本发明属于环境岩土工程技术领域，具体涉及一种适用于软土地区的垂直隔离屏障设计方法。
背景技术：
现代工业的发展极大地推进了人类文明发展的进程，使人们在享受工业文明创造的丰硕果实的同时，也遭受了随之而来的环境污染危害。随着工业和城市污染的加剧及农用化学物质种类、数量的增加，土壤中的污染日益严重。由于成本、工期及治理效果方面的优势，隔离封闭法越来越多地应用在污染场地的修复治理中。隔离封闭技术主要是利用工程措施将污染物封存在原地，切断暴露途径，限制污染物迁移，降低或消除污染物的暴露风险，保护受体安全。其中，垂直屏障是隔离封闭技术最重要的组成部分之一，一般利用搅拌器械将固化剂（水泥，石灰等材料）喷入软弱土层深部，在水的作用下，固化剂与土体之间发生一系列物理化学反应，形成完整的低渗透性防渗墙。
然而，由于相关技术研究落后国外发展数十年，目前国内尚无成熟的垂直屏障设计方法及技术，主要是借鉴水利工程的经验公式，即以允许水力梯度作为控制条件，将安全系数考虑在允许水力梯度中。在实际工程中，该设计方法可能使得结果偏于不安全，因此有必要提出适用于污染物迁移机理的设计原则及方法。
技术实现要素：
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种适用于软土地区的垂直屏障设计方法，该垂直屏障设计方法通过确定污染场地所属的污染类型并选定所采用的垂直隔离屏障类型，从而能够快速设计计算确定垂直隔离屏障的插入深度和厚度。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种适用于软土地区的垂直隔离屏障设计方法，其特征在于所述设计方法包括以下步骤：根据污染场地内的污染物所处土层，确定所述污染场地的污染类型；根据污染场地的功能要求选择所需采用的垂直隔离屏障类型，可以是悬挂式垂直隔离屏障或嵌入式垂直隔离屏障；所述悬挂式垂直隔离屏障或所述嵌入式垂直隔离屏障根据所述污染场地的污染类型分别计算确定其插入深度和厚度。
所述污染场地的污染类型包括ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型、ⅳ型，其中：
所述ⅰ型是指污染物的最大污染深度位于相对隔水层中；
所述ⅱ型是指污染物的最大污染深度位于利于水平向迁移的含水层；
所述ⅲ型是指污染物的最大污染深度位于利于污染物迁移的含水层；
所述ⅳ型是指污染物的最大污染深度位于利于污染物迁移的含水层，且所述含水层的下卧土层为利于水平向迁移的含水层。
所述悬挂式垂直隔离屏障在所述污染场地中的插入深度确定方法为：
（a）所述污染场地的污染类型为所述ⅰ型时，所述悬挂式垂直隔离屏障的底部插入所述相对隔水层中，并不低于污染物的最大污染深度；
（b）所述污染场地的污染类型为所述ⅱ型时，所述悬挂式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定；
（c）所述污染场地的污染类型为所述ⅲ型时，所述悬挂式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，且插入所述利于水平向迁移的含水层的下卧层不小于1m；
（d）所述污染场地的污染类型为所述ⅳ型时，所述悬挂式垂直隔离屏障的底部插入相对隔水层不小于2m，所述相对隔水层是指位于所述利于水平向迁移的含水层下方的土层。
所述嵌入式垂直隔离屏障在所述污染场地中的插入深度确定方法为：
（a）所述污染场地的污染类型为所述ⅰ型时，所述嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，并不低于污染物的最大污染深度；
（b）所述污染场地的污染类型为所述ⅱ型时，所述嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定；
（c）所述污染场地的污染类型为所述ⅲ型时，所述嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，且插入所述利于水平向迁移的含水层的下卧层不小于1m；
