钻孔灌注桩施工过程中垃圾渗滤液对地下水的污染分析.pdf

第 26卷第 4期 岩 土 力 学 Vol.26 No.4 2005年 4月 Rock and Soil Mechanics Apr.2005 收稿日期：2004-06-02 修改稿收到日期：2004-09-09 基金项目：湖北环境岩土工程重点实验室赞助(No.T000305)。作者简介：杨明亮，男，1971 年生，博士，助理研究员，从事岩土工程方面的研究。E-mail:MLYANG 文章编号：10007598(2005)04058605 钻孔灌注桩施工过程中垃圾渗滤液 对地下水的污染分析 杨明亮1，姚海林1，冯其林2，骆行文1 (1.中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉 430071；2.武汉市环境卫生科学研究设计院，武汉 430015)摘 要：采用大直径钻孔灌注桩时，施工时会破坏现有垃圾填埋场的防渗体系，且渗滤液将对地下水造成一定程度的污染。通过对基桩施工过程中渗滤液污染传输过程以及特征进行分析，提出了包括全护筒支护、膨润土泥浆护壁以及减少钻孔成孔至灌注混凝土的间隔时间等控制污染的主要措施，建立了基桩施工过程中钻孔泥浆浆液的损失模型以及渗滤液传输到地水下中的污染物质浓度的计算模型。根据某一具体施工条件进行估算，预测了地下水中污染物质浓度以及污染程度。最后，提出了垃圾填埋场内钻孔灌注桩的施工工艺以及施工注意事项。关 键 词：垃圾渗滤液；污染；分析；钻孔灌注桩；施工 中图分类号：TU 46+1 文献标识码：A Research on groundwater pollution brought out by leachate of municipal refuse in bored pile construction YANG Ming-liang1,YAO Hai-lin1,HENG Qi-ling2,LUO Xing-wen1(1.Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China;2.Wuhan Environmental Sanitation Scientific Research&Design Institute,Wuhan 430015,China)Abstract:If the large diameter bored pile is adopted in foundation,the current leakproof system of municipal refuse landfill must be damaged,as a result,groundwater will be polluted by the leachate.Based on analyzing the process of pollutants transmission in construction,we put forward major pollution-controlled measures including whole steel tube timbering to refuse layer from top to bottom,protection on bore with bentonite mud,and reduction of interval time between bore ending and concrete grouting beginning,the loss model of slurry in bore and the calculation model of pollutant concentration brought by leachate diffusion in groundwater.Once the pollutant concentration is calculated for given constructional condition,we can forecast the pollutant concentration in groundwater and polluted degree of groundwater.The construction process of bored pile and the important construction matters needing attention are presented at last.Key words:refuse leachate;pollution;research;bored pile;construction 1 前 言 垃圾渗滤液中有毒害的污染物种类繁多浓度很高，当进行大直径钻孔灌注桩施工时，必然破坏垃圾填埋场内现有的防渗体系。