CN102330435B

CN102330435B - 一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法

Info

Publication number: CN102330435B
Application number: CN 201110186821
Authority: CN
Inventors: 杜延军; 范日东; 魏明俐; 蒋宁俊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-07-05
Also published as: CN102330435A

Abstract

本发明公开了一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙及施工方法，该隔离墙由未受污染的原位土和膨润土组成，其中原位土和膨润土的质量比为95:5至85:15。隔离墙的施工方法包括：第一步：在污染场地***的区域中开挖槽体，从槽体中挖出的土为未受到污染的原位土；第二步：配置膨润土浆；第三步：向槽体中注入膨润土浆；第四步：配置回填土；在未受污染的原位土中添加膨润土干粉，均匀拌合未受污染的原位土和膨润土干粉，形成回填土；第五步：将掺有膨润土的回填土回填到槽体中，并与其中膨润土浆均匀搅拌。本技术方案可以降低隔离墙的工程造价成本，缩短隔离见效时间、提高隔离效果。同时施工方法简单。

Description

一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法

技术领域

本发明涉及污染场地隔离修复技术领域，具体来说，涉及一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法。

背景技术

近年来，随着大量化工、钢铁等的厂址拆迁，运营期内“三废”处理不当所造成的场地污染问题日渐显现。原场址土地受到重金属、有机物等大面积污染并渗入地下水体。城市固体废弃物填埋场内淋漓液水头严重超标、底部衬垫失效以及尾矿坝受降雨影响等均造成污染液体侵入土层并沿地下水运移方向扩散。土壤污染修复的不彻底、突发性污染事件等势必造成严重环境破坏及社会不利影响，例如吉化双苯厂的松花江污染等。

受污染的土体具有隐蔽性、滞后性、积累性、难以自净修复的特点。目前人工治理存在低效、无法大面积推广等诸多局限性。因此，受污染场地，不论是否进行修复措施，场地***的二次屏障显得尤为重要。全球环境与技术基金会认为污染场地***保护屏障是一项重要的限制乃至消除污染物在地层中运移的技术。保护屏障能有效地限制污染场地影响范围并降低污染物进入周围地质介质的风险。同时，保护屏障为人类寻找彻底、经济而高效的修复场地污染技术提供了充分的时间保障。

传统的隔离措施包括：搅拌桩连续墙、高压旋喷桩、止水帷幕、人工冻土屏障等。桩体形式的连续墙通常存在桩间实际咬合程度低、存在桩间裂隙缺陷。再者，桩墙或止水帷幕大多引用自市政土建或交通地基建设，由于其设计初衷在于强度、稳定、止水抗渗，因此施工时首选水泥作为主要材料。对于普遍存在硫酸根离子、重金属离子及氯离子的污染液而言，水泥的掺入可能使得墙体破坏加剧。同时，以水泥为主要添加剂的隔离措施均存在工作性随龄期增长；达到稳定工作性需要较长周期，但这期间墙体抵抗腐蚀破坏的能力较低。另一方面，工程中大量依赖水泥有悖于我国节能减排的低碳发展理念。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，该施工方法简单，降低隔离墙的工程造价成本，缩短隔离墙的隔离见效时间、提高隔离墙的隔离效果。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，包括以下步骤：

第一步：使用机械设备在污染场地***的区域中开挖槽体，从槽体中挖出的土为未受污染的原位土；

第二步：配置膨润土浆；

第三步：向槽体中注入膨润土浆；

第四步：配置回填土；在未受污染的原位土中添加膨润土干粉，其中，膨润土干粉与未受污染的原位土的质量比为5:95至15：85，均匀拌合未受污染的原位土和膨润土干粉，形成回填土；完成后，取第三步中的膨润土浆和第四步中的回填土混合成试验样品，进行坍落度试验，建立试验样品的实际含水量与坍落度值的线性拟合曲线；

第五步：将掺有膨润土干粉的回填土回填到槽体中，并与其中膨润土浆均匀搅拌，且回填土和膨润土浆混合后的含水量介于所述的线性拟合曲线中的坍落度在100mm所对应的含水量至150mm所对应的含水量之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.降低隔离墙的工程造价成本。本技术方案中的隔离墙由未受污染的原位土和膨润土组成。原位土就地取材，而膨润土可以通过商业购买。原位土与膨润土的质量比为95:5至85:15，原位土占有量大大超过了膨润土。因此整个隔离墙的工程造价成本低。而现有技术中多以水泥作为主要材料形成隔离墙，工程造价成本较高。

