一种落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补方法

本发明涉及一种落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补方法，主要用来扩大竖向阻隔屏障进入隔水层的深度和宽度，避免污染物以绕流、对流迁移方式击穿竖向阻隔屏障底部，属于岩土工程中污染场地风险阻控技术领域。

背景技术：

《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》(hj25.6-2019)对竖向阻隔屏障的防渗性能和完整性提出了风险管控效果评估要求，是确保阻断污染物向外迁移的关键指标。根据污染物在多孔介质中迁移理论，控制污染物击穿屏障方法的原理有如下几点：其一，是通过屏障两侧水头差控制，消除污染物以对流方式的迁移；其二，是通过挤密屏障内联通孔隙，控制污染物以对流、弥散方式在屏障中的迁移；其三，是通过增大屏障几何尺寸，延长污染物迁移的路径。按是否进入隔水层，竖向阻隔屏障可分为落底式竖向阻隔屏障和悬挂式竖向阻隔屏障。我国污染地块竖向阻隔工程主要采用落底式竖向阻隔屏障。

对工后、运行维护阶段监测出缺陷的竖向阻隔屏障应进行及时工程修补，避免污染物从局部缺陷处迁移，确保屏障的使用年限。运行维护阶段监测出现污染场地风险管控预警，原因之一在于竖向阻隔屏障出现了局部缺陷，并由于化学侵蚀作用加剧缺陷面积，形成污染物迁移并击穿屏障的优势通道。现阶段工程实践表明，落底式竖向阻隔屏障的局部缺陷主要存在于屏障底部，原因如下：(1)场地地质条件所决定的不利因素，例如隔水层连续性差，局部隔水层厚度无法确保屏障底部有效嵌固，使得屏障底部存在潜在污染物绕流通道；(2)现有施工技术条件下，屏障施工难度随屏障深度增大而增加，深部搅拌不充分、基岩裂隙处灌浆不充分、槽底清渣不彻底均易使得屏障局部的渗透系数超出设计要求、完整性降低；(3)重非水相有机物、六价铬富集于隔水层表面或基岩裂隙，富集区浓度大于含水层、包气带中污染物浓度，对屏障底部造成严重化学侵蚀，导致屏障底部防渗性能、对污染物吸附能力降低。

目前，对施工验收及运行维护阶段查明存在底部缺陷的竖向阻隔屏障，采用深层搅拌、高压喷射注浆技术进行修补，修补方法单一、修补过程对既有屏障造成破坏，且有效修补面积率低。综上所述，迫切需求提出适用于复杂地质条件、对既有屏障扰动小、精准修补、施工高效且材料具有优异防渗性能的竖向阻隔屏障底部缺陷的修补方法，为污染场地风险管控、场地安全再利用提供技术支撑。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现阶段竖向阻隔屏障局部缺陷修补主要采用深层搅拌和高压喷射注浆施工技术，对修补竖向阻隔屏障底部缺陷主要存在以下技术缺陷：(1)二次施工的机械搅拌、高压喷射过程易造成对既有屏障、较薄厚度处隔水层的破坏；(2)采用同类屏障材料无法根本性改变屏障底部对高浓度污染物的抗化学侵蚀能力；(3)深部施工对垂直度、屏障材料均匀性的质量控制难度大；(4)采用全断面式修补，局部缺陷处上部施工作业量浪费严重。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补方法，其特征在于，修补方法包括如下步骤：

步骤11：确定修补范围；

步骤21：制备修补浆料；

步骤31：根据修补范围设置注浆单元；

步骤41：调试修补装备，确定充填作业所需的累积时间t、单次充填作业时间t；

步骤51：通过压力控制单元控制注浆单元进行注浆充填；

步骤61：修补浆料的充填作业完成7天后，回收注浆单元，完成落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补。