渗滤液通过钻孔进入到地下水中，将对地下水造成一定程度的污染。如何对基桩施工过程中渗滤液对地下水污染过程进行分析与污染程度进行估算以及提出控制渗滤液污染地下水的措施，是垃圾填埋场内进行工程建设十分关注的重要课题之一。研究钻孔内含有污染物的泥浆液渗透到地下水中的过程，属于渗流理论中的渗透过程1。而泥浆液对环境的污染分析，这一研究课题尚缺少相关文献进行论述。本文在假定污染物质在泥浆液中的含量不变以及钻孔内泥浆浓度不变的条件下，根据渗流理论的达西定律，推导出钻孔内泥浆液的损失计算公式，从而估算出施工过程中污染物质渗透到地下水的总第 4 期 杨明亮等：钻孔灌注桩施工过程中垃圾渗滤液对地下水的污染分析 量，实现了基桩施工过程中渗滤液对地下水的污染程度进行预测和评估，提出垃的圾填埋场内灌注桩的施工工艺以及控制污染的施工注意事项和措施，对垃圾填埋场内的基桩施工具有重要指导意义。2 垃圾渗滤液的污染传输特征及模型 2.1 工程地质概况 武汉市金口垃圾填埋场剩余可容库量仅能维持半年左右，为缓解汉口垃圾处理的紧张局面，拟在现金口垃圾填埋场内建设一大型垃圾转运站。场区内土层分布为垃圾层厚 10 m，填土层厚 9 m，粘土层厚约 25 m，砂砾石层厚约 4 m，粉砂质泥岩未揭示层厚。垃圾填埋场采用粘土层作天然防渗层。砂砾石层含地下承压水与北面大面积分布该层的地下水连成一体，水头与填埋场场底高程大致相近。粘土层以上水体为潜水层，潜水层水位距填埋场顶面约 6.5 m。2.2 渗滤液的污染传输途径及控制污染主要措施 由于垃圾土是一种含有可降解有机质和大量纤维成分的疏松的无粘性的特殊软土，基桩在垃圾土层中宜采用旋挖法掘进，采用泥浆护壁时，泥浆的损失量很大，垃圾渗滤液与泥浆进行大量的离子交换，使泥浆中含有大量的污染物质，致使泥浆的品质下降，并将进一步影响泥浆护壁的效果。当钻孔进行到其它土层时，由于钻孔内泥浆的的水压大于周围土体的孔隙水压，钻孔内泥浆必然向其它土体渗透，同时在钻孔孔壁处形成泥皮，钻孔泥皮有降低泥浆液渗流能力的功能。一般而言，周围土体和泥皮的渗透系数越小，泥皮的厚度越大，泥浆液的渗流损失量就越小。填土层的水体已与垃圾渗滤液充分混合，因此，泥浆对填土层的水质无影响。粘土层渗透数系很低，且厚度大，为不透水层，因此粘土层中泥浆液的损失量可忽略。砂砾石层的渗透系数较大，泥浆液中的污染物进行入地下水体后将扩散到整个地下水系中，泥浆液的损失量越大，对地下水的污染程度就越大。在基桩施工过程中渗滤液对地下水的污染分析，主要是研究含有渗滤液污染物的钻孔泥浆对赋存于砂砾石层中的承压水体的污染。控制渗滤液的污染传输的关键在于：(1)减少渗滤液与泥浆的离子交换量，以降低钻孔泥浆中污染物质浓度以及减少泥浆品质下降；(2)降低泥浆液的渗透损失量。由此提出控制污染的主要措施：(1)在垃圾土层中钻孔采用全钢护筒支护，可降低渗滤液与泥浆的离子交换量；(2)当护筒到位时，强行排除护筒内渗液后，迅速注入膨润土泥浆液，膨润土泥浆具有较高粘度，在孔壁上易形成一层低渗透性的泥 皮，限制了泥浆的渗透损失量；(3)减少钻孔成孔至灌注混凝土的间隔时间，可减少泥浆的渗透损失量。通过这些措施可降低渗滤液对地下水体的污染。2.3 渗滤液的污染传输模型 2.3.1 泥浆液的损失模型 泥浆是固相粘粒和液相浆液构成，浆液中含有渗滤液的污染物质。泥浆中的浆液在正压差作用下向砂砾层渗透，泥浆的粘粒与砂砾土颗粒相互吸引粘附在一起，减少了钻孔孔壁周围的砂砾土层的孔隙率，使渗透系数降低，从而在钻孔壁上形成一层泥浆过滤后的沉淀物即泥皮，随着泥皮厚度的不断增加，使泥浆中浆液渗透到砂砾层中的速度大大降低。本文在推导浆液损失模型时假定：(1)在渗透过程中，泥浆中的浆液与粘粒的体积比不变；(2)粘粒在泥浆与砂砾层界面处进行沉积，泥皮的粘粒总量为泥浆损失粘粒总量；(3)泥皮形成过程中，渗透系数保持稳定不变；(4)钻孔内泥浆压力与砂土层孔隙水的压力差保持不变。图 1 泥皮形成示意图 Fig.1 Sketch map of mud-skin growth 渗滤时间为 t，泥皮厚度为 h，若时间增长 dt时，泥皮厚度增加量为 dh，则在 dt 时间段内，浆液损失量为()()2dpd2pdhLhLhDtq=(1)式中 q 为渗透历时 t 时浆液的渗透速率；D 为钻孔直径；L 为砂砾石层厚度。