2.缩短隔离墙的隔离见效时间、提高隔离墙的隔离效果。本技术方案中的隔离墙采用膨润土增强墙体吸附污染物的能力，进而提高污染物阻滞、隔离效果。同时原位土和膨润土的拌合土呈粘塑性，因此避免了大面积施工时墙体完整性无法得到保证的缺陷。与水泥系竖向隔离墙相比，本技术方案所进行的隔离墙不存在养护龄期，即施工后即可发挥隔离效果。本专利隔离墙渗透系数可达到10^-9m/s～10^-10m/s，且兼具吸附污染物的能力。按照目前通常的水泥土配比施工的水泥系竖向隔离墙的渗透系数一般10^-7～10^-9m/s，高于本专利的隔离墙的渗透系数。此外，膨润土吸水的高膨胀性能够抵消污染物作用下的土体孔隙增大所造成的抗渗性能降低。

3.隔离墙的施工方法简单且经济、可操作性强。本技术方案中隔离墙的施工步骤仅有五步，并且每步中都不需要使用大型设备进行操作，方法简单、可操作性强，适合广泛推广应用。隔离墙主体为原位土，而所添加的膨润土总量一般相对小于原位土15%，节约了施工材料的运输成本。

4.符合低碳理念。在本技术方案中采用原位土和膨润土制成隔离墙，省去了水泥材料，可以实现节能减排的低碳发展理念。

附图说明

图1是本发明中的隔离墙和污染场地的位置示意图。

图2是本发明中的隔离墙实际渗透系数计算中的参数位置示意图。

图3是本发明中提供的试验中粘土和膨润土坍落度随含水量变化关系图。

图中有：污染源1、不透水层2、隔离墙3、膨润土滤饼4、土工膜5、靠近污染源的膨润土滤饼的水位6、隔离墙体中的水位7、远离污染源的膨润土滤饼的水位8、地下水水位9。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明的一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙，该隔离墙3由未受污染的原位土和膨润土组成，其中未受污染的原位土和膨润土的质量比为95:5至85:15。

本发明中的隔离墙3，没有采用水泥材料，而是用膨润土代替水泥，在抗渗性上能够达到甚至超过原有以水泥为材料的隔离措施。

进一步，所述的隔离墙3的顶部设置有土工膜5，该土工膜5底面宽度大于隔离墙3的顶面宽度。添加设置土工膜5，主要是为了减小隔离墙3顶部由于干湿循环造成的墙体顶部开裂。

所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，包括以下步骤：

第一步：使用机械设备在污染场地***的区域中开挖槽体，从槽体中挖出的土为未受到污染的原位土。

在第一步中，槽体的深度根据污染源1的类型而定：对于密度小于污染场地地下水密度的污染液体，槽体的深度大于污染场地受污染深度；对于密度大于和等于污染场地地下水密度的污染液体，槽体开挖嵌入不透水层2的深度是0.5米。槽体的宽度优选为0.8米至1.2米。对槽体的深度和宽度进行限定，是为了防止污染液从隔离墙3中渗透。

从污染场地周围的区域中挖出的未受污染的原位土可以为粘土、粉土、粉砂、或者砂土，并且原位土的细粒含量大于20%。

第二步：配置膨润土浆。

在第二步中，膨润土浆由膨润土干粉和水混合而成，其中膨润土干粉和水的质量比为5:95至10:90。

第三步：向槽体中注入膨润土浆。

在第三步中，在注入膨润土浆完毕后，膨润土浆的液面高度超过地下水水位9，保证开挖槽体施工期间的稳定性。在配置膨润土浆后，水化24小时再进行第四步的操作。膨润土浆在槽体中水化24小时，即在24小时内静置并间歇性搅拌膨润土浆，使膨润土充分吸水。

第四步：配置回填土；在未受污染的原位土中添加膨润土干粉，其中，膨润土干粉与未受污染的原位土的质量之比为5:95至15：85，均匀拌合未受污染的原位土和膨润土干粉，形成回填土。

在拌合过程中要求均匀拌合未受污染的原位土和膨润土干粉，含水量达到100mm的坍落度要求，以消除所出现的呈团土块（即较湿的土中间包裹着大量干土，形成土团）；同时又控制坍落度小于150mm，以避免高初始含水量条件下墙体将产生较大变形。同时在拌合过程中，应当去除回填土中的粗颗粒、碎石。