其中，对于所述修补范围，其平面布置上沿竖向阻隔屏障走线方向对称设计，修补范围的尺寸设计包括顶面相对地表的标高、底面相对地表的标高、距离竖向阻隔屏障的宽度及沿竖向阻隔屏障走线方向的长度，其中，顶面相对地表的标高较隔水层埋深高0.4m及以上，底面相对地表的标高按表1取值，左侧、右侧边界分别距离竖向阻隔屏障左侧、右侧的宽度大于等于0.4m，沿竖向阻隔屏障走线方向的长度覆盖底部缺陷在走线方向的长度；

表1修补范围底面相对地表的标高取值

其中，所述的注浆单元包括钢板桩、钢套管、导浆管、温度传感器、流量传感器、充填单元；钢套管固定于钢板桩；导浆管、温度传感器、流量传感器依次密封固定连接并嵌套于钢套管内；充填单元与流量传感器密封固定连接并裸露于钢套管外；导浆管水平120°范围内转动并同步驱动充填单元水平转动。

其中，所述的设置注浆单元的平面布置与修补范围的平面布置一致，设置注浆单元的深度与修补范围的底面相对地表的标高一致。

优选的，所述的充填单元包括若干个子充填单元，所述子充填单元均设有水平出浆孔和垂直出浆孔，子充填单元之间通过螺纹连接；垂直出浆孔的直径控制为水平出浆孔的2至5倍；水平出浆孔沿深度方向的间距控制为0.1m至0.2m，水平出浆孔的最小埋深与修补范围的顶面相对地表的标高一致，水平出浆孔的最大埋深与修补范围的底面相对地表的标高一致。

优选的，所述的充填作业所需的累积时间t按照式(1)确定：

式中，a表示水平出浆孔至竖向阻隔屏障的水平距离(m)；b表示两相邻充填单元的水平间距(m)；l表示修补范围的顶面相对地表的标高与隔水层埋深的高程差(m)；h表示隔水层埋深与修补范围的底面相对地表的标高的高程差(m)；ρ1表示隔水层上覆含水层的干密度(kg/m³)；ρ2表示隔水层的干密度(kg/m³)；n表示充填单元中水平出浆孔的数量；n1表示隔水层埋深以上充填单元中水平出浆孔的数量；q表示流量传感器测得修补浆料的流量(m³/h)；ρ3表示修补浆料的干密度(kg/m³)；α表示第一修正系数，取值范围0.05至0.24；β表示第二修正系数，0.20至0.38；

所述的单次充填作业时间t按照式(2)确定：

式中，h表示水平出浆孔沿深度方向的间距(m)；η表示第三修正系数，取值范围1.0至1.8。

本发明还提供了一种修补浆料的制备方法，使用的原材料包括偏高岭土、钙基膨润土、羧甲基纤维素钠、氢氧化钠和微纳米气泡水，所述修补浆料的制备方法包括如下步骤：

步骤12：通过微纳米气泡发生装置制备含微纳米气泡的清洁水；

步骤22：采用含微纳米气泡的清洁水制备氢氧化钠溶液，溶液ph控制为12.5±0.1；

步骤32：将风干钙基膨润土、偏高岭土与羧甲基纤维素钠均匀混合制备成修补浆料的干物料，钙基膨润土与偏高岭土的质量比可取范围1:4至1:20，钙基膨润土与羧甲基纤维素钠的质量比可取范围10:1至20:1；

步骤42：将干物料与氢氧化钠溶液混合并搅拌制备成修补浆料，干物料与氢氧化钠溶液的质量比范围为2:1至1:5，搅拌过程中修补浆料的温度控制为50℃至75℃，搅拌速率控制为800rpm至2000rpm，搅拌时间控制为1h至3h。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)通过对称式压力注浆，能够避免修补施工对既有屏障的破坏；(2)修补方法的场地适用性强，通过调节充填单元中子充填单元的数量、设置垂直出浆孔，能够避免修补施工对隔水层的破坏；(3)修补体、竖向阻隔屏障、隔水层形成具有防渗功能和阻隔污染物迁移的整体，封堵较薄厚度处隔水层中潜在污染物绕流通道，能够避免污染物以绕流方式击穿竖向阻隔屏障底部；(3)通过限位挤密、材料碱激发，以物理、化学两种方式密实修补范围的修补体，能够提升修补体防渗性能和抗化学侵蚀能力，控制污染物以对流、弥散方式迁移的浓度通量；(4)注浆单元设置对垂直度、注浆单元沿竖向阻隔屏障走线方向的搭接宽度的施工质量控制难度小；(5)修补范围仅针对底部缺陷区域，提高修补施工效率，极大地节省施工作业量。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明中的注浆单元示意图；

