裂隙岩体含水层六价铬污染的修复

刘松玉; 刘宜昭; 赵洁丽; 张文伟; 刘威; 范日东

doi:10.11779/CJGE202003002

裂隙岩体含水层六价铬污染的修复 English Version

1.
东南大学岩土工程研究所,江苏　南京　210096
2.
江苏圣泰环境科技股份有限公司,江苏　南京　210007

详细信息

作者简介:
刘松玉（1963— ）,男,博士,教授,主要从事桩基工程,特殊土地基处理及环境岩土等方面的研究工作。E-mail：liusy@seu.edu.cn

通讯作者:
刘宜昭, E-mail：lyz9558@foxmail.com

中图分类号: TU432
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出版历程
- 收稿日期: 2019-06-26
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-02-29

Remediation of fractured rock aquifers contaminated by hexavalent chromium

1.
Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China
2.
Jiangsu Sentay Environmental Science and Technology Co., Ltd., Nanjing 210007, China

摘要

摘要: 结合山东省某机械公司岩体污染场地六价铬污染修复工程,详细分析研究了基岩裂隙水中污染物的运移特征、修复技术选择与施工、修复效果评价。研究表明：基岩裂隙水中六价铬污染羽的形态与规模主要取决于地下水流场、含水层富水性及断裂带产状,污染羽的深度取决于含水层埋深；基岩裂隙水复杂的水力联系条件是引起污染空间分布差异性大的控制因素。通过论证分析,提出了原位阻隔、地下水化学还原与抽水异位处理的多技术联合修复方案,修复后所有监测井内地下水中六价铬浓度均低于地下水质量Ⅳ类标准0.1 mg/L,修复率达到99%以上。该工程的成功实施可为基岩裂隙含水层污染修复工程的设计与施工提供参考。
- 裂隙岩体 /
- 六价铬污染 /
- 地下水修复 /
- 阻隔 /
- 抽水异位处理 /
- 原位化学还原
Abstract: The contamination characteristics of bedrock fissured aquifer, selection and implementation of remediation technologies, and evaluation of remediation effects are analyzed based on the remediation project of hexavalent chromium-contaminated groundwater in a machinery company in Shandong Province. The results show that the shape and the scale of hexavalent chromium-contaminated plume in bedrock fissured aquifer mainly depends on groundwater flow field, water abundance of aquifer and occurrence of fault zone. The buried depth of contamination plume depends on that of aquifer. The complex hydraulic connection condition of bedrock fissured water is an important factor causing great difference in spatial distribution of contamination concentration in the site. Through technical and economical analysis, a multi-technology combined remediation scheme including groundwater barrier, ex-situ treatment after pumping and in-situ chemical reduction technology is put forward. After field remediation, the concentration of hexavalent chromium in groundwater in all monitoring wells is lower than that of class IV standard(0.1 mg/L) in "Chinese Standard for Groundwater Quality", and the successful remediation percentage is almost 99%. This successful implementation project can provide reference for the design and construction of remediation of contaminated fissured rock aquifers.
- fractured rock /
- hexavalent chromium contamination /
- groundwater remediation /
- barrier /
- ex-situ treatment after pumping /
- in-situ chemical reduction

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孙建生老师对敝人《稳定安全系数计算公式中荷载与抗力错位影响探讨》^[1]（以下简称原文）提出了宝贵的指导及讨论意见,非常感谢！

业界普遍认为边坡稳定安全系数目前主要有两种定义方法：①为抗滑力矩与下滑力矩之比（通常可简化为抗力荷载比）,相应的稳定安全系数计算方法一般采用单一安全系数法（原文即采用此法）,以瑞典条分法为代表；②定义为滑动面上的抗剪强度与实际产生的剪应力之比,相应的稳定安全系数计算方法一般采用强度（抗剪强度）折减法,以毕肖普法（Bishop）及简布法（Janbu）为代表。宋二祥等^[2]倾向于第二种定义。孙文中 $\sum R \div K = \sum S$ ,对所有抗滑力除以了同一安全系数K、即均进行了折减,从公式表达来看与单一安全系数法没什么不同,与强度折减法仅对岩土体的抗剪强度进行折减明显不同。

但文献[3]认为“抗滑稳定安全系数K是表达……实际……滑动力 $\sum S$ 与理论极限（虚拟概念）抗滑力 $\sum R$ 的极限平衡接近程度”,之后的论述绕此展开。“实际滑动力”、“理论极限抗滑力”及“极限平衡接近程度”等用语是理解文献[3]观点的关键。

第②种定义中的“抗剪强度”及“剪应力”也可表达为“抗力”及“荷载”或“抗滑力”及“滑动力”,从文献[3]角度来看,极限抗滑力是理论的,故是“虚拟概念”；实际滑动力即实际发生的荷载,与抗滑力相等时则土体处于极限平衡状态；在安全系数K计算过程中通过逐步折减而逼近极限平衡状态,表达了实际滑动力与抗滑力的接近程度,故文献[3]更适合从第②种定义及强度折减法的角度去理解。倘若如此,则：