当 2 h D 时，且忽略式(1)中含有(dh)2的计算587 岩 土 力 学 2005 年 项后，式(1)可简化为 DLqthpdd=(2)根据达西定律，当时间为 t 时泥皮厚度为 h，浆液通过速率 q，则有 qHrrHkDLh2w1wp=(3)式中 H1为钻孔泥浆的水头；r 为泥浆密度；为泥浆粘度；H2为地下承压水的水头；rw为水密度；w为水粘度；k 为泥皮的渗透系数。同时，求导 tqqHrrHkDLthddpdd22w1w=(4)将式(2)和式(4)联立，并积分得：()=2)(;2p2w1w2w1wtHrrHkthtHrrHkDLq (5)当渗滤历时为 t 时，浆液的损失总量 V 为()tHrrHkDLtqtVt 2pd)(2w1w 0 =(6)2.3.2地下水体的污染物质浓度计算模型 垃圾渗滤液的污染物质浓度为 C0，强排后护筒内剩余的渗滤液与泥浆充分混和，即污染物质浓度被稀释，泥浆中的污染物质随浆液渗透到地下承压水体中，污染物质浓度进一步被稀释。因此，渗滤液中污染物质传输到地下承压水体后，地下水中污染离子浓度 C 的计算公式如下：0121 ;VCKCCCC=+=(7)式中 C0为渗滤液中离子浓度；C1为地下水中污染物新增浓度；C2为地下水中污染物初始浓度；K为稀释系数；V 为施工过程中单桩泥浆液损失总量。稀释系数K按下式计算：()HnALNhK01+=(8)式中 h0为注入膨润土泥浆时渗滤液在护筒内的深度；H 为桩长；N 为场内总桩数；A 为拟建场区总面积；n 为中密砾砂孔隙率。由式(7)、式(8)可知：(1)当钻孔的孔径及砂砾层厚为定值时，渗滤液在护筒内残留量越大，对地下水的污染越大，采取强排措施减少渗滤液的残留量是控制污染的关键；(2)泥浆液的损失量随渗滤历时增加而增加，地下水的污染物浓度也随之增加，因此，减少渗滤历时是控制地下水污染的重要措 施。(3)泥浆液的损失量随泥皮的渗透系数降低而降低，因此采用品质较好的造浆材料，也是控制地下水污染的重要措施之一。3 模型求解及计算结果分析 3.1 膨润土泥浆的相关参数的确定 泥皮的渗透系数 k 与造浆用的膨润土材料性质有关，与膨润土的掺合量或泥浆的密度和粘度无 关。泥浆粘度与膨润土材料性质和掺合量或泥浆的密度相关。一般地，当膨润土材料选定后，泥浆粘度随膨润土的掺入量或泥浆的密度增加而成倍数增加。根据王庆伟等在吉林油田现场测试膨润土泥浆液的各项指标2，可以得出膨润土泥浆的密度和塑性粘度呈线性关系，拟合公式为=99.0 26.103.1 ,47.3556.412Rrr (9)式中 为泥浆粘度(mPas)，其他符号意义同前。泥浆中浆液与粘粒的体积比与泥浆的密度相关公式如下：()()()1 dwswwsw1=rrdrrrdrr (10)式中 r1为掺入膨润土的湿密度；rd为掺入膨润土的干密度；ds为膨润土的比重。3.2 泥皮的厚度及单桩的浆液损失量分析 取 r1=2.01 g/cm3，rd=1.61 g/cm3，ds=2.76，k=10-6 cm/s；rw=1.0 g/cm3，w=1 mPas；D=1 m，H1=42 m，H2=32 m。根据不同的膨润土掺合量确定 2 种不同的计算条件。计算条件 A：r=1.04，=7.8 mPas 计算条件 B：r=1.10，=10.2 mPas 根据式(6)和式(7)计算钻孔内泥皮厚度及单桩浆液损失量随渗滤时间 t 的关系，结果见表 1。表 1 不同条例下泥皮厚度及浆液损失量 Table 1 The thickness of mud-skin and loss capacity of slurry in different conditions t/h 计算条件 0.5 1 2 4 8 12 24 h/mm 0.96 1.35 1.92 2.71 3.83 4.69 6.63 A V/m3 0.72 1.01 1.13 2.03 2.87 3.51 4.97 h/mm 1.49 2.11 2.98 4.21 5.96 7.29 10.32 B V/m3 0.43 0.61 0.87 1.23 1.74 2.13 3.01 588 第 4 期 杨明亮等：钻孔灌注桩施工过程中垃圾渗滤液对地下水的污染分析 由表 1 可知：(1)泥皮厚度的量级为 mm，其值远小于钻孔直径。因此，本文公式推导过程中，将D-2h 近似为 D 是合理的；(2)泥浆的密度越大，单位时间内泥皮的厚度越大，单桩浆液的损失量越小；(3)渗滤历时越小，泥皮的厚度越小，单桩浆液的损失量越小。但是，泥皮的厚度较厚时将降低基桩的承载力3。