图3是本发明中的充填单元示意图；

图中有：落底式竖向阻隔屏障1、落底式竖向阻隔屏障底部缺陷2、落底式竖向阻隔屏障进入的隔水层3、注浆单元4、压力控制单元5、修补体6、钢板桩41、钢套管42、导浆管43、温度传感器44、流量传感器45、充填单元46。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

本实施例结合附图对本发明的技术方案进行详细描述：

一处污染地块查明六价铬污染深度达12.0m，并存在高浓度有机污染物，在隔水层上形成dnapl池。场地含水层主要为砂土和粉土；隔水层平均埋深12.0m，主要为黏性土。既有竖向阻隔工程采用开挖-回填法施工hdpe膜复合竖向阻隔屏障，屏障宽度0.6m，屏障深度12.9m，进入隔水层深度0.9m。竖向阻隔工程的施工验收阶段，查明竖向阻隔屏障底部存在局部缺陷，分析原因为该处隔水层连续性较差，渗透系数为5.0×10^-8m/s，厚度为0.6m至1.1m，开挖施工过程影响了隔水层的完整性和竖向阻隔屏障底部嵌固效果。通过示踪剂检测，查明该处竖向阻隔屏障底部缺陷产生了污染物绕流通道，局部缺陷在走线方向的长度为6.4m。

如图1所示，本发明实施例的落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补方法包括如下步骤：

步骤11)：确定修补范围；

步骤21)：制备修补浆料；

步骤31)：根据修补范围设置注浆单元4；

步骤41)调试修补装备，确定充填作业所需的累积时间t、单次充填作业时间t；

步骤51)：通过压力控制单元5调节注浆单元4的充填单元46，进行修补浆料的充填作业；

步骤61)：修补浆料的充填作业完成7天后，回收注浆单元4，完成落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补。

上述修补范围的平面布置上沿竖向阻隔屏障走线方向对称设计，修补范围的尺寸设计包括顶面相对地表的标高、底面相对地表的标高、距离竖向阻隔屏障的宽度及沿竖向阻隔屏障走线方向的长度。顶面相对地表的标高取-11.5m。综合考虑底部缺陷处隔水层厚度为0.6m至1.1m，竖向阻隔屏障实际施工深度大于隔水层埋深0.9m，底面相对地表的标高取-13.4m，即较竖向阻隔屏障实际施工深度低0.5m。左侧、右侧边界分别距离竖向阻隔屏障左侧、右侧的宽度取0.4m。沿竖向阻隔屏障走线方向的长度取7.2m。

上述修补浆料所使用的原材料包括偏高岭土、钙基膨润土、羧甲基纤维素钠、氢氧化钠和微纳米气泡水，修补浆料的制备方法包括如下步骤：

步骤12)：通过微纳米气泡发生装置制备含微纳米气泡的清洁水；

步骤22)：采用含微纳米气泡的清洁水制备氢氧化钠溶液，溶液ph控制为12.5±0.1；

步骤32)：将风干钙基膨润土、偏高岭土与羧甲基纤维素钠均匀混合制备成修补浆料的干物料，钙基膨润土与偏高岭土的质量比取1:10，钙基膨润土与羧甲基纤维素钠的质量比可取20:1；

步骤42)：将干物料与氢氧化钠溶液混合并搅拌制备成修补浆料，干物料与氢氧化钠溶液的质量比为1:1.5，搅拌过程中修补浆料的温度控制为55℃，搅拌速率控制为2000rpm，搅拌时间控制为1h。测定修补浆料的马氏漏斗粘度为55s，可用于设备压力输送。

