王旭明，馬若龍，劉現(xiàn)鋒，李志敬，胡文哲

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450003)

1 引 言

隨著我國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加速，人們的物質(zhì)生活日漸豐富，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量的生活垃圾，相伴產(chǎn)生的垃圾填埋場(chǎng)數(shù)量也迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至 2013年底，國(guó)內(nèi)已有垃圾填埋場(chǎng)1 549座，其中約380座分布在河網(wǎng)較為密集地區(qū)[1]。填埋垃圾產(chǎn)生的滲濾液成分復(fù)雜，污染物和有毒物質(zhì)含量極高，一旦發(fā)生滲濾液滲漏，會(huì)嚴(yán)重危害所在地區(qū)生活環(huán)境和人民的生命安全[2]。因此查明垃圾填埋場(chǎng)的滲漏問(wèn)題，為污染評(píng)估和治理提供依據(jù)，其應(yīng)用研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

地球物理勘探方法在填埋場(chǎng)滲漏通道探測(cè)中一直扮演著重要的角色，其中地震法、高密度電阻率法、常規(guī)電法、電磁法和井中 CT 等是滲漏探測(cè)常用的物探方法。由于填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同，以及滲漏程度的不同，致使常用的各種滲漏探測(cè)方法都有其多解性與局限性。地震折射法受制于下層介質(zhì)波速大于上覆介質(zhì)波速條件和邊界效應(yīng)的影響；面波法雖不受波阻抗差異的約束，但其探測(cè)深度僅為其波長(zhǎng)的一半；高密度電阻率法受介質(zhì)接地條件的影響較大，同時(shí)其探測(cè)深度受制于測(cè)線的長(zhǎng)度；自然電場(chǎng)法易受測(cè)區(qū)內(nèi)游散電流的干擾；充電法只能探測(cè)出滲漏通道的平面位置，深度信息較少；地質(zhì)雷達(dá)法受電磁波衰減嚴(yán)重的限制，有效探測(cè)深度有限；瞬變電磁法探測(cè)分辨率較低且存在探測(cè)盲區(qū)，無(wú)法探測(cè)較淺和較小的滲漏異常；常用彈性波和電磁波CT是有損探測(cè)技術(shù)，需要多對(duì)鉆孔，且必須滿足滲漏通道通過(guò)鉆孔之間的條件[3-9]。由此可見(jiàn)，任何物探方法均不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)滲漏通道較快速、較精確的探測(cè)。

為避免單一物探技術(shù)的局限性和多解性，準(zhǔn)確查明垃圾填埋場(chǎng)滲漏通道的問(wèn)題。本文以某垃圾填埋場(chǎng)垃圾擋壩滲漏通道的成功探測(cè)為例，在綜合分析常用探測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合采用高密度電阻率法、充電法和瞬態(tài)面波法等常用物探方法進(jìn)行探測(cè)，不同方法互為補(bǔ)充、彼此驗(yàn)證、去偽存真，解決了單一物探成果的局限性和多解性難題，較為準(zhǔn)確地查明了大壩滲漏通道的位置和缺陷特性，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)相似滲漏問(wèn)題的地球物理方法選取有一定的借鑒意義[10-14]。

2 工程概況

某填埋場(chǎng)位于丘陵地帶自然形成的山洼中，總庫(kù)容量180萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)使用年限13年。垃圾擋壩依山勢(shì)而建，縱斷面為半月形，橫斷面為梯形，壩長(zhǎng)約123 m，壩頂標(biāo)高97.0 m，最大壩高17.5 m。大壩上、下游坡比均為1∶1.5，在下游壩坡93 m、89 m、85 m的高程處各設(shè)一馬道，馬道寬2 m。壩體采用堆土壩，材料為庫(kù)區(qū)底部整理時(shí)清理出的浮土(主要由第四系黏性土及風(fēng)化石英片巖組成)，壩基為石英巖。另外，上游壩坡表面高密度聚乙烯膜鋪至壩頂，以增強(qiáng)壩體防滲。

2019年8月日常巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)，該填埋場(chǎng)垃圾擋壩下游壩坡坡腳高程約80 m處出現(xiàn)一明顯的滲漏點(diǎn)，其附近亦出現(xiàn)面積約為10 m2的散浸區(qū)，且滲漏量隨著水位的降低而減小。由于滲瀝液成分復(fù)雜且具有高污染性，為防止因滲漏造成大壩潰塌和出現(xiàn)重大環(huán)境污染事件，開(kāi)展了垃圾處理場(chǎng)垃圾擋壩滲漏通道的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作。

