強(qiáng)迫流示蹤法探測(cè)巖溶洞穴體積的研究探討

余鵬

摘? 要：我國碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶十分發(fā)育，由巖溶而引發(fā)的工程地質(zhì)問題往往成為工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，因而獲得巖溶洞穴的體積具有重要的意義。盡管巖溶探測(cè)的技術(shù)不斷前進(jìn)，但是由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，至今仍難以準(zhǔn)確探測(cè)巖溶洞穴。示蹤實(shí)驗(yàn)是一種較為經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)確和快捷的探測(cè)方法，該文希望結(jié)合鉆探以及地下水示蹤實(shí)驗(yàn)兩方面的優(yōu)勢(shì)，探討運(yùn)用強(qiáng)迫流示蹤法研究根據(jù)回收歷時(shí)濃度曲線以確定巖溶洞穴的體積。

關(guān)鍵詞：封閉洞穴? 強(qiáng)迫流示蹤? 洞穴體積

中圖分類號(hào)：P642.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（c）-0059-02

我國碳酸鹽巖分布廣泛[1，2]，巖溶區(qū)內(nèi)巖溶塌陷的發(fā)生，既使工程設(shè)施遭到破壞，又造成了嚴(yán)重的水土流失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。巖溶塌陷與巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)，一般情況下，巖溶越發(fā)育，洞穴的規(guī)模越大，則巖溶地面塌陷越嚴(yán)重，因此探測(cè)巖溶洞穴的大小是解決巖溶塌陷問題的前提和關(guān)鍵。盡管巖溶探測(cè)的技術(shù)不斷前進(jìn)，推陳出新，但是由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，至今仍難以準(zhǔn)確探測(cè)巖溶洞穴體積，因此亟待研究出一種能夠準(zhǔn)確獲取巖溶洞穴體積的方法。

1? 溶洞的分類

巖溶介質(zhì)類型在我國北方主要以溶孔、溶隙為主，在南方則是溶管、溶洞和溶隙并存[3]，隨不同的巖溶發(fā)育過程還會(huì)出現(xiàn)不同的組合與變化的情況。工程上根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和溶洞的發(fā)育情況，將溶洞按4個(gè)依據(jù)進(jìn)行分類，見表1。

2? 巖溶探測(cè)的研究現(xiàn)狀

隱伏巖溶的存在是巖溶地基病害發(fā)育的基礎(chǔ)條件，隱伏巖溶發(fā)育帶的探測(cè)一直是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。探測(cè)巖溶既有直接方法，也有間接方法。直接方法有水文地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)、平硐追索等。間接方法有地面電法勘探、地球物理測(cè)井、地下電磁波勘探、地震勘探、聲波探測(cè)、微重力勘探、管波探測(cè)法等物理勘查方法及各種場(chǎng)論。

直接方法中，可以直接觸及溶洞的掘探和鉆探方法直觀性比較強(qiáng)，但掘探費(fèi)工費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大。鉆探不僅成本高，而且因鉆孔密度不可能太大，鉆孔所在位置又不可能恰好就是溶洞所在的位置，因此不宜在大范圍內(nèi)使用。

3? 強(qiáng)迫流示蹤試驗(yàn)方法

3.1 洞穴類型

為了便于研究在不同類型巖溶洞穴條件下示蹤曲線的規(guī)律，在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際情況，該文將巖溶洞穴按以下幾個(gè)因素分類。

（1）按連通性分。

孤立洞穴和貫通性洞穴。孤立洞穴是指與周圍其他洞穴幾乎沒有水力聯(lián)系的洞穴，一般體積比較小。貫通性洞穴是指與周圍其他洞穴之間存在明顯水力聯(lián)系的洞穴，洞穴體積可以很大。

（2）按洞穴形狀分。

巖溶洞穴形狀復(fù)雜無規(guī)律，為便于研究，將洞穴形狀概化為3種類型，見圖1。

一維洞穴是指呈管道狀延伸的洞穴，延伸長度有限，與周圍洞穴的水力聯(lián)系微弱。二維洞穴是指呈扁平狀延伸，可能存在向外延伸的分支管道但直徑較小的洞穴。三維洞穴是指洞穴體積較小，或體積雖大，但在各方向上尺寸變化不大，可能存在向外延伸的分支管道但直徑較小的洞穴。洞穴系統(tǒng)是指延伸很長的管道或洞穴體積大，存在向外延伸的各種管道且管徑較大的洞穴。