因此，采取提高泥浆品质、增加膨润土的掺量和缩短渗滤历时，对控制渗滤液的污染和提高桩的承载力有重要意义。3.3 施工中地下水污染指标新增浓度 取拟建场区面积 A=6 700 m2，施工基桩总数N=250 根，中密砾砂孔隙率 n=41.2%，钻孔内残留渗滤液的高度取 1 m。垃圾渗滤液污染物种类很多，浓度高且变化范围很大3。生活垃圾填埋场垃圾渗滤液排放控制项目为：悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）和大肠菌值。渗滤液污染指标初始浓度取值见表 24。表 2 渗滤液污染物浓度 Table 2 The pollutant concentration of refuse leachate 指标 悬浮物/mgL-1 BOD5/mgL-1 CODcr/mgL-1 氨氮/mgL-1 大肠菌值/个(10-3L)-1 C0 7 000 73 000 90 000 10 000 230 根据式(7)、式(8)计算不同条件下各项污染指标的浓度增加值，结果见表 3。表 3 施工中地下水污染指标新增浓度 Table 3 The pollutant additional concentration of groundwater in construction 指标 条件时间/h 悬浮物/mgL-1 BOD5/mgL-1 CODcr/mgL-1 氨氮/mgL-1 大肠菌值/个(10-3L)-14 2.61 27.17 33.50 3.72 0.09 8 3.19 33.28 41.03 4.56 0.10 12 4.51 47.06 58.02 6.45 0.15 A 24 6.38 66.56 82.06 9.12 0.21 4 1.54 16.06 19.80 2.20 0.05 8 2.18 22.72 28.01 3.11 0.07 12 2.67 27.82 34.30 3.81 0.09 B 24 3.77 39.35 48.51 5.39 0.12 4 施工中渗滤液对地下水污染的评价 4.1 渗滤液对地下水污染的评价标准 本文拟采用中华人民共和国国家标准生活垃圾填埋污染控制标准(GB168891997)5中生活垃圾渗滤液排放限值分级进行渗滤液的污染评价。渗滤液污染指标排放限值见表 4。表 4 渗滤液处理后排放限值 Table 4 The pollutant discharge standard of refuse leachate 指标 悬浮物/mgL-1 BOD5/mgL-1 CODcr/mgL-1 氨氮/mgL-1 大肠菌值/个(10-3L)-1 一级 70 30 100 15 0.010.1 二级 200 150 300 25 0.010.1 三级 400 600 1 000 金口垃圾填埋场附近水域主要用于农业，根据地面水环境质量标准(GB383888)6，属于类地面水水域。对排入、类水域的生活垃圾渗滤液，其排放限值执行表 4 中的二级指标值。因此在施工过程中，地下水中污染指标浓度增加值低于一级排放标准时，可视为无污染；在一级和二级排放限值之间为轻微污染；超过二级排放限值时为较严重污染。4.2 地下水污染评价 由表 3、表 4 可知：在条件 A 情况下：当渗滤历时 t4 h时，地下水污染指标新增浓度低于国家一级排放限值；当 t4 h 时，BOD5大于一级排放限值，而大肠菌值大于二级排放限值。在条件B情况下：当渗滤历时 t12 h时，地下水污染物指标新增浓度低于国家一级排放限值；当 t12 h时，BOD5大于一级排放限值，而大肠菌值大于二级排放限值。因此，基桩施工过程中如果采用条件 A 时，泥浆在砂砾石层中的渗滤历时应低于 4 h；而采用条件B时，泥浆在砂砾石层中的渗滤历时应低于 12 h。5 基桩的施工工艺设计及施工注意事项 根据以上分析，针对渗滤液的污染传输途径，提出如下的基桩施工工艺。场地平整、放样、桩机就位用旋挖孔法将桩基所对应的部位的垃圾挖除，挖孔深度至填土层12 m 中下钢护筒抽出护筒内渗滤液迅速注入膨润土泥浆液钻孔至拟定深度，成孔清孔下钢筋笼混凝土浇注，成桩桩机移至下一桩位。施工注意事项有：(1)施工前应对造浆用的膨润土进行试验，确定其密度、比重、渗透系数，经计算确定其泥浆的浓度后，确定膨润土的掺合比。(2)施工前，建立场区地下水水质变化监测点，并监测地下水在各个时期的水质状况，一旦地下水出现较严重污染时，应停止基桩施工，分析原因，加强施工监理和调整施工参数。589 岩 土 力 学 2005 年 (3)施工时，钢护筒必须放至指定位置。