圖1 壩體橫剖面Fig.1 Dam cross section

圖2 壩體滲漏分布Fig.2 Dam leakage distribution

3 填埋場(chǎng)壩體滲漏綜合物探技術(shù)及特點(diǎn)分析

3.1 填埋場(chǎng)壩體滲漏探測(cè)地球物理基礎(chǔ)

填埋場(chǎng)中的垃圾主要由工業(yè)和生活垃圾組成，其產(chǎn)生的污染物在水中多以帶電離子形式存在。當(dāng)壩體存在滲漏通道時(shí)，垃圾滲瀝液將由滲漏點(diǎn)進(jìn)入滲漏通道并向填埋場(chǎng)的下游方向擴(kuò)散。因含有帶電離子的滲瀝液是良導(dǎo)體，從而導(dǎo)致滲漏部位相對(duì)于周圍介質(zhì)而言電阻率較低；同時(shí)壩體滲漏通道一般是由工程隱蔽缺陷或不良地質(zhì)體造成的，導(dǎo)致滲漏部位相對(duì)于周圍正常介質(zhì)而言波速較低。因此，當(dāng)壩體中存在滲漏通道時(shí)，滲漏部位相對(duì)于周圍正常介質(zhì)存在明顯的電性和波阻抗差異。這種介質(zhì)間的物性差異為利用物探方法查明垃圾填埋場(chǎng)壩體滲漏通道的位置、規(guī)模和埋深等分布規(guī)律提供了必要的地球物理基礎(chǔ)條件。

壩體常見(jiàn)介質(zhì)的電阻率參數(shù)和橫波波速參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2[15,16]。

表1 壩體常見(jiàn)介質(zhì)電阻率Table 1 Table of resistivity parameters of common media in dam body

表2 壩體常見(jiàn)介質(zhì)橫波波速Table 2 Table of shear wave velocity parameters of common media in dam body

3.2 填埋場(chǎng)壩體滲漏探測(cè)物探方法的選擇

常用的物探方法中，地震類方法對(duì)介質(zhì)的波阻抗差異比較敏感，電法和電磁法類的方法對(duì)介質(zhì)的電性差異比較敏感。雖然各種物探方法在大壩滲漏通道探測(cè)中均有一定的效果，但是每種物探方法都有各自的局限性，任何一種物探方法均不能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)滲漏通道較快速、精確的探測(cè)。因此，針對(duì)介質(zhì)間不同的物性差異應(yīng)采用對(duì)其更加敏感的地球物理方法進(jìn)行探測(cè)，再通過(guò)綜合分析、互相補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩滲漏通道更加準(zhǔn)確的探測(cè)效果。

因此，本文綜合采用充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波勘探法對(duì)壩體滲漏問(wèn)題進(jìn)行探測(cè)研究，各種物探技術(shù)互相結(jié)合、互相驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，并結(jié)合工程和地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析。

2018年全國(guó)本科教育工作大會(huì)上，明確要求將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與思想政治教育、專業(yè)教育相結(jié)合，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育要融入高校人才培養(yǎng)的全過(guò)程。因此，政府和高校要構(gòu)建有效的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，以對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程的開(kāi)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和反饋，從而提升高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程的實(shí)效性。

3.3 方法技術(shù)

3.3.1 充電法

充電法也屬于常規(guī)直流電法，工作對(duì)象是導(dǎo)電性良好或較好的地質(zhì)體。其在壩體已知滲漏點(diǎn)上接以供電電極的一個(gè)極(一般是正極A)作為充電點(diǎn)，另一電極(B)置于遠(yuǎn)離充電體足夠遠(yuǎn)的地方(也稱“無(wú)窮遠(yuǎn)供電電極”)地方，其電場(chǎng)影響可忽略不計(jì)。然后為AB兩電極接上電源對(duì)滲漏通道(充電體)進(jìn)行供電，形成穩(wěn)定電流場(chǎng)(簡(jiǎn)稱電場(chǎng))，該電場(chǎng)的空間分布取決于導(dǎo)體的形狀、大小、產(chǎn)狀及埋深等因素[17]。

