在線高分辨率示蹤技術(shù)在重慶南山隧道水滲漏的應(yīng)用研究

尹洪，王曉青

（1重慶市南岸區(qū)隧道工程建設(shè)辦公室，重慶401336；2重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016）

在線高分辨率示蹤技術(shù)在重慶南山隧道水滲漏的應(yīng)用研究

尹洪1，王曉青2

（1重慶市南岸區(qū)隧道工程建設(shè)辦公室，重慶401336；2重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016）

為研究南山隧道在巖溶槽谷區(qū)施工中產(chǎn)生的上覆巖體滲漏，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的水文地質(zhì)條件，選擇在地表涂山湖水庫作為示蹤劑投放點(diǎn)，在南山隧道涌水出口處作為接收點(diǎn)，采用熒光素鈉作為示蹤劑，進(jìn)行在線高分辨率示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：涂山湖水庫與南山隧道之間很可能存在三個(gè)相互并列的巖溶通道，水力連通時(shí)間約為142.0 min。在線高分辨率示蹤技術(shù)具有靈敏度高、取樣時(shí)間密度小和不易受污染等特點(diǎn)。

南山隧道；涂山湖水庫；示蹤技術(shù)；示蹤劑；熒光素鈉；高分辨率野外示蹤儀

0 引言

重慶南山隧道一期工程是重慶市綜合交通規(guī)劃中主城區(qū)至長壽、涪陵方向的茶園路的控制工程，其中左線長2825m，右線長2838m，為雙向四車道城市公路長隧道。隧道工程施工區(qū)巖溶區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜。2013年3月4日，南山隧道工程進(jìn)口左洞超前探水孔出現(xiàn)中量涌水，3月6日晚11點(diǎn)，南山隧道進(jìn)口端左洞超前地質(zhì)探孔出現(xiàn)較大涌水，3月6日位于南山隧道南側(cè)的涂山湖水庫發(fā)生滲漏，水位持續(xù)下降。

水文示蹤試驗(yàn)是探明地下水的水力聯(lián)系最為常用的技術(shù)手段之一[1-5]。為研究南山隧道在巖溶槽谷區(qū)的施工對地表涂山湖段造成的影響，查明南山隧道上方的涂山湖水庫的水流是否滲漏至南山隧道，在涌水工程影響區(qū)域內(nèi)實(shí)施小范圍的示蹤試驗(yàn)。

1 南山地質(zhì)背景條件

圖1 南山隧道與涂山湖平面位置圖

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，南山隧道從涂山湖北端橫穿，隧道投影后平面距離最近處13m，隧道頂距離涂山湖最小垂直距離136m，見圖1。涂山湖常年湖水位均保持430.80m左右，水深0.5～5.50m不等。

南山區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū)，具有冬暖夏熱、春早夏長、秋雨連綿的特點(diǎn)。多年平均氣溫為18.7°C，多年平均日最大降水量為93.9mm，年平均降雨日為168d。降雨主要集中在每年5-9月份，其降雨量占全年總降雨量的70%，且多大雨、暴雨；多年平均相對濕度80%，絕對濕度17.6mb。

本區(qū)地貌的發(fā)育受構(gòu)造和巖性的控制明顯，地勢東高西低，屬四川盆地東部平行嶺谷區(qū)，背斜成山，向斜成谷，谷嶺相間。南山隧道在背斜軸部所穿過的最老地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層，地表層由新至老依次為第四系覆土、侏羅系覆土（中統(tǒng)上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組、下中統(tǒng)自流井組、下統(tǒng)珍珠沖組）、三疊系覆土（上統(tǒng)須家河組、中統(tǒng)雷口坡組）。其巖性主要為一套海相、淺海相炭酸巖鹽、碎屑巖和內(nèi)陸河湖相碎屑巖沉積；有灰?guī)r、白云巖、角礫巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)巖、砂巖等；灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、角礫巖等炭酸巖鹽主要出露于背斜軸部，呈長條狀展布；砂巖、泥質(zhì)巖等主要出露于背斜兩翼。

南山隧道位于川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部。南山隧道下穿南溫泉背斜，背斜軸部地貌為巖溶槽谷區(qū)，為嘉陵江組及雷口坡組碳酸鹽巖裂隙巖溶水。南溫泉背斜軸部，縱張裂隙發(fā)育，為地表巖溶洼地、漏斗、落水洞較發(fā)育提供了良好的條件。

2 示蹤試驗(yàn)方法

2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑選擇遵循以下原則［6］：(1)極易溶于水，在地下水中背景值含量極低；(2)無毒、無臭、無味，不破壞地下水生態(tài)系統(tǒng)；(3)不易被土壤和圍巖吸附，不易沉淀，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與其他環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，不易被生物降解，不揮發(fā)；(4)不易被地下水中其他物質(zhì)干擾，易被儀器檢測到，靈敏度高。

根據(jù)示蹤劑選擇原則，同時(shí)考慮與監(jiān)測儀器匹配使用，選用熒光素鈉（uranine）作為示蹤劑，溶于水為綠色，這種化學(xué)物質(zhì)非常適用于在堿性巖溶水環(huán)境中。