（d）所述污染场地的污染类型为所述ⅳ型时，所述嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，且插入相对隔水层不小于2m，所述相对隔水层是指位于所述利于水平向迁移的含水层下方的土层。
所述悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法包括以下步骤：
（1）确定所述悬挂式垂直隔离屏障的设计服役期t以及击穿标准cs，所述击穿标准是指所述悬挂式垂直隔离屏障的底部或外侧壁的污染物浓度阈值；
（2）根据污染物位置至所述悬挂式垂直隔离屏障底部间土层的特性，确定所述土层的等效渗透系数k和等效水动力弥散系数d；
（3）按照所述击穿标准，根据计算公式c=0.5c0erfc(y)计算中间量y值，其中：
c为所述悬挂式垂直隔离屏障底部或外侧壁的污染浓度，单位为mol/l，在计算过程中令c=cs；
cs为所述悬挂式垂直隔离屏障底部或外侧壁的击穿标准，单位为mol/l；
c0为所述悬挂式垂直隔离屏障开始服役时污染物的最大深度b0处，污染土体孔隙中液相的污染物浓度，单位为mol/l；
erfc为余误差函数，erfc(y)=1-erf(y)，
（4）结合所述击穿标准，通过计算公式
d为最大污染深度b0与所述悬挂式垂直隔离屏障设计深度b之间土体的等效水动力弥散系数，单位为㎡/s；
t为所述悬挂式垂直隔离屏障的设计服役期，单位为年；
b0为污染物的最大深度，单位为m；
vz为平行于所述悬挂式垂直隔离屏障方向的渗流速度，单位为/s，其计算公式为：
其中：
k为污染物的最大深度b0与所述悬挂式垂直隔离屏障设计深度b之间土体的等效渗透系数；
ne为土体的有效孔隙度；
i为土体内的水力梯度。
所述击穿标准为所述悬挂式垂直隔离屏障的底部或外侧壁的污染物浓度阈值达到污染物初始浓度值的10%。
所述嵌入式垂直隔离屏障的厚度计算方法包括以下步骤：
（1）确定所述嵌入式垂直隔离屏障的设计服役期t以及击穿标准cs，所述击穿标准是指所述嵌入式垂直隔离屏障外侧壁的污染物浓度阈值；
（2）根据所述嵌入式垂直隔离屏障的材料类型，确定所述嵌入式垂直隔离屏障的渗透系数ke以及有效扩散系数de；
（3）若所述嵌入式垂直隔离屏障的局部渗透系数ke大于阈值，则考虑渗流和扩散作用，利用计算公式c=0.5c0erfc(y)计算中间量y值；在获得中间量y值后，计算所述嵌入式垂直隔离屏障的设计厚度h，计算公式为：
若所述嵌入式垂直隔离屏障的渗透系数ke小于阈值时，则不考虑渗流作用，利用计算公式c=c0erfc(y)计算中间量y值；在获得中间量y值后，计算所述嵌入式垂直隔离屏障的设计厚度h，计算公式为：
上述式中：
c为所述嵌入式垂直隔离屏障底部或外侧壁的污染浓度，单位为mol/l，在计算过程中令c=cs；
cs为所述嵌入式垂直隔离屏障底部或外侧壁的击穿标准，单位为mol/l；
c0为所述嵌入式垂直隔离屏障隔离范围内土体孔隙中液相的污染物浓度，所述污染物浓度在所述嵌入式垂直隔离屏障的深度范围内存在差异，取所述污染物浓度的最大值，单位为mol/l；
erfc为余误差函数，erfc(y)=1-erf(y)，
de为污染物在所述嵌入式垂直隔离屏障中的有效扩散系数，单位为㎡/年；
t为所述嵌入式垂直隔离屏障的设计服役期，单位为年；
vx为垂直于所述嵌入式垂直隔离屏障方向上的渗流速度，单位为m/s，其计算公式为：
其中：
ke为垂直于所述嵌入式垂直隔离屏障方向上土体的渗透系数，单位为cm/s；
ne为土体的有效孔隙度；
i为土体内的水力梯度。
所述步骤（3）中，所述嵌入式垂直隔离屏障的渗透系数ke的阈值为10-7cm/s。
所述悬挂式垂直隔离屏障的厚度按照最小厚度进行设计确定，且该最小厚度满足所述嵌入式垂直隔离屏障的厚度计算方法的验算结果。
本发明的优点是：为现有隔离封闭污染场地提供更符合工程实际的设计方法，该方法所设计的垂直隔离屏障充分考虑了场地的功能要求、污染状况及水文地质条件，较原有设计方法更贴合工程实际。