壩體存在滲漏時(shí)，充電后滲漏通道形成一線性導(dǎo)體，其電阻率一般比周圍介質(zhì)的電阻率要低得多，電流線主要沿滲漏通道方向分布。將不極化測(cè)量電極沿測(cè)線逐點(diǎn)移動(dòng)，根據(jù)觀測(cè)的電位數(shù)據(jù)和電位或電位梯度剖面曲線來(lái)分析判斷滲漏通道的位置和規(guī)模。

3.3.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖土體的導(dǎo)電性差異作為基礎(chǔ)的一種電法勘探方法，其集電剖面法和電測(cè)深法于一體，一次布極可實(shí)現(xiàn)多種裝置觀測(cè)，從而獲得更加豐富的地電信息[18]。

由于壩體都是分層填筑的，在填筑介質(zhì)均勻且碾壓密實(shí)的情況下，地下空間相當(dāng)于一均質(zhì)體，其視電阻率等值線呈水平層狀分布；當(dāng)壩體存在滲漏現(xiàn)象時(shí)，均質(zhì)體遭到破壞，滲漏通道部位的電阻率要低于周圍正常介質(zhì)，致使視電阻率等值線將不再呈現(xiàn)分層分布的規(guī)律；根據(jù)所測(cè)視電阻率的大小及曲線形態(tài)，再綜合考慮測(cè)區(qū)相關(guān)資料，推斷出壩體滲漏通道的部位和埋深。

3.3.3 瞬態(tài)面波法

瞬態(tài)面波法屬于淺層地球物理勘探方法，勘探費(fèi)用較低，多采用安全、簡(jiǎn)便的錘擊或落重等作為震源[4,6]。其實(shí)質(zhì)上是根據(jù)面波傳播的頻散特性，通過(guò)儀器接收人工激發(fā)(錘擊)的多種頻率成分的面波，尋找出地下介質(zhì)波速隨頻率的變化關(guān)系，以達(dá)到探測(cè)地下介質(zhì)分布特征的目的。在均勻介質(zhì)中無(wú)頻散現(xiàn)象發(fā)生和在不均勻介質(zhì)中才具頻散特性是面波勘探的物理基礎(chǔ)。

面波的波速與介質(zhì)的密實(shí)度緊密相關(guān)，密實(shí)度越大，波速越高；密實(shí)度越小，波速越低。因此面波波速與壩體砂土填筑質(zhì)量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壩體存在滲漏通道時(shí)，壩體內(nèi)正常介質(zhì)和滲漏通道周圍之間的密實(shí)度不同，導(dǎo)致兩者之間存在明顯的波阻抗差異，因此具備了采用瞬態(tài)面波法探測(cè)壩體隱患部位的地球物理前提條件。通過(guò)對(duì)面波信號(hào)的頻譜分析和處理，計(jì)算并繪制頻散曲線，并結(jié)合探測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的工程和地質(zhì)資料，對(duì)頻散曲線進(jìn)行解釋并提取各地層面波速度，對(duì)可能存在的滲漏通道等不良地質(zhì)體進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

4 填埋場(chǎng)壩體滲漏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

4.1 填埋場(chǎng)壩體滲漏綜合物探技術(shù)方案

針對(duì)垃圾擋壩為堆土壩，壩頂長(zhǎng)123 m，上游壩坡表面高密度聚乙烯膜鋪至壩頂且大部分被滲瀝液淹沒(méi)，下游壩坡表面植被茂盛的探測(cè)條件，制定了本次的填埋場(chǎng)壩體滲漏綜合物探技術(shù)方案為:

1)首先采用充電法對(duì)壩體進(jìn)行快速探測(cè)，初步判斷壩體滲漏通道的大致分布和走向。充電法布置兩條測(cè)線，分別布置在垃圾擋壩下游壩坡的一、三級(jí)馬道上，并沿測(cè)線依次進(jìn)行梯度測(cè)量，MN間距為2 m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為2 m，充電點(diǎn)A位于滲漏點(diǎn)處，另一電極B置于無(wú)窮遠(yuǎn)處。儀器選用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-3高密度電法儀，電極為不極化電極。其中C1測(cè)線63個(gè)測(cè)點(diǎn)，C2測(cè)線39個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線布置情況見(jiàn)圖3，圖中紅線為充電法測(cè)線，藍(lán)色三角為滲漏點(diǎn)。

