進(jìn)行垂直防滲工程的地區(qū)，建議采用注漿帷幕、水泥攪拌樁、地下連續(xù)墻等方案進(jìn)行截、排地下水。

（2)疏導(dǎo)法：即地下水下降漏斗法，滲透系數(shù)K值取2.66×10-2～2.82×10-3cm/s，降水井口徑以130～200mm為宜，沿富水帶條狀布設(shè)疏導(dǎo)降水井間距建議控制在200～300m左右，重點(diǎn)污染地段周邊應(yīng)適當(dāng)加密。

降水井平時(shí)可作為水位和水質(zhì)監(jiān)測(cè)井，一旦發(fā)現(xiàn)地下水受到污染，即可啟動(dòng)疏導(dǎo)方案，進(jìn)行降水，將抽出的水集中處理。

同時(shí)在廠區(qū)四周外側(cè)布置一定密度的觀測(cè)井點(diǎn)，作長(zhǎng)期的地下水位、水質(zhì)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)對(duì)比使用，以便隨時(shí)掌握污水對(duì)地下水的污染狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

福建省紫金銅業(yè)年產(chǎn)20×104t銅冶煉項(xiàng)目防滲工程竣工已運(yùn)行5年多，運(yùn)行正常。經(jīng)長(zhǎng)期檢測(cè)，未見(jiàn)因滲漏造成的對(duì)地下水、地表水污染。本次水文地質(zhì)勘察所取的結(jié)論和建議是符合實(shí)際的，對(duì)甲方和設(shè)計(jì)單位所關(guān)切的巖土層滲透性、防滲處理措施等問(wèn)題的結(jié)論和建議，已被工程實(shí)踐證明。福建省紫金銅業(yè)年產(chǎn)20×104t銅冶煉項(xiàng)目防滲工程水文地質(zhì)勘察提供了科學(xué)準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)省投資創(chuàng)造了條件，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，也為今后同類項(xiàng)目在花崗巖地復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的工程建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。