試驗(yàn)前，分別對涂山湖、南山隧道出水處采樣，并進(jìn)行背景值的測試。結(jié)果表明：野外投放點(diǎn)和接受點(diǎn)的水體中的熒光素鈉的含量均為0μg/L。

2.2 監(jiān)測儀器

目前我國地下水示蹤試驗(yàn)大部分都是采用野外人工定點(diǎn)取樣、室內(nèi)分析測定的方法，試驗(yàn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、取樣時(shí)間尺度長、樣品擱置時(shí)間久，取樣時(shí)易引起污染等等問題。由此可見，進(jìn)行示蹤技術(shù)創(chuàng)新和引進(jìn)國外先進(jìn)示蹤方法技術(shù)，對進(jìn)一步提高我國水文和地質(zhì)的研究水平具有重要的意義。

本試驗(yàn)中的熒光素鈉野外監(jiān)測采用高分辨率野外自動(dòng)化熒光光度計(jì)記錄儀自動(dòng)監(jiān)測，測試時(shí)間為5min一組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所使用的儀器為瑞士生產(chǎn)的野外自動(dòng)化熒光示蹤儀，其英文學(xué)名為flow-through field flourometer，型號(hào)為GGUN-FL30，檢測限達(dá)到0.02ppb，具有高靈敏性、取樣時(shí)間密度小和不易受污染等特點(diǎn)。

2.3 示蹤劑的投放與接收

投放點(diǎn)：示蹤劑投放點(diǎn)一般選擇有天然水流存在的地方。根據(jù)野外現(xiàn)場考察和委托方的要求，選擇涂山湖水庫作為投放點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場水文特征，在涂山湖中均勻投放熒光素鈉，形成濃度為30μg/L的熒光素鈉溶液。

投放方法：在野外現(xiàn)場將已經(jīng)稱量的示蹤劑粉末放進(jìn)30L水桶中，加水充分?jǐn)嚢枞芙?。慢慢均勻倒入投放點(diǎn)，順著水流擴(kuò)散，投放時(shí)間為2013年4月19日22:00-22:35。

接受點(diǎn)：示蹤劑接收點(diǎn)為南山隧道距洞口820m處右側(cè)排水溝放置GGUN-FL30高分辨率野外示蹤儀。

3 試驗(yàn)過程和結(jié)果

3.1 水力連通性

示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)示蹤儀記錄的熒光素鈉示蹤劑濃度，繪制出其濃度歷時(shí)變化曲線圖。從圖2中可以看出，示蹤劑投放約0.5h之后在南山隧道出現(xiàn)檢測值，表明水流流速快。

圖2 南山隧道監(jiān)測點(diǎn)熒光素鈉示蹤劑濃度歷時(shí)變化曲線

示蹤劑濃度歷時(shí)曲線的主要影響因素是地下水的流場特征。本次示蹤試驗(yàn)的示蹤劑濃度歷時(shí)變化曲線出現(xiàn)三個(gè)峰值，表明涂山湖水庫與南山隧道之間很可能存在三個(gè)相互并列的巖溶通道。

3.2 水文參數(shù)計(jì)算

本次試驗(yàn)研究了涂山湖水庫與施工中的南山隧道的水力聯(lián)系。為更好地為地質(zhì)災(zāi)害治理提供理論依據(jù)和參考，本文對相關(guān)的水文參數(shù)［7］進(jìn)行了計(jì)算和研究。

針對示蹤試驗(yàn)，示蹤劑瞬時(shí)注入時(shí)的溶質(zhì)運(yùn)移的定解條件［8］如下所示：

式中:DL和DT分別為縱向彌散系數(shù)和橫向彌散系數(shù)；u為地下水流速；n為介質(zhì)孔隙度；t為時(shí)間；m為投放示蹤元素的總質(zhì)量。該定解問題的解為：

式中：X，Y為計(jì)算點(diǎn)處的位置坐標(biāo)；C（X，Y，t）為t時(shí)刻點(diǎn)X，Y處的示蹤劑濃度，M為承壓含水層的厚度。

在以巖溶裂隙與管道為主的地下水運(yùn)移通道中，將溶質(zhì)的水力彌散作用簡化為兩個(gè)部分組成［9］：(1)溶質(zhì)分子在靜水中的擴(kuò)散；(2)地下水對溶質(zhì)分散體的整體運(yùn)移作用。計(jì)算中只考慮溶質(zhì)分子在沿著裂隙或管道方向的擴(kuò)散，而垂直方向的溶質(zhì)彌散、地下水繞流與對流相對微弱，不作考慮。

3.2.1 水力連通時(shí)間

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接獲得導(dǎo)水構(gòu)造與涌水區(qū)域水力連通時(shí)間為：

其中t3接收示蹤劑的峰值時(shí)刻；t0為示蹤劑投放時(shí)刻。

3.2.2 補(bǔ)給相關(guān)系數(shù)