圖3 充電法測(cè)線布置Fig.3 Dam cross section

2)其次采用高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法的綜合物探手段，對(duì)疑似存在滲漏通道的位置做進(jìn)一步探測(cè)。高密度電阻率法用以確定壩體內(nèi)滲漏通道的位置、深度和影響范圍，并對(duì)滲漏形成原因進(jìn)行分析；瞬態(tài)面波法用以查明低速帶的范圍，確定巖土的波速和密實(shí)性，并對(duì)滲漏探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

高密度電阻率法共布置3條測(cè)線，分別布置在垃圾擋壩下游壩坡的三個(gè)馬道上，裝置方式為施倫倍格裝置，電極距為2 m，儀器選用WGMD-3高密度電法儀，配套使用60個(gè)銅電極。其中G1測(cè)線布置在第一馬道，G2測(cè)線布置在第二馬道，G3測(cè)線布置在第三馬道，測(cè)線長(zhǎng)度均為120 m。測(cè)線布置情況見(jiàn)圖4，圖中綠線為高密度電阻率法測(cè)線，藍(lán)色三角為滲漏點(diǎn)。

圖4 高密度電阻率法測(cè)線布置Fig.4 Line layout of high density resistivity method

瞬態(tài)面波法共布置3條測(cè)線，測(cè)線分別布置在下游壩坡的三個(gè)馬道上，道間距2 m，點(diǎn)距4 m，偏移距20 m，儀器選用北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WZG-6地震儀，配套使用6道檢波器。其中M1測(cè)線布置在第一馬道，共28個(gè)測(cè)點(diǎn)；M2測(cè)線布置在第二馬道，共25個(gè)測(cè)點(diǎn)；M3測(cè)線布置在第三馬道，共20個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)線布置情況見(jiàn)圖5，圖中淺紅線為瞬態(tài)面波法測(cè)線，藍(lán)色三角為滲漏點(diǎn)。為了保證信號(hào)的質(zhì)量，落錘時(shí)確保短促有力，避免有回振，同時(shí)通過(guò)多次信號(hào)疊加，剔除雜波信號(hào)的干擾。

圖5 瞬態(tài)面波法測(cè)線布置Fig.5 Layout of survey line by transient surface wave method

3)最后綜合測(cè)區(qū)內(nèi)同一測(cè)線不同物探方法和同一方法不同測(cè)線位置的成果進(jìn)行對(duì)比分析，判斷垃圾擋壩滲漏通道的位置、走向與埋深，再結(jié)合收集到的相關(guān)資料進(jìn)行綜合分析論證，提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.2 探測(cè)結(jié)果與分析

4.2.1 充電法探測(cè)結(jié)果分析

圖6為位于一級(jí)馬道的C1測(cè)線歸一化電位梯度曲線，從圖中可以看出，在樁號(hào)72 m位置歸一化梯度曲線出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，推測(cè)72 m位置下方為滲漏通道中心位置。圖7為位于三級(jí)馬道的C2測(cè)線歸一化電位梯度曲線，從圖中可以看出，在樁號(hào)73 m位置電位梯度值為零，推測(cè)73 m位置下方為滲漏通道中心位置。綜合C1和C2測(cè)線的普查結(jié)果，初步判定壩體滲漏通道位于大壩樁號(hào)72～73 m處，通道走向大致和壩軸線方向垂直。

圖6 C1測(cè)線歸一化電位梯度曲線Fig.6 Normalized potential gradient curve of C1 measuring line

圖7 C2測(cè)線歸一化電位梯度曲線Fig.7 Normalized potential gradient curve of C2 measuring line

4.2.2 高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法探測(cè)結(jié)果分析

1)高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果分析

圖8為位于一級(jí)馬道G1測(cè)線高密度電阻率法成果圖，由圖8可以看出，在大壩樁號(hào)66～74 m、高程86～80 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率約45～55 Ω·m，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率，并且此異常的水平位置和此處充電法C1測(cè)線探測(cè)出的位置相吻合。

圖8 G1測(cè)線高密度電阻率法成果Fig.8 Results of high density resistivity method of G1 survey line

圖9為位于二級(jí)馬道G2測(cè)線高密度電阻率法成果圖，由圖9可以看出，在大壩樁號(hào)65～75 m、高程83～76 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率在40～55 Ω·m之間，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率。

圖9 G2測(cè)線高密度電阻率法成果Fig.9 Results of high density resistivity method of G2 survey line