上述注浆单元4由钢板桩41、钢套管42、导浆管43、温度传感器44、流量传感器45、充填单元46组成。钢板桩41采用直线型钢板桩，有效幅宽为0.6m。钢套管42内径4.0cm，焊接于钢板桩41。导浆管43、温度传感器44、流量传感器45依次密封固定连接并嵌套于钢套管42内。导浆管43外径3.8cm，内径2.5cm。温度传感器量程0℃至99℃。流量传感器量程0.1m³/h至20m³/h。钢套管和导浆管端部设置水平开孔，用于温度传感器、流量传感器正常工作。充填单元46与流量传感器45密封固定连接并裸露于钢套管42外。导浆管43通过电机驱动具备120°水平转动功能并同步驱动充填单元46水平转动。

上述设置注浆单元4的平面布置与修补范围的平面布置一致，根据钢板桩41的有效幅宽，单侧沿竖向阻隔屏障走线方向并列设置12个注浆单元4。设置注浆单元4的深度与修补范围的底面相对地表的标高一致，即-13.4m。注浆单元通过钢板桩施工技术设置完成，垂直度控制为1％。

上述充填单元46总长度为2.1m，由3个子充填单元组成，子充填单元之间通过螺纹连接。每个子充填单元0.7m，设置5个水平出浆孔和1个垂直出浆孔，水平出浆孔沿深度方向的间距为0.15m。水平出浆孔的直径为0.8cm，垂直出浆孔的直径为1.8cm。充填单元46的水平出浆孔的最小埋深、最大埋深分别为11.5m和13.4m。

上述充填作业所需的累积时间t通过工艺性试验，按照式(1)确定：

式中，a表示水平出浆孔至竖向阻隔屏障的水平距离，取0.4m；b表示两相邻充填单元的水平间距，取钢板桩41的有效幅宽，为0.6m；l表示修补范围的顶面相对地表的标高与隔水层埋深的高程差，为0.5m；h表示隔水层埋深与修补范围的底面相对地表的标高的高程差为1.4m；ρ1表示隔水层上覆含水层的干密度，根据岩土工程勘察报告，取1450kg/m³；ρ2表示隔水层的干密度，根据岩土工程勘察报告，取1400kg/m³；n表示充填单元中水平出浆孔的数量，为15个；n1表示隔水层埋深以上充填单元中水平出浆孔的数量，为4个；q表示流量传感器25测得修补浆料的流量，取稳定阶段测得流量，为0.24m³/h；ρ3表示修补浆料的干密度，为530kg/m³；α表示第一修正系数，考虑到含水层渗透性良好，取0.1；β表示第二修正系数，综合考虑到隔水层的连续性、隔水层的厚度、先期施工对隔水层的扰动以及修补浆料的粘度，取0.35。根据式(1)计算结果，充填作业所需的累积时间t为2.94h。

上述单次充填作业时间t按照式(2)确定：

式中，a表示水平出浆孔至竖向阻隔屏障的水平距离，取0.4m；b表示两相邻充填单元的水平间距，为0.6m；h表示水平出浆孔沿深度方向的间距，为0.15m；q表示流量传感器25测得修补浆料的流量，取0.24m³/h；η表示第三修正系数，综合考虑到隔水层的连续性、隔水层的厚度、先期施工对隔水层的扰动，取1.1。根据式(2)计算结果，单次充填作业时间t为0.165h。

上述修补浆料的充填作业采用脉冲式压力注浆。各注浆单元4并联，由一个压力控制单元5调节。充填作业前，通过瞬时压力注气，检查导浆管43、充填单元46工作性能。单次充填作业时间t为0.165h，两次充填作业间的间歇时间为0.835h。修补浆料的充填作业总工时为18h。

上述修补浆料的充填作业完成7天后，回收注浆单元4，完成落底式竖向阻隔屏障底部缺陷的修补。连续50h抽水试验和荧光素钠示踪剂检测结果表明底部缺陷得到有效修补。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。