示蹤實驗在某鐵路隧道施工勘察中的應(yīng)用

劉 星

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

1 概述

示蹤實驗方法在水文、石油勘察、城市環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如在美國猛犸洞地區(qū)，為了查清一處垃圾填埋場對猛犸洞的影響，在300 km2的范圍內(nèi)開展了600多次示蹤實驗，以查清楚水流方向，這個案例在美國很有代表性[1]。K?ss Werner記述了歐洲開展示蹤實驗的歷史，說明了示蹤實驗的原理、操作技術(shù)、示蹤劑的化學(xué)性質(zhì)和測試方法，以及實驗數(shù)據(jù)的處理方法[2]。汪進良等為查明八寶水庫地下河的連通性，采用自動化監(jiān)測電導(dǎo)率的方法開展示蹤實驗，發(fā)現(xiàn)水中NaCl含量變化在數(shù)量級上能達到μs/cm(微西每厘米，電導(dǎo)率的單位)[3]。榮元帥等研究了縫洞型油藏不同類型井間連通結(jié)構(gòu)下示蹤劑產(chǎn)出曲線特征及影響[4-6]。姜光輝等開展了人工示蹤技術(shù)在巖溶地區(qū)水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[7]。趙小二設(shè)計了三種巖溶管道結(jié)構(gòu)來模擬巖溶管道內(nèi)部的物理變化過程，探討溶潭對巖溶管道流場和溶質(zhì)運移過程的影響[8-9]。

在鐵路勘察領(lǐng)域，判斷地下水流速、流向較為常用的方法有充電法、高密度電法、聯(lián)合剖面法等[10-12]，但這些方法都需要已知地下水的連通關(guān)系。以某鐵路隧道施工勘察中的應(yīng)用為例，利用食鹽作為示蹤物，對隧道內(nèi)涌水與暗河的連通關(guān)系進行了定性、定量分析，包含隧道內(nèi)涌水與暗河補給徑流時間、暗河流速、水力梯度等水文信息[13-16]，為該隧道泄水洞的設(shè)置提供科學(xué)客觀的依據(jù)。

2 工程概況

某隧道為Ⅰ級高風險隧道，全長14.58 km，地處西南巖溶喀斯特區(qū)域，隧址區(qū)域內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，有地下暗河系統(tǒng)與隧道相交或并行。

在勘察階段，發(fā)現(xiàn)隧道進口DK375+870～DK379+200段巖溶發(fā)育，在線路DK378+900右側(cè)200 m發(fā)育有大型溶洞(為一暗河入口)，地下分支較多，其中一分支位于隧道進口(線路左側(cè)約40 m處)。該分支走向與隧道走向基本一致，且與隧道相交，對線路方案影響較大。采用大地電磁測深、連通性實驗及鉆孔進行勘察，基本查明了測區(qū)暗河與隧道的空間關(guān)系(見圖1)。

注：藍色實線為地表水，藍色虛線為地下暗河。圖1 測區(qū)暗河與隧道空間關(guān)系

在施工期間，揭示了大型巖溶，并發(fā)生了涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，最大涌水量超過200 000 m3/d。受建設(shè)單位委托，為迅速判斷隧道內(nèi)涌水與暗河的連通關(guān)系，獲取水文信息，為泄水洞設(shè)置提供依據(jù)，決定在補充勘察中采用示蹤實驗方法開展工作。

3 示蹤實驗

3.1 示蹤劑選擇

結(jié)合場地環(huán)境條件及實驗條件，對幾種主要示蹤材料進行對比(見表1)，最終確定選用食用鹽。天然水中普遍存在有Cl-離子，一般在陸地上的淡水中含量在幾mg/L至數(shù)百mg/L之間。利用硝酸銀滴定法能夠快速得到實驗結(jié)果。

表1 幾種主要示蹤劑對比

3.2 示蹤實驗過程

2015年8月28日～29日，隧址區(qū)域范圍內(nèi)有較大規(guī)模的降雨，經(jīng)過現(xiàn)場踏勘得知，暗河入水口匯水量約5 000 m3/h，平導(dǎo)PDK378+507處涌水流量約為200 m3/h，平導(dǎo)交叉口水流量為800～1 000 m3/h，正洞中心水溝水流量約為1 500 m3/h，滿足水樣采集工作的條件，定于8月31日開展示蹤實驗工作。

