一种土壤和地下水原位精细化药剂注入的修复方法及装置与流程

本发明涉及一种土壤和地下水原位精细化药剂注入的修复方法及装置，属于土壤及地下水原位修复。

背景技术：

1、对于受有机污染的土壤，特别是受苯系物、石油烃、氯代烃等污染的土壤，在原位处理技术中原位化学氧化、还原技术因其处理效果好，经济性优等优势被广泛应用。原位化学氧化、还原技术修复效果主要受修复药剂类型、投加比例、药剂扩散均匀性等因素影响。在修复药剂种类和投加浓度一定的情况下，如何确保修复药剂能够均匀的扩散至目标土层(或含水层)中，并与污染物充分接触进而发生生物、化学反应成为影响修复效果的关键。

2、目前，市场上主流的原位药剂注射方式有建井注入、高压劈裂注射、原位搅拌注射、高压旋喷注射等。其中，建井注入由于其药剂扩散受建井材质、土层岩性、土壤渗透性等影响，其适用于低压、高渗透性地层的注射，地层的适应性较差。高压劈裂注射通过直推钻机将注浆管压入目标地层后依靠地表高压注入泵瞬时泵入高压射流将注浆管周边土体压裂形成细小裂隙，将修复药剂注射到周边土体，但其施工效率低且药剂注射均匀性受地层岩土性质影响大，不适用于大型复杂污染地块的修复治理。原位搅拌注射即通过浅层和深层搅拌钻机，在深入目标深度后注射药剂的同时利用钻头将土壤与药剂拌合均匀，该药剂投加方式具有搅拌均匀的优点，但搅拌过程将不同深度的土体上下通体搅拌，难以实现不同深度土壤差异化修复的需求，操作不当甚至可能造成不同深度土壤的交叉污染，仅适用于地块上下污染均匀其污染类型单一的地块。

3、高压旋喷原位注射技术通过将带有特殊喷嘴的注浆管(钻杆)钻进至土层的预定深度，然后从喷嘴喷出配制好的药剂，带喷嘴的注浆管在喷射的同时向上提升，高压射流对土体进行切割搅拌，将药剂与土壤的充分混合，同时由于注射压力高，药剂溶液进一步在含水层中扩散，其扩散半径相对传统意义的深层搅拌要大，适用于处理淤泥、淤泥质土、粘土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等土质地层，特别适用于土质湿粘，塑性强，扩散系数较低的粉质或粘土层。高压旋喷注射技术还可通过改变钻杆提升速度和药剂注射流量，实现不同深度土壤不同药剂投加的需求，是目前行业内应用最为普遍的修复药剂注射方法。

4、高压旋喷注射方法虽然具有土质适宜性广，药剂注射扩散效果好，可实现定深修复等优势。但目前的注射方法均采用自下而上边旋转边提升钻杆边注射药剂的操作方法，且单孔药剂配置浓度、注射压力、注射流量等为定值，导致对于低渗透型、低孔隙度土层，在药剂浓度和药剂投加比例确定的情况下，对于单延米药剂溶液投加量较大的地层，其药剂注射过程中涌浆量较大(最大可至50％以上)，造成了药剂的极大浪费；而对于药剂投加量较小的地层，受制于设备注射钻杆提升速度对药剂投加效果的影响，如设备提升过快可能导致药剂无法与周边土体搅拌均匀，提升过慢又会造成药剂的过量投加。另外，对于地层垂向分布差异较大的复杂污染地块，不同地层因土壤物理性质差异，其注射过程中(注射压力和流量一定的工况下)，药剂扩散半径不同，造成投加浓度存在差异，可能出现因单位体积药剂注入量低于设定浓度比例从而无法达到修复效果的情况。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提供一种土壤和地下水原位精细化药剂注入的修复方法，在高压旋喷注射技术的基础上，通过切片式药剂分段注射方法和分层差异化药剂投加方法，以实现土壤和地下水原位修复中药剂精细化注入。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

2、一种土壤和地下水原位精细化药剂注入的修复方法，采用高压旋喷原位注射方法，通过将带有喷嘴的钻杆钻进至土层的预定深度，从喷嘴喷出配制好的药剂，高压射流对土体进行切割搅拌，包括以下步骤：

3、步骤一：获取地块信息：通过收集污染地块的相关资料并进行分析，或通过现场勘察获取，所述地块信息包括：地块污染物特征和地层土质条件；

4、步骤二：进行地层概化分层：根据收集到的地块信息，将地块地层垂向分为多层；

5、步骤三：估算某层的药剂下渗扩散距离：在采用高压旋喷技术向土体中注射溶液时，溶液在土中的垂向扩散和渗漏距离受多种因素影响，包括土体的渗透性、溶液的性质(如粘度、密度)、注射压力、注射速率、药剂注射量以及注射土层的厚度、土层的孔隙率等。其中，药剂自身的扩散性、注射药剂的量和土层的厚度、土体的渗透能力是关键性因素。达西定律是描述流体在多孔介质中流动的基本定律，可以表示为：

6、q＝k·i     (1)

7、其中，q是单位时间通过单位面积的流量(体积/时间/面积)，k是渗透系数(长度/时间)，i是水力梯度(无量纲)。

8、然而，在估算溶液扩散距离时，实际更关心的是水平或垂直方向上的扩散距离，而不是流量。因此，可以将问题简化为考虑一维扩散，并假设水力梯度与扩散距离成正比。由于直接应用达西定律计算扩散距离较为复杂，可以采用一种简化的方法，即基于经验公式或类比相似条件下的实验结果。将药剂扩散下渗距离l的计算公式简化为公式(2)。根据某层的污染物特征和地层土质条件确定出一个预估的注射厚度h0，然后采用公式(2)进行药剂下渗扩散距离估算：

