垃圾填埋场渗滤液水位地球物理探测技术初探

1、垃圾填埋场渗滤液水位地球物理探测技术初探付士根;杜文利;胡家国【摘 要】渗滤液水位是影响垃圾填埋场堆体稳定性的重要因素,垃圾填埋场内渗滤液的高水位会引发填埋边坡失稳滑坡事故,为快速地了解垃圾填埋场渗滤液水位,基于高密度电法对地下含水量变化的敏感性特点,利用高密度电法对垃圾填埋场渗滤液水位探测进行了试验研究.采用温纳排列方式,电极间距 6 m,每条测线布置电极约80 根.结果表明,新垃圾填埋区电阻率一般低于 10 m;新垃圾填埋场原始山体与垃圾分界线的视电阻率约在 4080 m 之间,旧垃圾填埋场高阻区域原始山体与垃圾分界线的视电阻率明显高于新垃圾填埋场.利用高密度电法对垃圾填埋场渗滤液水位进行

2、探测取得了较显著的效果,为物探技术在垃圾填埋场应用提供有益的参考.【期刊名称】工程地球物理学报【年(卷),期】2018(015)006【总页数】6 页(P749-754)【关键词】垃圾填埋场;渗滤液水位;高密度电法;电阻率层析成像【作 者】付士根;杜文利;胡家国【作者单位】中国安全生产科学研究院,北京 1000121;生物天然气与城乡固废处理国家地方联合工程研究中心,吉林吉林 132044;中国安全生产科学研究院,北京1000121【正文语种】中 文【中图分类】P631.3引 言垃圾填埋目前依然是我国城市固体废弃物的主要处置方式之一，随着城市垃圾清运 量的快速增长，各垃圾填埋场堆体高度逐渐增大

3、，填埋场堆体稳定性问题逐渐暴露 出来。如填埋场一旦发生滑坡灾害，不但造成人员伤亡，而且滑坡引起的垃圾扩散、渗滤液外流、废气排放，会严重污染周边环境。研究表明渗滤液水位是影响垃圾堆 体稳定性的主要因素，渗滤液水位过高会引发各种形式的垃圾堆体边坡失稳1-3。特别是南方湿润多雨，填埋场内渗滤液导排系统发生淤堵等原因时，出现填埋体内 渗滤液水位过高，导致垃圾堆体极易发生滑坡，如南方某大型垃圾填埋场，2016年 8 月由于第 4 号台风“妮妲”的影响，该垃圾填埋场堆体内部水位急剧上升， 渗滤液水位大多在填埋面以下 5 m，边坡出现多处溢流点，8 月 4 日该垃圾填埋场南坡发生垃圾堆体滑移，滑移体积约为

4、40 000 m3。鉴于此，垃圾填埋场运行过程中的渗滤液水位就显得十分重要。高密度电法在矿山水害探测及防治、垃圾填埋场渗漏液对环境污染监测等方面被大量的研究和利用4-6，但是在垃圾填埋场渗沥液水位探测方面的应用研究较少。本文以南方某大型垃圾填埋场渗滤液水位探测为例，总结和分析了高密度电法探测技术在垃圾填埋场渗滤液水位探测方面的应用，对高密度电阻率法在垃圾填埋场渗滤液水位探测的适用性和局限性进行了初步探讨，为物探技术在垃圾填埋场渗滤液水位探测方面提供有益的参考。高密度电法基本原理及影响因素高密度电法高密度电法是在常规电法基础上发展起来的新型物探方法，以研究岩石和矿石视电 阻率的差异作为物性基础的

5、电探方法，以地下介质间的电阻率不同为研究前提。其 工作的基本原理和常规电阻率法相似，通过供电电极 A、B 向大地供直流电 I(安培，A)，在测量电极 M、N 间测量电位差 U(伏特，V)，进而求得该测点的视电阻率s(m)(s=KU/I，其中 K 为装置系数(即排列系数)，和电极间距有关)。根据实测的视电阻率 s，反演出视电阻率断面图，再通过反演和分析，便可获得不同地层中的电阻率分布范围，从而划分出不同地层，推测地下地质异常区域的赋存状态， 如位置、深度和形态。高密度电法采用阵列勘探方法，在二维空间内测量地下稳定电流场的分布。测量时， 将多个电极一次性布设完毕，这些电极以固定的间距排列在一条直线

6、上7(见图 1)， 每个电极既是供电电极又是测量电极。通过程控式多路电极转换器选择不同的电极 组合方式和不同的电极间距，从而完成野外数据的快速采集。图 1 高密度电阻率法温纳设置示意图(A 和 B 为供电电极；M 和 N 为测量电极； 采集的视电阻率的值都显示在倒梯形里；在这里 n 表示隔离系数(或采集层数)，即单位电极距的倍数；n 值越大，探测深度越深)Fig.1 The sketch map of high density resistivity method(A and B are source electrodes, M and N are received electrodes. A