在暗河入水口處按50 kg/min的投放量，不間斷連續(xù)投放10 min，合計投入500 kg食鹽(投放時間自16：07開始，于16：16結(jié)束)。正洞中心水溝處、平導(dǎo)PDK378+507涌水處、平導(dǎo)與正洞交叉口等三處的水力通道長度為500～3 100 m，暗河入口處水流速為72～90 m/min，初步分析富含Cl-離子的水力連通時間介于5.5～43 min之間。

在短時間內(nèi)注入示蹤劑，形成高濃度液體進入地下河管道，示蹤劑沿縱向遷移。示蹤劑彌散可用微分方程式表示，有

(1)

式中D——縱向彌散系數(shù);

x——示蹤劑運動距離;

V——水流速度;

c——示蹤劑濃度;

t——遷移時間。

由式(1)可知，示蹤劑濃度隨時間的變化與彌散系數(shù)、地下水速度有關(guān)。示蹤劑理論分布范圍為一順水流方向拉長的橢圓形，其彌散中心濃度最高，向四周逐漸降低，其濃度變化曲線應(yīng)為兩翼略對稱的單峰曲線。若遇支流匯入，曲線一翼或兩翼將產(chǎn)生波折反應(yīng)，呈不對稱型。

為確保能夠采集到富含Cl-離子的“水團”，設(shè)定水樣采集自示蹤劑投放時間(16：07)即開始進行，每間隔10 min取一次水樣，于17：37結(jié)束，連續(xù)采集10次，采集時長90 min。

現(xiàn)場共采集到3組水樣，每組10個，水樣編號命名分別為：

①正洞中心水溝:Z1、Z2、Z3……Z8、Z9、Z10;

②平導(dǎo)正洞交叉口:P11、P12……P18、P19、P110;

③PDK378+507：P21、P22、P23……P28、P29、P210.

3.3 實驗結(jié)果

本次示蹤實驗結(jié)果見表2、表3，正洞中心水溝、PDK378+507與平導(dǎo)及正洞交叉口等三處位置的Cl-離子濃度—時間曲線見圖2。

表2 示蹤實驗結(jié)果 mg/L

表3 示蹤實驗結(jié)果統(tǒng)計

圖2 三組水樣Cl-離子濃度-時間曲線

(1)由表2、表3和圖2可知，隧址區(qū)域內(nèi)地下水中Cl-離子含量背景介于10.64～17.73 mg/L，剔除兩個異常水樣，地下水中Cl-離子含量平均值介于13.12～15.60 mg/L。

(2)在平導(dǎo)與正洞交叉口處時間為16：17與16：27取得的兩個水樣中，氯離子含量高達124.08 mg/L與116.99 mg/L，與其余水樣氯離子含量平均值(13.12～15.60 mg/L)有巨大的差異。從統(tǒng)計學(xué)分析，該組水樣標準差為44.62，變異系數(shù)高達123.39%，而其余幾組水樣標準差均小于5，變異系數(shù)小于30%，可以充分證明平導(dǎo)內(nèi)涌水與暗河存在連通關(guān)系。

(3)暗河平導(dǎo)與正洞交叉口觀測到的峰值異常為投放示蹤劑后的10 min，考慮到示蹤劑在水中的彌散作用，可以判定地下暗河對平導(dǎo)內(nèi)涌水的補給時間不足10 min，該處位置的水力連通長度約為630 m，從而得到流速V應(yīng)略大于63 m/min，與暗河入口處水流速72～90 m/min基本一致。

(4)已知暗河入口處高程H1=1 048.4 m，隧道內(nèi)底板高程H2=926.6 m，水力連通長度L=630 m，根據(jù)水利梯度計算公式，計算得到水力梯度I=0.1933。

4 結(jié)束語

示蹤實驗技術(shù)在在國際上已經(jīng)成為水文地質(zhì)勘察的常用手段，而在國內(nèi)尤其是鐵路勘察領(lǐng)域的應(yīng)用還偏少。示蹤實驗耗時短、效率高且費用低，可定量給出暗河流速、水力梯度等水文地質(zhì)信息，特別適用于我國西南喀斯特地貌巖溶發(fā)育區(qū)域或暗河發(fā)育等特殊地質(zhì)情況下的鐵路隧道勘察。

限于現(xiàn)場條件，本次實驗只采用了硝酸銀滴定法一種手段對Cl-離子含量進行測定，在未來類似工作中，應(yīng)輔以離子色譜法開展平行實驗；此次實驗，在兩處暗河出口處未設(shè)置水樣采集點，未能完整反映兩處暗河出口的水文信息，在未來開展此類工作中應(yīng)予以改進。