附图说明
图1为本发明中ⅰ型污染场地的示意图；
图2为本发明中ⅱ型污染场地的示意图；
图3为本发明中ⅲ型污染场地的示意图；
图4为本发明中ⅳ型污染场地的示意图；
图5为本发明中在污染场地外围设置垂直隔离屏障的示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5，图中标记1-6分别为：相对隔水层1、利于水平向迁移的含水层2、利于污染物迁移的含水层3、污染物4、垂直隔离屏障5、污染场地6。
实施例1：如图5所示，本实施例具体涉及一种适用于软土地区的垂直隔离屏障设计方法，垂直隔离屏障5设置在污染场地6的外围，当污染场地6中的污染物随水流通过垂直隔离屏障5中时，由于机械阻留、离子吸附和交换、化学反应等作用，污染物将被减速、滞留在垂直隔离屏障5中，使地下水中污染物浓度发生变化。工程实践中，垂直隔离屏障5的设计最关键之处在于垂直隔离屏障5插入深度及设计厚度的确定，针对这两方面，本设计方法具体包括以下步骤：
（一）通过前期水文地质环境资料的调研总结，根据一般软土地区的地质条件，对于污染物4迁移来说，一般重点考虑相对隔水层1、利于水平向迁移的含水层2以及利于污染物迁移的含水层3，而根据污染物4赋存条件与地质条件的相关关系，将软土地区污染场地6的污染类型分为四种，分别为ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型、ⅳ型，具体如下所述以及如表1所示：
ⅰ型：如图1所示，污染场地6自上而下依次包括相对隔水层1、利于水平向迁移的含水层2、利于污染物迁移的含水层3、利于水平向迁移的含水层2、相对隔水层1以及相对隔水层1，污染物4的最大污染深度位于相对隔水层1中；
ⅱ型：如图2所示，污染场地6自上而下依次包括相对隔水层1、利于水平向迁移的含水层2、利于污染物迁移的含水层3、利于水平向迁移的含水层2、相对隔水层1以及相对隔水层1，污染物4的最大污染深度位于利于水平向迁移的含水层2中；
ⅲ型：如图3所示，污染场地6自上而下依次包括相对隔水层1、相对隔水层1、利于污染物迁移的含水层3以及相对隔水层1；污染物4的最大污染深度位于利于污染物迁移的含水层3中；
ⅳ型：如图4所示，污染场地6自上而下依次包括相对隔水层1、利于水平向迁移的含水层2、利于污染物迁移的含水层3、利于水平向迁移的含水层2、相对隔水层1以及相对隔水层1，污染物4的最大污染深度位于利于污染物迁移的含水层3中，且该含水层3的下卧土层为利于水平向迁移的含水层2。
表1：污染场地的污染分类表
需要说明的是，以上海的软土地区为例，水平渗透系数及垂直渗透系数均小于10-6cm/s可定义为相对隔水层1；若水平渗透系数大于10-4cm/s，则可定义为利于水平向迁移的含水层2。
（二）根据污染物在污染场地6内所处的土层，确定污染场地所属的污染类型，即确定污染场地6的污染类型为ⅰ型、ⅱ型、ⅲ型、ⅳ型中何种。
（三）根据污染场地6的功能要求，确定所需采用的垂直隔离屏障5的类型，可以是悬挂式垂直隔离屏障或嵌入式垂直隔离屏障；本实施例中，悬挂式垂直隔离屏障又称为临时性垂直隔离屏障，嵌入式垂直隔离屏障又称为永久性垂直隔离屏障，从形式上来讲，悬挂式垂直隔离屏障和嵌入式垂直隔离屏障并无绝对的差别，主要区别于材料、设计深度、厚度及应用条件；其中，悬挂式垂直隔离屏障一般作为污染场地6修复工程的辅助措施，或针对紧急污染扩散事件的应急手段；而嵌入式垂直隔离屏障一般用于污染场地6隔离封闭工程，旨在长时间限制污染物的扩散及迁移。
本实施例中，垂直隔离屏障5可以是hpde膜、水泥土搅拌桩、土-膨润土墙中的任意一种。
（四）在确定了垂直隔离屏障5的类型之后，根据所对应的污染场地4类型，计算确定其插入深度b和厚度h，具体原则如下表所示：
表2：垂直隔离屏障的插入深度和厚度的确定原则依据
【悬挂式垂直隔离屏障】
如上表2所示，若垂直隔离屏障5采用的是悬挂式垂直隔离屏障（临时性垂直隔离屏障），那么它在污染场地6中的插入深度b和厚度h的确定原则如下：