（3）按充填情況分。

巖溶洞穴往往有第四系松散層堆積，按充填程度分為：全充填洞穴、部分充填洞穴和無充填洞穴，見圖2。

3.2 強(qiáng)迫流示蹤法

3.2.1 強(qiáng)迫流示蹤法及相應(yīng)的洞穴體積

地下水示蹤實(shí)驗(yàn)是在某一點(diǎn)投源，然后在其他點(diǎn)接收示蹤劑，根據(jù)接收點(diǎn)的濃度曲線特征來判斷地下水流的各種參數(shù)和地下巖溶結(jié)構(gòu)特征的實(shí)驗(yàn)。一般來說，巖溶水文地質(zhì)示蹤實(shí)驗(yàn)的水流都是天然的流動(dòng)，幾乎沒有人工的干預(yù)，但是在該文中，為了使示蹤劑擴(kuò)散的速度更快，更高效地對(duì)巖溶的體積進(jìn)行探測(cè)，因此增加了強(qiáng)迫流的因素。所謂強(qiáng)迫流，就是指示蹤劑的擴(kuò)散不再是單純地靠地下水的流動(dòng)所引起，而是人為地施加外部驅(qū)動(dòng)力，引入攪拌的方法，在投源點(diǎn)處增加攪拌槳，驅(qū)動(dòng)示蹤劑快速地向外擴(kuò)散，達(dá)到更快地獲得示蹤信息、計(jì)算巖溶洞穴體積的目的。

3.2.2 影響體積計(jì)算的主要因素

（1）巖石吸附。

巖石對(duì)示蹤劑的吸附，將使計(jì)算結(jié)果偏高。巖石的吸附主要是洞穴壁面上以及洞穴內(nèi)堆積物顆粒對(duì)示蹤劑的吸附，不同巖石對(duì)不同示蹤劑的吸附量和吸附規(guī)律不同。實(shí)驗(yàn)表明，只要選擇被吸附能力很弱的示蹤劑（例如鉬酸銨），巖石對(duì)示蹤劑的總吸附量是十分有限的。

（2）強(qiáng)迫流擴(kuò)散方向濃度梯度。

理論上，洞穴實(shí)際飽和水空間體積計(jì)算公式中的示蹤劑濃度是強(qiáng)迫流中示蹤劑濃度完全均勻時(shí)的濃度，但實(shí)際上投源處與洞穴壁之間會(huì)存在一定的濃度梯度，用投源處最終的濃度代替均勻的示蹤劑濃度將使洞穴實(shí)際飽和水空間體積計(jì)算結(jié)果偏低。

（3）地下水天然流速。

示蹤劑在天然水流作用下會(huì)向地下水流的下游方向擴(kuò)散，導(dǎo)致示蹤劑濃度上的差異。但由于天然地下水的流速十分小，尤其是平原區(qū)，一般不超過3m/d，遠(yuǎn)小于強(qiáng)迫流的運(yùn)動(dòng)速度，且強(qiáng)迫流實(shí)驗(yàn)時(shí)間很短，因此天然地下水流速對(duì)洞穴實(shí)際飽和水空間體積計(jì)算結(jié)果的影響幾乎忽略不計(jì)。

（4）鉆孔垂向流。

強(qiáng)迫流運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在鉆孔內(nèi)產(chǎn)生垂向流，使極少量的示蹤劑通過鉆孔垂向流向洞穴外擴(kuò)散流失，導(dǎo)致洞穴實(shí)際飽和水空間體積計(jì)算結(jié)果偏高。

以上4個(gè)影響因素的綜合效果將使計(jì)算結(jié)果的誤差降低。因此，強(qiáng)迫流示蹤法計(jì)算洞穴實(shí)際飽和水空間體積是可行和可信的。

4? 封閉洞穴體積計(jì)算方法

強(qiáng)迫流示蹤法所確定的洞穴體積是指不包括充填物體積在內(nèi)的洞穴的實(shí)際飽和水空間體積。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以依據(jù)攪拌均勻后的示蹤劑濃度計(jì)算洞穴的體積，封閉洞穴體積（V）可按以下公式計(jì)算。

式中：△m為投放到洞穴中的示蹤劑質(zhì)量;n0為示蹤劑的濃度背景值;n1是攪拌均勻后的示蹤劑濃度。

5? 結(jié)語

該文只是探討研究了封閉洞穴的體積，而實(shí)際情況中，絕大部分巖溶洞穴是連通的，與外界存在水力交換，所以該文的研究具有一定局限性，在今后的工作中，可以對(duì)洞穴系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而更好地為工程服務(wù)。同時(shí)，該文求得的只是巖溶洞穴充水部分的體積，對(duì)于淤泥部分及未充水部分體積的取得仍然存在困難，因而如何找到一種方法可以探求巖溶洞穴完整體積，仍任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 石祥鋒.巖溶區(qū)樁基荷載下隱伏溶洞頂板穩(wěn)定性研究[D].中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，2005.

[2] 張英駿.應(yīng)用巖溶學(xué)及洞穴學(xué)[M].貴陽：貴州人民出版社，1985.

[3] 郭純青，李文興.巖溶多重介質(zhì)環(huán)境與巖溶地下水系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.