7、cquisition of apparent resistivity values are shown in the inverted trapezoid. Here N is for isolation factor, also called acquisition layer)高密度电法的视电阻率数据反演使用最小二乘法，其迭代公式如下： (JJ+F)d=Jg(1)式中：F=fxfx+fzfz，fx 为水平平滑滤波系数矩阵， fz 为垂直平滑滤波系数矩阵， J 为偏导数矩阵，J是 J 的转置矩阵， 为阻尼系数，d 为模型参数修改矢量，g 为残差矢量。高密度电法探测垃圾填埋体适用性垃圾填埋场具

8、有结构相对松散、堆体高度低、含水量大，符合物探技术对地下含水量变化的敏感性特性。高密度电法视电阻率剖面图呈倒梯形形状，测量的深度越大，剖面显示的信息就越少，分辨率也随之降低，深部探测的不确定越大。同时受测量电极间距、隔离系数的限制，该方法比较适合较浅层的探测，最深 200 m 左右，100 m 以内效果较好8。已有研究9表明岩土的电阻率是极其复杂的数学函数，与岩土组成、结构(孔隙度，孔隙大小分布等)、含水量、地下流体电阻率和温度均有紧密联系，垃圾填埋体和基岩视电阻率大小主要取决于空隙和含水量，特别是在雨季空隙和含水量发生急剧变化，若内部结构为空区或基岩，则视电阻率很高；若空隙大量含水，则视电阻

9、率就很低，在相等含水量情况下，电阻率值随着水的含量增加而明显降低10,11，如图 2。从图 2 看出，如果含水质量分数从 10 %增加到 20 %，电阻率下降 66.7 %，从75 m 下降到 25 m，含水量对视电阻率影响极大；当含水量大于 30 %，视电阻率变化较小，可见当水含量达到一定峰值后，它对视电阻率影响较小。图 2 岩石含水质量分数和电阻率关系 Fig.2 Relationship of water content and resistivity in rock工程应用实例南方某大型垃圾填埋场占地面积 44.33 万 m2(约 665 亩)，其中垃圾填埋区占地约21104 m2。垃

10、圾场已分为厂区西侧旧垃圾山填埋区及厂区东侧的新垃圾填埋区，旧垃圾山最高处距地表面已达 70 余米，新垃圾填埋区也达到 30 m 高度。旧垃圾山山顶及周边大范围区域内在原有垃圾之上覆盖了大量弃土，表层土壤松散，部分地段土壤被压实且已经绿化，主要由黄土、垃圾层以及基岩组成。为预防垃圾填埋场边坡滑坡风险，以便采取相应的导排水措施，利用高密度电法对该垃圾填埋场渗滤液水位探测。探测区域地质情况整体表现为上部低阻，中部表现为低-高阻，底部基岩为高阻，并且底部高阻分布不均，这些情况主要是因为雨后探测且底部是填埋场基岩，上部为覆土或垃圾，旧垃圾山中间为垃圾填充物，并且垃圾填充种类不一、分布不均所致。测线布置本

11、次试验研究主要是在新垃圾填埋区布置 8 条测线，旧垃圾填埋区布置 2 条。高密度电法仪器采用 AGI 公司生产的 AGI 高密度电法监测系统探测。供电电压为 10 V 直流电。电极极距 6 m，高密度电阻率法具有多种电极排列方式，本次主要采用温纳装置( 装置)施测，每条测线布置电极约 80 根。图 3 测线 L1 高密度电阻率反演图(方向为 SN)Fig.3 LineL1 High Density Resistivity Inversion数据处理与成果解释野外布置了 10 条测线，选择其中具有代表的 L1 和 L2 测线的高密度电法为例进行说明，其中 L1 为正在作业的新垃圾填埋区域，L2

12、为旧垃圾填埋区域。通过高密度自带成图软件对采集到的 2 条测线数据进行并反演。测线 L1 布线方向由南至北，测线的反演断面如图 3 所示(图中色标代表不同的视电阻率，其中蓝色红色，表示电阻率由低向高转化 )。由于探测时间是雨后刚过， 整条测线长度内的视电阻率表现得都不是很高，一般都低于 80 m，但是视电阻率的变化显著。地表深约 316 m 不等区域内出现相对低阻区域，低阻区域的视电阻率一般低于 10 m，推断为主要的含水区域。其中部分视电阻率在 35m 之间的团状区域，说明该区域有积水存在，这是由于新垃圾填埋区可能堆积时间较短，局部垃圾还没有被压实；视电阻率在 510 m 之间、呈条带状的低