（a）污染类型为ⅰ型时，悬挂式垂直隔离屏障的底部插入相对隔水层1中，并不低于污染物4的最大污染深度；
（b）污染类型为ⅱ型时，悬挂式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，具体计算方法公式参见下文；
（c）污染类型为ⅲ型时，悬挂式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法进行计算确定，且插入利于污染物迁移的含水层3的下卧层（相对隔水层1）不小于1m，具体计算方法公式参见下文；
（d）污染类型为ⅳ型时，悬挂式垂直隔离屏障的底部插入相对隔水层1不小于2m，相对隔水层1是指位于利于水平向迁移的含水层2下方的土层；
至于悬挂式垂直隔离屏障的厚度h，按照最小厚度进行设计，且该最小厚度满足嵌入式垂直隔离屏障厚度h计算方法的验算结果。
前述的悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法包括以下步骤：
（1）确定悬挂式垂直隔离屏障的设计服役期t以及击穿标准cs，此处的击穿标准cs具体是指悬挂式垂直隔离屏障的底部或外侧壁达到污染物浓度阈值，具体的污染物浓度阈值可按污染物控制值（风险控制值或相关规范标准）或者取污染场地6内初始浓度的10%。
（2）根据污染物4深度位置至悬挂式垂直隔离屏障底部间土层的特性，依据工程经验或者试验，确定该土层的等效渗透系数k和等效水动力弥散系数d。
（3）按照击穿标准，根据计算公式c=0.5c0erfc(y)计算y值，其中：
c为所述悬挂式垂直隔离屏障底部或外侧壁的污染浓度，单位为mol/l，在计算过程中令c=cs；
cs所述悬挂式垂直隔离屏障底部或外侧壁的击穿标准，单位为mol/l；
c0为悬挂式垂直隔离屏障开始服役时污染物4的最大深度b0处，污染土体孔隙中液相的污染物浓度，单位为mol/l；
erfc为余误差函数，erfc(y)=1-erf(y)，
（4）结合前述的击穿标准cs，计算悬挂式垂直隔离屏障在土体中的设计深度b，其计算公式为：
式中：
d为最大污染深度b0与悬挂式垂直隔离屏障设计深度b之间土体的等效水动力弥散系数，单位为㎡/s；
t为设计服役期，单位为年；
b0为污染物4的最大深度，单位为m；
vz为平行于悬挂式垂直隔离屏障方向的渗流速度，单位为m/s；
需要说明的是，上述vz的计算公式为：
式中：
k为污染物的最大深度b0与悬挂式垂直隔离屏障设计深度b之间土体的等效渗透系数；
ne为土体的有效孔隙度；
i为土体内的水力梯度。
【嵌入式垂直隔离屏障】
如上表2所示，若垂直隔离屏障5采用的是嵌入式垂直隔离屏障（永久性垂直隔离屏障），那么它在污染场地6中的插入深度b和厚度h的确定原则如下：
（a）污染类型为ⅰ型时，嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法（如前所述）进行计算确定，并不低于污染物4的最大污染深度；
（b）污染类型为ⅱ型时，嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法（如前所述）进行计算确定；
（c）污染类型为ⅲ型时，嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法（如前所述）进行计算确定，且插入所述利于水平向迁移的含水层的下卧层不小于1m；
（d）污染类型为ⅳ型时，嵌入式垂直隔离屏障的底部插入深度通过悬挂式垂直隔离屏障设计深度b计算方法（如前所述）进行计算确定，且插入相对隔水层1不小于2m，所述相对隔水层1是指位于利于水平向迁移的含水层2下方的土层。
至于嵌入式垂直隔离屏障的厚度h的计算方法，具体包括以下步骤：