（1）文献[3]认为原文极限平衡力学基本概念混淆、错误、缺失。笔者认为,原文没有明示但实质上依据的是第一种定义,文献[3]讨论的实质上属于第②种定义,两种定义中的概念不同是正常现象。

（2）文献[3]认为“分子与分母加减项的变化必然影响到安全系数计算结果,但这绝不是极限平衡概念的滑动力荷载与极限抗滑力概念错位问题的探讨依据”,笔者同意。“分子与分母加减项的变化必然影响到安全系数计算结果”正是原文目的,原文探讨的就是加减项中的那些不合理项导致的按第一种定义编写的安全系数计算公式有时并不完全符合第一种定义这种现象；“计算结果……不是概念错位问题的探讨依据”,因为定义形式不同,当然不能把根据第一种定义获得的计算结果当作探讨第二种定义概念的依据。

（3）文献[3]认为抗滑力是虚拟受力。笔者认为,抗滑力大于滑动力时可如此认为,小于时（处于极限平衡状态或滑坡时）则不是虚拟的、而是实际发生的。

（4）文献[3]认为“在 $K = \frac{\sum R}{\sum S}$ 公式中,分子抗滑力 $\sum R$ 包含所有极限虚拟概念状态的抗滑力因素,不论正负......分母滑动力 $\sum S$ 包含所有实际切向滑动力因素,不论正负”,笔者没有理解。①所有的抗滑力均应是同向、即“正”的,“负抗滑力”指的是什么呢?如果是负的,与抗滑力反向的,就应该是滑动力；但如果是滑动力,就应该如第②种定义及文献[3]前述,是实际发生的,那么就不是“虚拟概念”的,因为“虚拟概念”的是抗滑力；但如果是抗滑力,就应该与其它“正”抗滑力同向、不应为负,故“负抗滑力”到底是什么力,很难理解；②同理,所有的滑动力均应是同向、即“正”的,“负滑动力很难理解；③假定部分滑动力也可以“虚拟概念”、即作为“负抗滑力”计入分子 $\sum R$ ,部分抗滑动可以实际发生、即作为“负滑动力”计入分母 $\sum S$ ,那么,哪些滑动力可以计入分子、哪些抗滑力可以计入分母?

仍以瑞典条分法为例,当滑弧中心点O位于边坡上方时,如图1所示,土条1~（m-1）的重力产生滑动力 $\sum_{i = 1}^{m - 1} G ti$ ,土条m~n的重力产生抗滑力 $\sum_{i = m}^{n} G ti$ ,两者作用方向相反,围绕着两者关系如何处理产生4种稳定安全系数K计算公式,其中前2种工程应用广泛：

$K = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i})}{\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} - \sum_{i = m}^{n} G_{t i}}$ ,

(1)

$K = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i})}{\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i} + \sum_{i = m}^{n} G_{t i}}$ ,

(2)

$K = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (G_{n i} \tan φ_{i} + c_{i} l_{i}) - \sum_{i = m}^{n} G_{t i}}{\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i}}$ ,

(3)

$K = \frac{\sum_{i = 1}^{n} (G ni \tan φ i + c i l i) + \sum_{i = m}^{n} G ti}{\sum_{i = 1}^{m - 1} G ti}$ 。

(4)

图 1 瑞典条分法边坡稳定分析简图

Figure 1. Sketch about slope stability analysis by Swedish Slicing Method

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式（1）～（4）从文献[3]角度来看：①式（1）将 $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 放在分母与滑动力 $\sum_{i = 1}^{m - 1} G_{t i}$ 相减,可认为是 $\sum S$ 中的“负滑动力”；②式（2）将之放在分母与滑动力相加,可认为是 $\sum S$ 中的“正滑动力”；③式（3）将之放在分子与抗滑力 $\sum_{i = 1}^{n} （ G_{n i} tan φ_{i} + c_{i} l_{i} ）$ 相减,可认为是 $\sum R$ 中的“负抗滑力”；④式（4）将之放在分子与抗滑力相加,可认为是 $\sum R$ 中的“正抗滑力”。那么, $\sum_{i = m}^{n} G_{t i}$ 到底是“负滑动力”、“正滑动力”、“负抗滑力”还是“正抗滑力”?这个问题文献[3]没有指明如何处理,却正是原文所讨论的核心内容,换句话说,在这个问题上原文所讨论的内容与孙文观点是互补的。

（4）其余意见详见笔者对文献[2]的回复意见,不再赘述。

总结：①业界对边坡稳定安全系数的主要定义形式有两种,原文依据的是第一种,孙文实质上依据的是第二种,故概念有所不同；②文献[3]提出了“负抗滑力”及“负滑动力”等观点但没有提出实现方法,没有解决原文讨论的安全系数计算公式中抗力与荷载错位（从文献[3]角度可理解为抗滑力与滑动力应用不当）的问题。