在第四步完成后，取第三步中的膨润土浆和第四步中的回填土混合成试验样品，进行坍落度试验，建立试验样品的实际含水量与坍落度值的线性拟合曲线。坍落度试验按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB／T50080-2002）中的稠度试验中的坍落度与坍落扩展度法进行操作。坍落度试验至少进行三次，其中至少有一次的坍落度实验结果符合坍落度值介于100mm至150mm之间。要求试验样品的坍落度范围在100mm至150mm之间，以减少施工时因拌合难以达到均匀而造成抗渗能力的降低。当试验样品的坍落度在100mm至150mm之间，则试样样品中的膨润土浆与回填土质量配比符合要求。当试验样品的坍落度小于100mm，则在不改变试验样品中的回填土质量条件下增加膨润土浆质量，然后重新进行坍落度试验。当坍落度大于150mm，则在不改变试验样品中的回填土质量的条件下减少膨润土浆质量，再次进行坍落度试验。依据每次坍落度试验中所测得的坍落度和试验样品的实际含水量，建立试验样品的实际含水量与坍落度值的线性拟合曲线。

第五步：将掺有膨润土的回填土回填到槽体中的膨润土浆中，并均匀搅拌。

在第五步中，搅拌回填土和膨润土浆时，如果出现呈团土块，则需要及时消除。在第五步完成后，在隔离墙3的墙体两侧各形成一层薄而光滑的膨润土层，即膨润土滤饼4。膨润土滤饼4的厚度为5-10mm，可以阻隔槽内浆液向外渗漏和防止槽外地下水在施工期间渗入。同时所形成的侧向静水压力可以保持开挖槽体的稳定。

因为工程要求坍落度范围在100mm至150mm之间，所以在进行第五步操作时，回填土和膨润土浆混合后的含水量与线性拟合曲线中的坍落度在100mm至150mm之间所对应的含水量相对应。在坍落度所对应含水量范围内，回填时回填土同时具有一定的流动性和粘滞性，使得墙体内不至由于在施工拌合回填不均匀而出现较大孔隙，并能够保证分段回填时墙体的整体性。

进一步，上述由第一步至第五步构成的施工方法可以分段进行，即先挖一部分槽体，并对该部分槽体进行第二步至第五步的施工，然后再挖一部分槽体，并对该部分槽体进行第二步至第五步的施工。即将整个槽体分段进行。这样可以避免槽体发生塌陷。

本发明中的隔离墙3采用土和膨润土混合制成。膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物的粘土，其晶体结构是由两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝氧八面体晶片组成，属2:1型层状硅酸盐矿物。它的晶层之间常吸附Ca²⁺、Na⁺等阳离子，使层间距离增加，更易吸附极性水分子而膨胀。膨润土晶格内阳离子置换这一构造，决定了膨润土具有以下性质：

1.吸水膨胀性：在充分水化环境中，层间距可增大，吸水后体积可增大l0～30倍。

2.悬浮性：蒙脱石矿物质颗粒细小(0.2μm以下)，与水形成一种胶体。此外，由于蒙脱石晶胞都带有相同数目的负电荷，彼此同性相斥。在稀溶液里很难聚集成大颗粒。

3.触变性：膨润土结构中的羟基在静置的介质中会产生氢键，使之成为均匀的胶状物，并且有一定的粘度。当在外界剪切力存在下进行搅拌时，氢键被破坏、粘度减弱，悬浮液表现为流动性很好的溶胶液。停止外加搅动，再次自行排列成具有立体网状结构的凝胶，并不发生沉降分层和有水离析出来。

4.粘结性：由于膨润土亲水、颗粒细小而不规则、羟基与水形成氢键，形成溶胶等原因，使膨润土与水混合具有很大的粘结性。

5.吸附性：膨润土中Al³⁺被不同离子取代后，引起内部电荷不平衡，形成电性吸附中心；蒙脱石矿物具有较大的比表面积（约800m²/g），所以具有高度的选择吸附性。

6.离子交换性：膨润土是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体，在晶胞内高价可被低价的阳离子置换，从周围介质中吸附一些可交换的K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺来平衡电荷。