强排护筒内渗滤液时，应尽量减少护筒内渗滤液残留量，同时缩短泥浆的注入时间。(4)施工时，注意测试钻孔浆液中污染物质的浓度，并检测泥浆的浓度以及粘度，以调整膨润土的掺合比，并计算成孔后最大停顿时间，以便施工时控制。6 结 语(1)在泥皮尚未形成时，主要是砾砂层阻止滤液损失，而不是式（5）计算得到的无限大的渗透速度；当泥皮形成后，泥皮的渗透阻力远大于砾砂层的阻力，砾砂层对滤液损失的影响很小。在泥浆液的损失模型中，不计算中密砾砂层对滤液损失量的影响，滤液损失量计算值偏大。(2)一般地，基桩施工不是同时施工完毕，地下水体的污染物质浓度计算模型中，只考虑浓度稀释的影响，未考虑污染物质在水中的自由传播速度，其结果与实际情况相差很大，按本文的模型计算，其结果远大于地下水中污染物浓度的真实值。(3)根据以上两点讨论，按本文所提的计算模型，计算地下水中污染物质浓度，进行地下水污染评价，其结果偏于严重，用于指导施工其安全性较高。(4)在垃圾土层中应采用全护筒支护，护筒到位时，强行排出护筒内的渗滤液后，应立即注入泥浆，这是控制渗滤液污染地下水体的关键。(5)采用膨润土进行造浆，泥皮的渗透系数低于一般粘土，适当增大泥浆的密度可成倍地增加泥 浆液的粘度，能有效降低泥液的损失量。施工期间尽量缩短泥浆的渗透历时，这不仅能有效降低泥浆的损失量，而且能减小泥皮的厚度，有利于提高基桩的承载能力。(6)根据垃圾渗滤液的污染物浓度，当各种钻孔参数和地层信息被确定时，可以最终确定低于某排放限值情况下泥浆的密度及施工时间等重要施工参数。它们严重制约了填埋场内桩基的施工工艺、技术水平以及工程造价。本文处于研究的初步阶段，分析计算模型相当简单，只适宜大致估算和初步分析，需要进一步的试验和监测来验证和完善研究结果。参 考 文 献 1 A E Scheidegger.多孔介质中的渗流物理M.王鸿勋,张朝琛,孙书琛译.s.l.:s.n.,1982.2 王庆伟,崔运成,宣立富.钻井液用膨润土研制J.非金属矿,2000,23(6):2930.3 顾晓鲁,钱鸿缙,刘惠珊,等.地基与基础M.北京:中国建筑工业出版社,1995.4 喻晓,张甲耀.垃圾渗滤液特性及其处理技术研究和应用趋势J.环境保护科学与技术,2002,25(5):43 45.YU Xiao,ZHANG Jia-yao.Pollution characteristics of landfill leachate and application trends of its treating technologyJ.Environmental Science and Technology,2002,25(5):4345.5 GB168891997,生活垃圾填理污染控制标准S.6 GB383888,地面水环境质量标准S.上接第 579 页 6 结 语 本文以土的塑性理论为基础，研究了作用于疏排桩上的土压力。从桩-土相互作用的机理出发，研究了疏排桩在土钉墙基坑支护中的抗滑效应，详细地介绍了疏排桩抗滑作用的计算方法，通过理论分析可得以下结论：(1)位于淤泥土地层中的土钉墙基坑支护结构，当设置疏排桩时，土钉墙的整体稳定性安全系数得到明显提高，本文的工程实例中提高了20.6%。(2)由工程实例可知，疏排桩在土钉墙基坑支护中的抗滑效应是巨大的，本文的设计理论建立在土的塑性理论基础上，并得到工程实例的验证，若在工程实践中利用本文所述方法，不仅可大大降低工程造价，而且有利于提高土钉墙的设计水准。参 考 文 献 1 Ito T,Matsui T.Methods to estimate lateral force acting on stabilizing pilesJ.Soils and Foundations,1975,15(4):4359.2 Tanotsu Matusi,Won Pyo Hong,Tomio Ito.Earth pressures on piles in a row due to lateral soil movements J.Soils and Foundations,1982,22(2):7180.3 JGJ12099,建筑基坑支护技术规程S.4 屠毓敏.土钉支护中超前锚杆的工作机理研究J.岩土力学,2003,24(3):198201.TU Yu-min.Study on working mechanism of forepoling bolts in soil nailing protectionJ.Rock and Soil Mechanics,2003,24(3):198201.590