笔者对文献[3]理解不准确及本回复意见不妥之处,敬请孙老师及读者们谅解及继续批评指正。

图 1 污染场地位置

Figure 1. Location of contaminated site

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图 2 场地工程地质剖面图（I—I′截面）

Figure 2. Hydrogeological cross-section (I-I′) of site

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图 3 断裂带分布、污染羽范围及抽/注水井、监测井、灌浆帷幕布置示意图

Figure 3. Distribution of fault zones, pollution plume and layout of pumping/injection/monitoring wells and grouting curtain

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图 4 各区点位地下水Cr（Ⅵ）浓度超标情况

Figure 4. Over-standard situation of Cr（Ⅵ）in groundwater in areas

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图 5 修复技术剖面布置图（I—I′截面）

Figure 5. Cross-section layout of applied technologies (I-I′)

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图 6 污水处理系统示意图

Figure 6. Sewage treatment system

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图 7 修复期间地下水六价铬浓度衰减

Figure 7. Changes of Cr(Ⅵ) concentration in groundwater during remediation

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表 1 铬污染含水层修复案例

Table 1 Remediation cases of chromium-contaminated aquifer

污染场地	受污染含水层	处理方法	参考文献
青海中星铬盐厂	浅层含水层：杂填土及粉土层（埋深0.1~3.45 m）；深层含水层：砂卵砾石层（埋深2.7~10.8 m）。含水层厚度在0.7~6.0 m。	地下水阻隔技术、地下水抽出处理技术、原位反应带修复技术	[9, 10]
长沙铬盐厂	浅层含水层：杂填土层（埋深2.1~4.8 m）；深层含水层：圆砾层（埋深6.80~14.10 m）。	地下水阻隔技术、动态地下水循环化学-生物还原系统（DGR）和原位化学还原技术	[11, 12]
济南裕兴化工原厂区	粉土层,粉质黏土夹姜石层。浅层含水层、深层含水层埋深分别为10,15 m。	地下水阻隔技术、原位化学还原技术	[13]
青海海北铬盐厂	松散砂砾层,埋深0.35~21.5 m,厚30 m。	原位化学还原技术	[14]
美国新泽西州瓦尔迪克航空设备公司	中细砂/砾石层、砂质粉土层,埋深6 m左右。	抽出处理技术	[15]
美国北卡罗莱那州海岸警卫队支援中心	粉质黏土、细砂层。埋深1.5~2 m,厚度4 m左右。	可渗透反应墙	[16]
美国联合铬制品公司	浅层含水层：粉细砂层（埋深0~6 m）；深层含水层：粉砂胶结砾石层（埋深7.6~13.7 m）。	抽出处理技术	[17]

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表 2 各区地下水Cr（Ⅵ）浓度范围及最高超标倍数

Table 2 Concentration range of Cr（Ⅵ）in groundwater and maximum over-standard multiple points in each area

区域	区域用途	Cr（Ⅵ）污染浓度范围/(mg·L^-1)	最高超标倍数
A区	居民住宅及大片农田	0.632~5.87	58.7
B区	机械公司绿化区	0.121~202	2020
C区	厂房及仓库,污染源所在区域	0.71~2590	25900
注：场地地下水修复目标值为《地下水质量标准》（GB/T14848—2017）中给出的Ⅳ类水标准（0.1 mg/L）。

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表 3 区域划分及治理方案

Table 3 Division of site and applied technologies

区域划分	Cr（Ⅵ）污染程度（最大浓度）	修复技术	具体修复方法
A区	轻度污染（5.87 mg/L）	原位化学还原技术	修复A区地下水并防止上游未被拦截的污染物进一步扩散。
B区	重度污染（202 mg/L）	地下水阻隔技术、抽水异位处理技术	先在B区最南端施工帷幕灌浆带作为隔离屏障,控制污染物迁移,再抽水异位处理。
C区	重度污染（2590 mg/L）	回灌达标地下水并进行原位化学还原处理	在C区回灌B区修复达标后的地下水,同时注入还原剂增强修复效果。

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表 4 各区修复前后地下水六价铬污染情况及修复率

Table 4 Contamination of Cr(Ⅵ) in groundwater before and after remediation and remediation rate in each area

区域	污染点位	修复后Cr（Ⅵ）浓度范围/(mg·L^-1)	平均修复率/%
A区	W9, Cs-2, Cs-11	ND	100.00
B区	C2, C4, C6, C12, C15, C51, C53, W3, W10, K12-13, K25, K20, K22	ND	100.00
C区	C13,C19,C21,C22,C23,C25,C26,C30,C31,C32,C34,C35,C36,C37,C38,C39,C40,C50, W4,W5	ND~0.079	99.42
注：ND代表样品中未检出六价铬,检出限为0.004 mg/L。

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参考文献(19)

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施引文献(2)

期刊类型引用(2)

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