設(shè)采集的示蹤劑濃度–時(shí)間曲線為f(t)，涌水區(qū)域的單位時(shí)間涌水量為Q，則涌水區(qū)域接收示蹤劑總量為m2，則

將涌水區(qū)域接收的示蹤劑總量m2與投入量m1的比值λ定義為補(bǔ)給相關(guān)系數(shù)，則:

若λ＜1，則表示示蹤劑投放處流經(jīng)的地下水并非只在該涌水區(qū)域進(jìn)行排泄，還存在其他排泄地點(diǎn)；若λ≈1，則可認(rèn)該裂隙導(dǎo)水構(gòu)造可能為單連通構(gòu)造，該導(dǎo)水構(gòu)造只向涌水區(qū)域內(nèi)排泄。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和公式3.1～3.3進(jìn)行計(jì)算，水力連通時(shí)間T為142.0 min。根據(jù)公式3.4和3.5，采用網(wǎng)格法計(jì)算曲線與x軸包圍的面積和涌水量，計(jì)算示蹤劑回收量，其回收量僅為1.40g，考慮到2013年4月20日開始進(jìn)行的湖底滲漏治理的注漿施工極大地影響了示蹤劑的回收量，故該計(jì)算數(shù)據(jù)不能作為計(jì)算補(bǔ)給相關(guān)系數(shù)的依據(jù)。故無法判斷示蹤劑投放處流經(jīng)的地下水是否僅在南山隧道涌水區(qū)域進(jìn)行排泄，還是存在其它排泄地點(diǎn)。

4 討論與結(jié)論

自動(dòng)在線高分辨率示蹤技術(shù)在重慶南山隧道上覆巖體中水滲漏的應(yīng)用研究表明：涂山湖水庫與南山隧道存在水力聯(lián)系，且其通道很可能為三個(gè)并列的巖溶管道，水力連通時(shí)間為142.0 min。該技術(shù)效率高、靈敏度高，獲得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。本次應(yīng)用研究對其他工程地區(qū)的水文地質(zhì)研究具有一定的參考價(jià)值。

[1]裴建國，謝運(yùn)球，章程，等.湘中溶蝕丘陵區(qū)示蹤試驗(yàn)——以湖南新化為例[J].中國巖溶，2000，19(4)：366-371.

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[9]劉人太，李術(shù)才，張慶松，等.示蹤試驗(yàn)分析方法在地下工程水害治理中的應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(4)：814-821.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

重慶市城鄉(xiāng)建委發(fā)布《綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

（征求意見稿之三）

聲光風(fēng)環(huán)境——室內(nèi)宜采用"穿堂風(fēng)"，要充分利用自然采光

征求意見稿對聲環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等進(jìn)行了規(guī)定。

房間平面宜采取有利于形成"穿堂風(fēng)"的格局。所謂"穿堂風(fēng)"，就是室外空氣從建筑一側(cè)進(jìn)入，穿過內(nèi)部，從另一側(cè)流出的自然通風(fēng)現(xiàn)象。

光環(huán)境，要充分利用自然采光，比如，地下空間宜有天然采光，天然采光還要避免產(chǎn)生眩光，要采用合理的遮光措施。如果室內(nèi)、地下空間采光不足，可以利用采光井、采光天窗、下沉廣場、半地下室等，設(shè)置導(dǎo)光管、反光板、棱鏡窗、反光鏡等。

綠色建筑的聲環(huán)境，要給人適度的聽覺關(guān)懷。產(chǎn)生較大噪聲的機(jī)房等需遠(yuǎn)離工作、休息等房間，如電梯機(jī)房及電梯井，應(yīng)該避免與安靜要求的房間相鄰，并采取減振措施等；空調(diào)機(jī)房的門不直接開向辦公等使用空間，并應(yīng)采用隔聲門。當(dāng)受條件限制時(shí)，要合理布局，如將噪聲源設(shè)置在地下等。

(摘自：《重慶晨報(bào)》，作者：蔣艷）

Application Study on Online High Resolution Tracing Technology in Nanshan Tunnel Leakage Test

To study the leakage problem during Nanshan tunnel engineering in karst valleys,the high resolution tracing test is carried out.Based on the hydrogeological conditions,Tushan resrvoir is selected as the tracer place,the Nanshan tunnel outlet as the receiving place and fluorescein sodium as the tracer.The test results show that the surface water of Tushan resrvoir is in contact with Nanshan tunnel through three parallel channels with 142 minutes of hydraulic connection time.The tracing technology has features of high sensitivity,short sampling interval time and pollution free.

Nanshan tunnel;Tushan resrvoir;tracing technology;tracer;fluorescein sodium;outdoor high resolution tracing instrument

U45

A

1671-9107（2013）07-0016-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.016

2013-06-14

尹洪（1975-），男，重慶人，本科，從事隧道建設(shè)管理工作。

王曉青（1974-），女，四川綿陽人，博士，高級(jí)工程師，從事環(huán)境保護(hù)與治理工作。