本文來源:鄭江,牛耕,宋澤龍.SRS聲波鉆機(jī)在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].四川建材,2022,48(08):67-69.
環(huán)境問題關(guān)系到人的生命健康,越來越受到人們的重視。近些年來,土地資源寶貴,土壤修復(fù)成為環(huán)保領(lǐng)域熱門的話題之一。為了做好土壤修復(fù),首先要做好土壤調(diào)查。鉆探是土壤調(diào)查中最重要的技術(shù)方法。為了獲取質(zhì)量高的芯樣,環(huán)保工程師們?cè)诓粩鄧L試各種取樣方法,包括回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、直推式鉆進(jìn)、沖擊鉆等。聲波鉆進(jìn)是當(dāng)前新穎的一種取芯方法,受到了越來越多人的重視。本文介紹了聲波鉆機(jī)的工作方法和工作原理,結(jié)合工程實(shí)踐,驗(yàn)證了這種方法的效率高且效過好,為環(huán)境地質(zhì)調(diào)查土壤取樣提供一種可供借鑒的方法。
關(guān)鍵詞:聲波鉆機(jī);環(huán)境地質(zhì)調(diào)查;土壤修復(fù);環(huán)保鉆機(jī);取芯
#0 前言
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的生活水平不斷提高,人們對(duì)所生存的環(huán)境越來越重視。一方面,對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度逐漸加大;另一方面,對(duì)已經(jīng)污染的環(huán)境在進(jìn)行修復(fù)治理。其中,土壤修復(fù)就是一項(xiàng)越來越受到重視的工作。人口越來越多,土地確是有限的,在一些區(qū)域,土地成了稀缺資源。對(duì)于已經(jīng)污染的土地,重新使用前需要進(jìn)行修復(fù)。場(chǎng)地調(diào)查是場(chǎng)地修復(fù)工作的基礎(chǔ),不適當(dāng)?shù)膱?chǎng)地調(diào)查結(jié)果是導(dǎo)致修復(fù)失敗的主要原因。在場(chǎng)地調(diào)查中,只有準(zhǔn)確地確定污染源、污染擴(kuò)散途徑、污染物分布和受體關(guān)系,才能制定經(jīng)濟(jì)有效的修復(fù)方案。
對(duì)于場(chǎng)地調(diào)查而言,鉆探又是直觀、重要的方法。質(zhì)量高的鉆探可以取得很好的芯樣,判斷污染物所在的層位、污染物的成分,還可以對(duì)染污進(jìn)行試驗(yàn)分析,測(cè)試污染物的濃度、含量等。為后續(xù)的土壤修復(fù),提供參考依據(jù),制定合理的修復(fù)方案,也可以避免浪費(fèi)寶貴的修復(fù)資金[1-4]。
本文介紹了一種新型的聲波鉆進(jìn)技術(shù),通過在實(shí)際工程中的應(yīng)用,驗(yàn)證了該取樣方法的有效性、高效性,為土壤環(huán)境地質(zhì)調(diào)查提供一種新的可供借鑒的方法[5-7]。
#1 SRS聲波鉆機(jī)介紹
聲波鉆機(jī)工作原理
聲波鉆進(jìn)技術(shù)是一種起源于歐美國家的新型的鉆進(jìn)技術(shù),近些年來逐漸引入中國。聲波鉆進(jìn)采用高頻共振技術(shù),在鉆進(jìn)過程中,共振能量通過鉆桿向下傳遞給鉆頭,同時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆桿使其可以穿透堅(jiān)硬的地層(如圖1)。動(dòng)力頭內(nèi)部帶有偏心輪,偏心輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生共振能量。聲波動(dòng)力頭控制共振和旋轉(zhuǎn)能量,使其與鉆進(jìn)的地層相匹配,這樣可以減少土阻力,并且獲得較高的鉆進(jìn)速率。聲波鉆機(jī)適用于(非常)軟的土、混合土和堅(jiān)硬的地層,幾乎涵蓋所有地層,同時(shí)也可以獲取質(zhì)量高的未擾動(dòng)的試樣。