圖10為位于三級(jí)馬道G3測(cè)線高密度電阻率法成果圖，由圖10可知，在大壩樁號(hào)66～90 m、高程82～76 m范圍內(nèi)存在一低阻異常，電阻率較小，低于45 Ω·m，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率，且距離滲漏點(diǎn)較近，分析認(rèn)為壩體內(nèi)滲水經(jīng)此處而外溢。并且此異常的水平位置和此處充電法C3測(cè)線探測(cè)出的結(jié)果相吻合。

圖10 G3測(cè)線高密度電阻率法成果Fig.10 Results of high density resistivity method of G3 survey line

2)瞬態(tài)面波法探測(cè)結(jié)果分析

圖11為瞬態(tài)面波法探測(cè)成果圖，其中M1、M2、M3測(cè)線分別位于一、二、三級(jí)馬道。從探測(cè)成果圖上分析，對(duì)于M1測(cè)線，整體上壩體隨著深度的增加，波速也在變高，相應(yīng)的密實(shí)度也在變大，受探測(cè)深度的限制，探測(cè)范圍內(nèi)介質(zhì)較均勻，未發(fā)現(xiàn)低速不良地質(zhì)體的存在。對(duì)于M2測(cè)線，在壩體高程大于82 m范圍內(nèi)，介質(zhì)平均波速小于250 m/s，與表2中的中軟土的波速值相當(dāng)；在82 m高程以下，介質(zhì)平均波速大于250 m/s，為中硬土，但該層在樁號(hào)68～80 m范圍內(nèi)，波速相對(duì)較低，密實(shí)度也小于周圍介質(zhì)。對(duì)于M3測(cè)線，在壩體高程大于78 m范圍內(nèi)，介質(zhì)平均波速小于250 m/s，為中軟土；在78 m高程以下，介質(zhì)平均波速大于250 m/s，相當(dāng)于中硬土的波速值，但該層在樁號(hào)68～78 m范圍內(nèi)，波速和密實(shí)度低于周圍介質(zhì)。

圖11 瞬態(tài)面波法探測(cè)成果圖Fig.11 Transient surface wave detection results

3)綜合高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法探測(cè)結(jié)果可知，除M1測(cè)線受探測(cè)深度限制無(wú)法和G1相互驗(yàn)證外，瞬態(tài)面波法M2測(cè)線反映出的低速異常和高密度電阻率法G2測(cè)線上的低阻異常相吻合；M3測(cè)線反映出的低速異常和G3測(cè)線上的低阻異常相吻合。

4.2.3 小 結(jié)

結(jié)合充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波三種方法所探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合工程和地質(zhì)資料得到如下結(jié)論：

1)在現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液水位(94 m)和地質(zhì)條件下，推斷在壩體樁號(hào)68～75 m范圍內(nèi)疑似存在1條滲漏通道，如圖12所示，圖中綠色虛線代表滲漏通道，藍(lán)色三角代表滲漏點(diǎn)。

圖12 滲漏通道位置Fig.12 Location map of leakage channel

2)結(jié)合垃圾填埋場(chǎng)垃圾擋壩的工程和地質(zhì)資料可知，壩體滲漏通道的位置、埋深和走向與填埋場(chǎng)排污管的位置重合，可以推斷滲漏通道為排污管滲漏所致。

5 結(jié) 論

1)本文采用充電法、高密度電阻率法和瞬態(tài)面波法的綜合物探方法對(duì)垃圾填埋場(chǎng)垃圾擋壩的滲漏情況進(jìn)行探測(cè)，查明了滲漏通道的位置、埋深和走向。充電法布極簡(jiǎn)單，可快速判斷出壩體滲漏區(qū)域的水平分布和走向，但深度信息較少；高密度電法具有采樣密度高、采集速度快等特點(diǎn)，可直觀反映出壩體內(nèi)滲漏通道的位置、深度和影響范圍；瞬態(tài)面波法采樣簡(jiǎn)便，可以查明壩體巖土的波速和密實(shí)性，并對(duì)充電法以及高密度電法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2)本文采用綜合物探方法在垃圾填埋場(chǎng)垃圾擋壩滲漏通道探測(cè)方面取得了較好的效果，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)相似滲漏問(wèn)題的地球物理方法選取有一定的借鑒意義。

3)每種物探方法都有各自的局限性，針對(duì)介質(zhì)間不同的物性差異采取相應(yīng)的物探方法進(jìn)行探測(cè)，多種物探互相結(jié)合、互相驗(yàn)證、相互補(bǔ)充，是提高探測(cè)效果的有效方法。