（1）确定嵌入式垂直隔离屏障的设计服役期t以及击穿标准cs，当嵌入式垂直隔离屏障外侧污染物浓度达到击穿标准cs时，可判定嵌入式垂直隔离屏障失效，此处的击穿标准cs具体是指嵌入式垂直隔离屏障外侧壁的污染物浓度达到所预设的污染物浓度阈值（mol/l），该污染物浓度阈值可按具体的污染物控制值（风险控制值或相关规范标准）或污染场地内的污染物初始浓度的10%来进行取值；
（2）根据嵌入式垂直隔离屏障的材料类型，同时依据工程经验或者相关的试验数据，确定嵌入式垂直隔离屏障的渗透系数ke以及有效扩散系数de；
（3）按照前述的击穿标准cs，通过计算公式计算中间量y以及设计厚度h，具体可分为以下两种情况：
a.若嵌入式垂直隔离屏障的渗透系数ke小于阈值10-7cm/s时，则表明污染物4在嵌入式垂直隔离屏障中的渗流活动不大，可不考虑渗流作用，按照下式计算中间量y值：
c=c0erfc(y)
在计算获得中间量y值之后，计算嵌入式垂直隔离屏障的设计厚度h，计算公式为：
b.若嵌入式垂直隔离屏障内存在局部位置的渗透系数ke大于阈值10-7cm/s的情况时，将该局部作为最不利的情况，污染物能够在该局部位置发生渗流活动，因此考虑渗流与扩散作用的影响，按照下式计算中间量y值：
c=0.5c0erfc(y)
在计算获得中间量y值之后，计算嵌入式垂直隔离屏障的设计厚度h，计算公式为：
在上述计算式中：
c为所述嵌入式垂直隔离屏障底部或外侧壁的污染浓度，单位为mol/l，在计算过程中令c=cs；
cs为所述嵌入式垂直隔离屏障底部或外侧壁的击穿标准，单位为mol/l；
c0为嵌入式垂直隔离屏障隔离范围内土体孔隙中液相的污染物浓度，当污染物浓度在沿嵌入式垂直隔离屏障的深度范围内存在差异时，取污染物浓度的最大值，单位为mol/l；
erfc为余误差函数，erfc(y)=1-erf(y)，
de为污染物在嵌入式垂直隔离屏障中的有效扩散系数，单位为㎡/年；
t为嵌入式垂直隔离屏障的设计服役期，单位为年；
vx为垂直于嵌入式垂直隔离屏障方向上的渗流速度，单位为m/s。
该渗流速度vx的计算公式为：
其中：
ke为垂直于嵌入式垂直隔离屏障方向上土体的渗透系数，单位为cm/s；
ne为土体的有效孔隙度；
i为土体内的水力梯度。
本实施例的有益效果在于：为现有隔离封闭污染场地提供更符合工程实际的设计方法，该方法所设计的垂直隔离屏障充分考虑了场地的功能要求、污染状况及水文地质条件，较原有设计方法更贴合工程实际。
实施例2：本实施例具体涉及一种适用于软土地区的垂直隔离屏障设计方法，并结合实际的工程案例进行说明，某地块位于上海市，场地部分区域土壤和受到多种重金属污染，需实施场地修复，主要采取土壤生物法修复。由于生物法耗费时间较长，须配合隔离屏障防治污染物向周边扩散。该场地的污染物均位于上海市②1层内（可视为相对隔水层）及③层（利于污染物水平向迁移的含水层），最大污染深度1.1m。
根据该地块的功能需求及污染物分布情况，由表1可将其污染类型定为ⅱ型；由于污染物埋深较浅，故采用悬挂式垂直隔离屏障对污染物进行阻隔；具体的计算方法包括如下步骤：
（1）确定击穿标准cs，悬挂式垂直隔离屏障底部可以达到污染物初始浓度值的10%；
（2）根据室内试验及相关资料调研，确定土层的等效扩散系数为6.0e-10m2/s；
（3）结合场地后期地下空间开发，确定悬挂式垂直隔离屏障的设计服役期为5年，通过实施例1中悬挂式垂直隔离屏障插入深度的计算公式，计算获得悬挂式垂直隔离屏障的插入深度为1.65m。
同时，悬挂式垂直隔离屏障的厚度确定原则为：按照最小厚度进行设计，且该最小厚度满足嵌入式垂直隔离屏障厚度计算方法的验算结果。以水泥土搅拌桩为例，目前的施工条件的最小厚度取为350mm。同时按照嵌入式垂直隔离屏障厚度计算方法进行验算，包括以下步骤：
（1）确定击穿标准cs，水泥土搅拌桩的外侧壁可以达到污染物初始浓度值的10%；
（2）根据室内试验及相关资料调研，确定水泥土搅拌桩的扩散系数为4.0e-11m2/s；
（3）结合场地后期地下空间开发，确定水泥土搅拌桩的设计服役期时间为5年，通过实施例1中的嵌入式垂直隔离屏障厚度计算公式计算得y值为2.2，再计算得c/c0=0.002<10%，满足验算结果。