13、阻异常带，推测为填埋垃圾内部还有一定的水分。根据低阻区域的分布情况，推断测线 L1 附近的渗滤液水位线高度分别距离垃圾表面以下 2.56 m 不等。徐子东12等在武汉某回填土堆场高密度电法污染调查所测得视电阻率值小于 47 m 是比较符合的。图中由南至北长度在 0150 m 范围内下部表现高阻区域连续，高阻区域的视电阻率约在 4080 m 之间，推测为原始山体与垃圾分界线。图 4 测线 L2 高密度电法电阻率反演图(方向为 WE)Fig.4 LineL2 High Density Resistivity Inversion测线 L2 布置在旧垃圾场北侧路上，靠近填埋场边坡，布线方向由西至东，测

14、线的反演断面如图 4 所示(图中色标代表不同的视电阻率，其中蓝色红色，表示电阻率由低向高转化)。从图 3 和图 4 比较可以看出，图 4 的高阻区域视电阻率值大于图 3 高阻区域的视电阻率值，这是由于旧垃圾填埋场经过多年的覆土绿化工作， 旧垃圾填埋场区域内含水量低的缘故。但由于探测时间也是雨后探测，故探测区域的地表部分视电阻率依然较低。地表深约 035 m 不等区域内出现相对低阻区域，低阻区域的视电阻率一般低于10 m，推断为主要的含水区域，和垃圾填埋深度 032.5 m 比较符合。横向上在由西至东 4080 m 和 190200 m 区域，存在部分视电阻率在 35 m 之间的团状区域，说明该

15、区域可能有积水现象，这可能是由于旧垃圾填埋区存在导水通道所致，这可以从坡面表面有被水冲刷的痕迹得到验证。图 4 中由西至东长度在整条测线范围内下部表现高阻区域比较连续，高阻区域的视电阻率约在 80 m 以上，推测为原始山体与垃圾分界线，总体上旧垃圾填埋场含水量较少。在最东边有一团状区域的视电阻率在 1 000 m 以上，说明该区域存在较完整的基岩。这也和答文威等13人在武汉地区岩溶发育区岩性电性参数研究结果一致，即视电阻率值越高，说明该区域的基岩比较完整，否则视电阻率会明显下降，在断面图上显示为低阻异常。结 论通过采用高密度电法对垃圾填埋场渗滤液水位探测进行的试验研究，可归纳为以下几点认识：垃

16、圾填埋场与山体基岩之间存在着明显的电阻差异，从而为电阻率法圈定地下含水体提供必要的物质基础，与物探技术对地下含水量变化的敏感特性吻合，采用高密度探测技术上是可行的。垃圾场新场的渗滤液水位普遍较高，且排放顺序较为集中，导致沉降不均匀，垃圾场内存在含水空间或者气体空间，含水量较大，北面坡度较陡，水位较高，且存在表面径流，存在滑坡的可能性。旧垃圾填埋场北面由于之前没有做过防渗措施，存在垃圾场废水与地下水沟通的现象，根据反演图推测可能存在 2 个导水通道。高密度电法在城市垃圾填埋场渗沥液水位探测方面还有许多问题需要深入研究和探 讨，如垃圾结构成分与视电阻率值的对应关系、雨中探测对数据采集的影响等方面，

17、 因而研究高密度电法用于垃圾填埋场渗沥液水位探测，对预防垃圾填埋场堆体滑坡 和环境污染监测，都具有十分重要意义。参考文献：【相关文献】詹良通，管仁秋，陈云敏，等.某填埋场垃圾堆体边坡失稳过程监测与反分析J.岩石力学与工程 学报, 2010, 29(8)：1 698-1 703.崔广强，林从谋，涂 帆.现代垃圾填埋场稳定性研究现状J.环境卫生工程，2007，15(5)：4-7.王磊刚.垃圾填埋场渗滤液处理技术探讨J.工业安全与环保，2009，35(1)：35-38.付士根,窦梅林,刘勇锋，等.电磁探测技术在矿山水害防治中的适用性评价 J.工程地球物理学报， 2011，8(3)：297-300.孙

18、礼钊，郑琳，包伟力.高密度电阻率法在某水库南堤渗漏探测中的应用研究J.工程地球物理学 报，2016，13(5)：575-578.朱紫祥，胡俊杰. 高密度电法在岩溶地区溶洞勘查中的应用 J.工程地球物理学报， 2017,14(3)： 291-294.邵 帅，郭秀军，曹馨，等.填埋场渗漏电学检测能力及影响因素分析 J.环境科学与技术， 2015， 38(2)：120-123.鲍玉学.电阻率法野外勘查影响因素分析及对策J.有色矿冶，2016，32(1)：5-8.李金玺，吴有亮，韩 翀，等.采用高密度电法预测矿山堆积体滑坡面J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2013,32(1)：33-36.McCarter, W J McCarter.The Electrical Resistivity Haracteristics of Comp