7.稳定性：膨润土能耐300℃高温，具有良好的热稳定性，不溶于水，微溶于强酸、强碱，常温下不被氧化或还原，不溶于有机溶剂，具有良好的化学稳定性。

膨润土的吸水膨胀性及粘结性满足隔离墙具备低渗透性的要求；悬浮性和触变性保证回填土回填到槽体中施工便捷，即施工方法的第五步施工便捷；吸附性、离子交换性和稳定性提升了隔离墙3的阻滞污染物运移的能力。因此，本发明的隔离墙3具有更稳定的化学兼容性。

下面通过试验来说明本发明中的隔离墙3在抗渗性上能够达到甚至超过原有以水泥为材料的隔离措施。

（1）试验材料：

膨润土为选用镇江地区产商用膨润土，例如采用镇江市丹徒区牧丰矿产品加工厂制作的膨润土。未受污染的原位土为常州地区的粘土。膨润土和粘土的各基本物理参数采用《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行，见表1。

表1：

试验模拟两种质量比的隔离墙回填土材料，膨润土干粉为未受污染的原位土干土质量的5%和10%。

2.试验种类及方法

（1）坍落度试验

坍落度试验的目的是为了明确经膨润土浆拌合的回填土的坍落度控制在100时的含水量范围，即满足竖向隔离墙施工可行性时回填土的含水量范围。

膨润土掺入量为粘土5%（质量比）的回填土经与膨润土浆均匀拌合后为坍落度试验的试样。用膨润土浆液调配该试样至设计含水量，分别为40%、45%、50%、55%、60%。计算膨润土实际掺量时应计入膨润土浆中的膨润土掺量。搅拌容器中先注入部分膨润土浆液再分次倒入回填土，注入剩余膨润土浆液的同时搅拌充分膨润土浆液与回填土。待翻捣回填土观察到不再出现“抱团成块”现象时，即呈球状回填土中包裹空气的现象，认为拌合已达到均匀。

坍落度试验按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB／T50080-2002）中的稠度试验中的坍落度与坍落扩展度法进行操作。采用标准坍落度筒（上、下底面直径分别为100mm和200mm，高300mm）。但考虑到回填土具有较高的粘性并与坍落筒侧壁产生较大摩擦力，试验中统一分三层装入，每层用捣棒插捣25至35次。此外，试样设计含水量为40%、45%的试验中在坍落筒侧壁少许涂抹凡士林，以确保坍落筒上提时间控制在5s—10s和上提过程中不出现回填土粘附于坍落筒侧壁的情况。同一试样分别进行三次试验，并取样测定其实际含水量。最终的坍落度值和对应含水量取三次试验结果的平均值。回填土的坍落度与对应含水量的关系，如图3所示，坍落度为100mm和150mm时所分别对应的含水量为43%和48%。通过坍落度试验结果的数据点拟合回填土的坍落度ΔH与含水量w₀的线性拟合曲线，如下面的拟合公式所示：

ΔH(mm)＝10.169w₀-334.69。

通过该拟合公式可以确定坍落度在100mm至150mm时所对应的含水量，以便调配回填土的含水量。

（2）回填土的固结压缩试验

固结压缩试验依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行。

回填土分为四组：B5LL1.0、B5LL1.25、B10LL1.0和B10LL1.25。B5表示膨润土掺量为原位土质量的5%，B10表示膨润土掺量为原位土质量的10%，LL1.0表示初始含水量为回填土液限的1.0倍，LL1.25表示初始含水量为回填土液限的1.25倍。该初始含水量范围（即上述回填土试样含水量为液限至1.25倍液限范围）包含了回填土满足坍落度达到100mm时所需含水量。回填土的液限可以根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）得到。

固结试样以振捣的方式制备，并浸水饱和24小时。考虑到回填土不易捣实的特点，回填土分三层填入环刀，每层均约为环刀1/3高度。分层填入后，紧压环刀于垫板垂直振锤30次并剔除表面“抱团”气泡。待捣实后将试样两侧刮平，附上滤纸，并置于饱和器中。固结压缩试验装样前计算四组试样的饱和度，以确保试样已饱和。鉴于试样具有高压缩性，为防止试样自环刀与透水石间挤出固结加载增加3.125kPa、6.25kPa及12.5kPa三级，随后加载按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999），即25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa。

固结试样的渗透系数由固结压缩试验结果采用太沙基一维固结理论依照公式1计算得到。根据渗透系数在逐级加载下的变化确定隔离墙材料的抗渗性，通常要求在所对应的场地应力条件下，渗透系数小于10^-9m/s才符合工程要求。

k＝C_v·M_v·γ_w 公式1

公式1中，C_v为回填土的固结系数，可通过固结试验并根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中的方法得到；M_v为回填土的体积压缩模量，同样可通过固结试验并根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中的方法得到；γ_w为水的比重