9、

10、式中：l表示药剂下渗扩散段垂向距离，m；k表示渗透系数，m/d(实测或根据经验取值)；t表示有效扩散时间，d(7-25d)；δp表示注射h0厚度的药剂溶液与下层土体压力之差，近似于水头差的压力kg·g/m2(可通过实验室检测获取)，其中的g表示重力加速度；ρs表示溶液的密度，kg/m3；g表示重力加速度；

11、步骤四：反推高压注射段土层厚度：根据药剂的溶解度及预设注射厚度给出某层配制的药剂原液浓度c0，利用公式(3)反算某层药剂高压注射段土层厚度h；

12、

13、式中：c0表示配置的药剂原液浓度，kg/m3；c1表示某地层药剂需求浓度，kg/m3；de表示在一定工况条件下，某一地层高压旋喷的影响半径，m(实测或根据经验取值)；θ1表示在高压注射段土壤中药剂的填充率(经验值0.75-0.9，实际可根据反浆比例实测情况进行优化)；h表示高压注射段土层厚度，m；β表示高压注射段药剂反浆损失比例(经验区间取值0.1-0.25，可根据实验进行实测)；θ2表示下渗扩散段土壤中药剂的充填率(经验值0.5-0.75)，l表示药剂下渗扩散段垂向距离，m；

14、步骤五：比较h与h0，如果差值在预定的阈值范围内，则将h+l设置为该层的注射扩散单元的土层厚度，将该层依次垂向划分为多个注射扩散单元(相当于进行了切片)；比较h与h0，如果差值不在预定的阈值范围内，则返回步骤三，重新给出预估h0；

15、步骤六：重复步骤二～步骤五将所有地层划分成注射扩散单元；

16、步骤七：根据每层注射扩散单元中的高压注射段土层厚度h确定每层的药剂注射量(即为)，再结合各层的地层土质条件确定设备运行参数，开展药剂注射中试试验，获取中试结果中的扩散效果评定参数；

17、步骤八：根据步骤七中获取的扩散效果评定参数进行优化调整，进而获得最终地块各层最佳的高压注射段土层厚度h、药剂下渗扩散段垂向距离l、影响半径r、药剂注射量和此条件下的设备运行参数。

18、进一步的优化，步骤一中，所述地块污染物特征包括污染物类型、污染物空间分布和污染物浓度；所述地层土质条件包括土壤类型、土壤含水量、土壤孔隙度、土壤垂向渗透系数、土壤有机质含量和土壤还原性矿物含量。

19、进一步的，步骤二中，地层土质相似、污染物种类和浓度类似地层将被概化为一层。

20、进一步的，步骤四中，各地层的需求浓度c1是根据土壤中污染物种类及浓度分析计算获得或是通过小试实验获取。

21、进一步的，步骤五中，所述预定的阈值范围为±10％。

22、进一步的，步骤七中，所述设备运行参数包括：注射压力、提升速度、钻杆旋转速度及药剂流量；扩散效果评定参数包括扩散时间、扩散影响半径、药剂下渗扩散距离及药剂扩散后平均浓度。

23、进一步的，步骤七中，中试试验采用三角形布点法进行钻孔布点，钻孔布点数量不少于3个，在药剂有效扩散时间内，通过在三角形注射范围内多点位置定时、定深采集注射和扩散范围内土壤，通过测定示踪剂和药剂的浓度，获取药剂扩散效果评定参数；所述测定示踪剂为溴离子，采样时间采取等间隔采样，采样间隔为3～5天。

24、所述的修复方法的高压旋喷装置，所述高压旋喷装置包括进药组件、进气组件和旋喷组件；所述进药组件包括：药剂配置装置、与药剂配置装置的输出端通过管路连接的高压注浆泵以及与高压注浆泵的输出端连接的高压注浆管；所述药剂配置装置包括至少三个独立的药剂桶，每个药剂桶的出液管路上均设置有独立的电子出液控制阀，各个药剂桶的出液管路末端连通至总管路，所述总管路上设置有电磁流量计，所述总管路的输出端连接至所述高压注浆泵；所述进气组件包括：空气压缩机、设置在空气压缩机一侧的新鲜空气进入端口以及与空气压缩机的输出端连接的压缩空气管路；所述旋喷组件包括旋喷钻机、与旋喷钻机连接的高压喷射钻杆以及控制高压喷射钻杆升降的钻杆自动提升装置；所述高压喷射钻杆由内管和外管组成，所述内管上设置有药剂喷射喷嘴，所述外管上设置有空气喷射喷嘴，所述高压注浆管的输出端与所述内管连通，所述压缩空气管路的输出端与所述外管连通；喷射钻杆的底部安装有钻头。

25、本发明的有益效果：

26、1)本发明通过采取注射段+下渗扩散段相结合的药剂投加方式，提高了施工效率，降低了各地层尤其是低渗透型地层的药剂涌浆量，提升了药剂利用效率，降低了施工成本。

27、2)本发明根据不同地层药剂注射的需求，采用切片式药剂注射(即将地块分成不同地层，又将每个地层分为多个注射下渗单元)，提高了高压旋喷注射的适用范围。如对于注射需求量低的地层，药剂注射扩散效果不佳的情况，采用切片式注射，依靠下渗扩散增加药剂扩散范围的同时，延长了药剂注射段的停留时间，可有效解决因单延米药剂注射需求量低，钻杆提升速度快，造成药剂搅拌不均匀，药剂扩散效果差的情况。

28、3)根据不同地层土质不同影响半径不同的情况，为了确保不同地层药剂浓度的不同注射需求，本技术方案采用不同浓度的药剂供应，操作更加精细化。

29、下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。