圖1丨聲波鉆機(jī)工作原理
SRS聲波鉆機(jī)
SRS聲波鉆機(jī)是由荷蘭皇家Eijkelkamp公司研發(fā)的小型號(hào)的聲波鉆機(jī),國內(nèi)目前已經(jīng)引進(jìn)多臺(tái)。SRS小型聲波鉆機(jī)適用于上覆地層的鉆探和取樣,適用深度大約為50m(如圖2)。SRS是小型聲波旋轉(zhuǎn)鉆機(jī),采用高頻聲波振動(dòng)結(jié)合旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆進(jìn)。SRS聲波鉆機(jī)是一套使用簡(jiǎn)便的鉆機(jī),分為短沖程和長(zhǎng)沖程兩種型號(hào)。SRS小型聲波鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快,取芯過程干凈,同時(shí)可以獲得質(zhì)量高的試樣。SRS聲波鉆機(jī)的適用范圍包括環(huán)境工程鉆探和取樣、礦產(chǎn)開發(fā)、巖土工程取樣和測(cè)試、地震爆破井鉆探、地質(zhì)施工鉆探等。
圖2丨SRS聲波鉆機(jī)
為了保證質(zhì)量高的取芯,針對(duì)不同地層,Eijkelkamp公司開發(fā)了三種取芯工具:對(duì)于軟土地層,采用“水鎖取芯工具”,利用水鎖,將芯樣鎖定在取芯管內(nèi);對(duì)于硬土地層,可以采用單壁取芯管進(jìn)行取芯,快速方便;對(duì)于巖石地層或卵石地層,采用雙壁取芯器進(jìn)行取芯,可以在雙層壁之間注入冷卻水,對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻,用于巖石地層鉆進(jìn)。
#2 應(yīng)用案例
本次采用SRS型聲波鉆機(jī),在北京市某區(qū)的一塊場(chǎng)地進(jìn)行了鉆探取芯的應(yīng)用,取得了非常好的芯樣,驗(yàn)證了聲波鉆機(jī)的高效性。
地形地貌
項(xiàng)目位于北京市某區(qū),地處燕山南麓與華北平原北端的相交地帶,東、南、北三面環(huán)山,中間為平原谷地。地貌由北部、東部、南部山地和中部、西南部平原兩大地貌單元組成,山區(qū)、半山區(qū)占七分之四,平原占七分之三。地勢(shì)由東北向西南傾斜,中間平緩,呈傾斜簸箕狀。
氣候氣象
工區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)型,四季分明,日照充足,年日照總時(shí)數(shù)2710.8小時(shí)左右。東北部山區(qū)有地區(qū)性小氣候。年平均氣溫11.5℃。工區(qū)年平均降水量為653.9mm,主要集中于夏季的六、七、八、九等月份。平均風(fēng)速為1.56m/s,最大風(fēng)速為1.70m/s。年平均日照數(shù)2729.4小時(shí),平均無霜期191天,最大凍土深度為740mm。
區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)條件
① 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征
北京地區(qū)主體地質(zhì)構(gòu)造為古近紀(jì)前的斷裂及其控制的斷塊構(gòu)造,主要有三組斷裂帶:主干斷裂帶為北北東向,其次為北東向和北西向斷裂帶。北京地區(qū)基本地震構(gòu)造是新生代北京凹陷,發(fā)育于北京凹陷的黃莊-高麗營斷裂、南口-孫河斷裂是晚更新世-全新世活動(dòng)過的斷裂,屬潛在的發(fā)震構(gòu)造,在深部構(gòu)造都有一定的顯示,兩條斷裂在北京凹陷內(nèi)相交。該修復(fù)場(chǎng)地處于中朝淮臺(tái)地燕山褶皺帶工中穹斷范圍內(nèi),位于薊縣坳?。á?)的西南部,其西南為北京斷陷(Ⅲ6),南部則與大廠斷陷(Ⅲ8)相鄰。