（3）试验结果

隔离墙3整体的渗透性取决于回填土和膨润土滤饼两者的渗透系数。通常膨润土滤饼4的实际厚度t_c约为5mm，并且渗透系数k_c可取10^-11m/s（可参考膨润土的渗透系数）。结合本实例回填土的渗透系数结果，取墙体回填土渗透系数k_b为10^-9m/s～10^-10m/s。假设墙体宽度t_b为1m。由于通过墙体及膨润土滤饼4的总流量q相同，考虑膨润土滤饼4共同作用下的墙体渗透系数计算式如下：

q＝k·i

q = k \frac{Δh}{{2 t}_{c} + t_{b}} = k_{c} \frac{Δ h_{c}}{t_{c}} = k_{b} \frac{Δ h_{b}}{t_{b}}

Δh＝Δh_b+2Δh_c

Δh = \frac{q \cdot ({2 t}_{c} + t_{b})}{k} = \frac{q \cdot t_{c}}{k_{c}} + \frac{q \cdot {2 t}_{b}}{k_{b}}

k = \frac{t_{b}}{\frac{t_{b}}{k_{b}} + \frac{{2 t}_{c}}{k_{c}}}

式中，k为考虑滤饼作用下的修正渗透系数；i为渗透的水头梯度；Δh表示在考虑膨润土滤饼4的情况下，隔离墙3内外的总水头差；Δh_b表示隔离墙3自身所引起的水头差，即隔离墙体中的水位7和远离污染源的膨润土滤饼的水位8之间的水头差，Δh_c表示隔离墙3两侧膨润土滤饼4所产生的水头差，即靠近污染源的膨润土滤饼的水位6和隔离墙体中的水位7之间的水头差，或者远离污染源的膨润土滤饼的水位8和地下水水位9之间的水头差；t_b表示不包含膨润土滤饼4的隔离墙3的厚度，t_c表示膨润土滤饼4的厚度；k_b表示回填土的渗透系数，k_c表示膨润土滤饼4的渗透系数。

即有：

k = \frac{t_{b}}{\frac{t_{b}}{k_{b}} + \frac{{2 t}_{c}}{k_{c}}} = \frac{1}{\frac{1}{10^{- 9}} + \frac{2 \cdot 0.005}{10^{- 11}}} = {5 \times 10}^{- 10} m / s

k = \frac{t_{b}}{\frac{t_{b}}{k_{b}} + \frac{{2 t}_{c}}{k_{c}}} = \frac{1}{\frac{1}{10^{- 10}} + \frac{2 \cdot 0.005}{10^{- 11}}} = 8.3 \times 10^{- 10} m / s

上述两个公式具体说明计算过程和计算结果。隔离墙3墙体的实际渗透系数为5×10^-10m/s～8.3×10^-11m/s。由此，隔离墙材料通过固结压缩试验结果计算的渗透系数k均满足小于10^-9m/s的工程屏障的技术要求。目前通常的水泥土配比施工的水泥系竖向隔离墙的渗透系数一般10^-7～10^-9m/s，高于本专利的隔离墙的渗透系数。

Claims

1.一种用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：该施工方法包括以下步骤：

第二步：配置膨润土浆；

第三步：向槽体中注入膨润土浆；

2.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：在所述的第二步中，膨润土浆由膨润土干粉和水混合而成，其中，膨润土干粉和水的质量比为5:95至10:90。

3.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：在所述的第三步中，膨润土浆注入槽体后，水化24小时，再进行第四步的操作。

4.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：在所述的第一步中，槽体的深度根据污染源（1）的类型而定：对于密度小于污染场地地下水密度的污染液体，槽体的深度大于污染场地受污染深度；对于密度大于和等于污染场地地下水密度的污染液体，槽体开挖嵌入不透水层（2）0.5米；所述的槽体的宽度为0.8米至1.2米。

5.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：所述的未受污染的原位土为粘土、粉土、粉砂、或者砂土，并且其中的细粒含量大于20%。

6.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：该施工方法分段进行。

7.按照权利要求1所述的用于污染场地原位隔离修复的隔离墙的施工方法，其特征在于：在所述的第三步中，膨润土浆的液面高度超过地下水水位（9）。