② 區(qū)域水文地質(zhì)條件
根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示,工區(qū)地層自下而上依次為太古界、長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。其中山區(qū)基巖地層出露,地層較老,主要有太古界及長(zhǎng)城系。平原區(qū)主要分布著元古宙的薊縣系及長(zhǎng)城系,僅馬坊地區(qū)分布有古生代地層。
工區(qū)平原區(qū)第四系厚度變化較大,從幾十米至七百米左右。山前一帶最淺,厚度幾十米,最厚地區(qū)在工區(qū)城區(qū)一帶。城區(qū)及其附近區(qū)域主要位于泃河、洳河形成的沖洪積平原,具有多層巖土體結(jié)構(gòu)。一般地表下40m深度范圍內(nèi)的地層,從北向南,碎石、卵石的埋深逐漸變大,且顆粒直徑逐漸變小,由碎石、卵石逐漸變?yōu)榧?xì)砂,黏性土地層厚度加大。
該修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域第四系覆蓋層厚度約350~400m左右,地層以黏性土、粉土與砂類土交互沉積為主,屬于松散巖類孔隙水系統(tǒng),孔隙水含水層組富水性強(qiáng),單井5m降深的出水量可達(dá)到5000m3/d之上。
依據(jù)區(qū)域資料,場(chǎng)地附近埋深約40m內(nèi)地層分布特征如下:地面下1~2m為雜填土和素填土;地面下2~5m以粘質(zhì)粉土為主;地面下6~10m以砂類土、粉土為主,可賦存地下水;地面下10~30m以黏性土為主,分布有粉土、砂類土夾層,其中的砂類土、粉土層中可賦存地下水;地面下30~40m地層巖性以砂類土、卵礫石為主,可賦存地下水。
修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域典型地層、地下水分布見圖3。
圖3丨修復(fù)場(chǎng)地所在區(qū)域典型區(qū)域水文地質(zhì)剖面
場(chǎng)地調(diào)查階段場(chǎng)地地質(zhì)與水文地質(zhì)條件
① 地層分布條件
根據(jù)本次場(chǎng)地水文地質(zhì)勘察結(jié)果可將場(chǎng)地現(xiàn)狀地面(地面標(biāo)高27.92~30.18m)以下32.50m左右深度(最大鉆探深度)范圍內(nèi)的地層按沉積成因與年代劃分為人工堆積層、第四紀(jì)沉積層2大類,并按地層巖性及其賦水特性自上而下進(jìn)一步劃分為8個(gè)大層及其亞層。
場(chǎng)地典型地層分布情況見圖4場(chǎng)地典型水文地質(zhì)剖面圖。
圖4丨場(chǎng)地調(diào)查階段場(chǎng)地典型水文地質(zhì)剖面圖
② 地下水分布條件
場(chǎng)地地面以下32.50m深度(最大勘探深度)范圍內(nèi)穩(wěn)定分布的地下水劃分為4層,地下水類型自上而下分別為潛水和承壓水。
區(qū)域地下水資源開采現(xiàn)狀
工區(qū)地下水水源保護(hù)區(qū)包括兩大部分:應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū),由兩個(gè)水源地組成,分別是中橋水源地和王都莊水源地;新城及村鎮(zhèn)集約化供水地下水水源地保護(hù)區(qū)。
應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)按井群進(jìn)行保護(hù)區(qū)范圍的劃分,核心保護(hù)區(qū)范圍為井群外圍各單井半徑50m圓的外切線所包含的區(qū)域,保護(hù)區(qū)為核心保護(hù)區(qū)外推100m的范圍。由此應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)總面積為7.6km2,其中王都莊應(yīng)急水源地保護(hù)面積5.0km2,中橋應(yīng)急水源地保護(hù)面積2.6km2。
修復(fù)場(chǎng)地位于應(yīng)急水源地保護(hù)區(qū)地下水流向的下游,修復(fù)場(chǎng)地內(nèi)埋深10m之內(nèi)的地下水不作為飲用水源及其他用途的水源。
聲波鉆機(jī)在土壤調(diào)查中的應(yīng)用
此次土壤調(diào)查項(xiàng)目中,采用了SRS聲波鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地土壤污染層進(jìn)行了調(diào)查。
SRS聲波鉆機(jī)使用效率高,采用平板車運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)以后,可用遙控器操縱聲波鉆機(jī)行走。走到鉆探點(diǎn)以后,立起大臂,就可以開始鉆探取芯了。根據(jù)地層情況,選用合適的取芯工具。同時(shí),在取芯過程中,根據(jù)土層的阻力、摩擦力,施加合適頻率的聲波振動(dòng),保證取芯器勻速地鉆入到土層中。SRS聲波鉆機(jī)一個(gè)回次取芯的長(zhǎng)度為2m。取芯管完全取滿后,即可提升到地面。可以通過手柄操作動(dòng)力頭揚(yáng)起,方便芯樣取出(圖5)。如果芯樣難以取出,可以稍微施加聲波振動(dòng)。
圖5丨SRS聲波鉆機(jī)取到的砂土芯樣
由于地層千差萬別,沒有哪一種取芯器適用于所有地層。SRS聲波鉆機(jī)也一樣,配置了多種不同的取芯工具可供選擇。最常用的就是單壁取芯、雙壁取芯和水鎖取芯,如圖6。
圖6丨SRS聲波鉆機(jī)三種取芯方式
對(duì)于非常軟的地層,SRS聲波鉆機(jī)可以采用水鎖取芯。水鎖內(nèi)放置一個(gè)PVC取芯管,可以將松散的、含水率高的芯樣取到PVC管內(nèi)。另外,對(duì)于一些具有揮發(fā)性氣體的污染土,也可以取到PVC管內(nèi),上下兩端用蓋子進(jìn)行密封,拿回實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行化學(xué)分析。
對(duì)于硬土地層,可以采用單壁取芯。單壁取芯是一種常規(guī)的、簡(jiǎn)單的取芯方式,將普通硬土取到取芯管內(nèi)。
對(duì)于非常硬的地層,例如巖石地層、卵石地層、建筑垃圾等,可以采用雙壁取芯取芯。雙壁取芯器有兩層壁,可以用循環(huán)水在取芯器中進(jìn)行循環(huán),可以對(duì)孔壁進(jìn)行護(hù)壁,也可以對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻。
本次土壤調(diào)查項(xiàng)目實(shí)施過程中,合理地選用了三種取芯器,順利、高效地完成了土壤調(diào)查工作。
#3 結(jié)論
01 聲波鉆進(jìn)是一項(xiàng)新穎的環(huán)境地質(zhì)調(diào)查技術(shù)。采用高頻振動(dòng)的方法,充分利用壓力、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力以及振動(dòng)沖擊力,使得鉆頭快速鉆入地層中,將巖土芯樣取到取芯器內(nèi),是一種高效的取芯方法。
02 聲波鉆進(jìn)是一種近似于無擾動(dòng)的取芯方法。高頻振動(dòng)使得芯樣與取芯管不完全接觸,振動(dòng)過程中,不會(huì)對(duì)芯樣造成壓縮。取芯過程中,只對(duì)鉆頭接觸的一圈位置產(chǎn)生影響,并不會(huì)影響芯樣的內(nèi)部。
03 聲波鉆進(jìn)是一種取芯率高的取芯技術(shù)。聲波鉆機(jī)配置了多種不同的取芯工具,根據(jù)地層土質(zhì)的不同,合理選用相匹配的取芯工具,可以保證取芯率高。
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