單管道洞穴系統(tǒng)地下水示蹤理論實(shí)驗(yàn)研究

劉建剛，房淑悅，劉明瑋，計(jì)順順

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211106； 2.江蘇開放大學(xué)建筑工程學(xué)院，南京 210036；3.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，南京 210019)

0 引言

巖溶水野外(跨孔)示蹤試驗(yàn)常用來說明投源點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間的水力連通關(guān)系，還可以通過觀測(cè)點(diǎn)的示蹤劑濃度歷時(shí)曲線(穿透曲線)定性分析投源點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)之間的巖溶類型，如溶蝕裂隙、巖溶管道或暗河等。此外，還可以定性識(shí)別巖溶管道上是否存在體積較大的巖溶洞穴，且是單個(gè)洞穴還是多個(gè)洞穴[1-4]。他們都是通過觀測(cè)點(diǎn)接收到的天然條件下的穿透曲線分析投源點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)之間的巖溶管道類型，并在工程實(shí)踐中得到了一定的應(yīng)用[5]。近年來有關(guān)作者提出了一種新的示蹤理論：強(qiáng)迫流示蹤理論。該理論用于研究巖溶洞穴體積大小的估算和形狀的識(shí)別[6-7]。

就單管道洞穴系統(tǒng)來說，楊立錚認(rèn)為示蹤曲線的峰將平化，即出現(xiàn)一個(gè)小的平臺(tái)(圖1)，本文稱之為峰值平臺(tái)，這是定性識(shí)別管道上存在洞穴的早期且十分重要的成果。事實(shí)上，管道上的洞穴體現(xiàn)在示蹤曲線上的峰值平臺(tái)的特征(Cp、t02、T等)與示蹤劑投放量、投放方式、洞穴體積大小、洞穴與投源點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位置以及水力坡降大小等因素有關(guān)，是十分復(fù)雜的。本文就單管道洞穴巖溶水系統(tǒng)的洞穴位置、體積大小和不同水力坡降這3個(gè)因素對(duì)示蹤曲線峰值平臺(tái)特征的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為巖溶水資源評(píng)價(jià)和工程地質(zhì)安全評(píng)價(jià)提供方法依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

單管道洞穴系統(tǒng)中管道直徑和洞穴體積的相對(duì)大小關(guān)系也會(huì)影響示蹤曲線特征，為此通過固定管道直徑的大小，依次增大洞穴體積的方法來體現(xiàn)管道直徑和洞穴體積的相對(duì)大小關(guān)系對(duì)示蹤曲線的影響。實(shí)驗(yàn)裝置的概化模型見圖2。實(shí)驗(yàn)在河海大學(xué)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，2017年完成，歷時(shí)半年。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)管道直徑5mm，用內(nèi)徑5mm的透明軟管代替，洞穴體積分別設(shè)計(jì)為：0.15、1.5、15、30L，用相應(yīng)體積大小的透明器具代替。水力坡降設(shè)計(jì)為0.01～0.05。示蹤劑投放量以洞穴內(nèi)最大濃度在30μg/L左右為原則，因此，各個(gè)實(shí)驗(yàn)中投放的示蹤劑量稍有不同，但總體上量都很少。另外，洞穴位置通過控制上、下游管道長度比例實(shí)現(xiàn)，上游長度為1.0m，按比例控制下游管道的長度，比例按圖2中L1/L2 = 0.5、1.0和2.0。在圖2中，水力坡降的大小通過水源供給側(cè)水池和觀測(cè)點(diǎn)軟管端口的高度來控制，調(diào)整供給側(cè)水龍頭的松緊程度可以使供給側(cè)水池的水面保持不變，這樣就只需要再調(diào)整觀測(cè)點(diǎn)軟管端口的高度就可以達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的洞穴兩端水位差和水力坡降。

圖1 單管道洞穴系統(tǒng)典型示蹤曲線

投源方式采用瞬時(shí)投放，在洞穴的上游端用醫(yī)用注射器注射進(jìn)入直徑5mm的透明軟管中，注射的示蹤劑量各個(gè)實(shí)驗(yàn)不同。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置概化

2 示蹤曲線特征分析

2.1 L1/L2 = 0.5 時(shí)的示蹤曲線

示蹤曲線見圖3。在圖3(a1)和圖3(a2)中，只有洞穴體積30L的示蹤曲線沒有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)，而洞穴體積0.15、1.5、15L的示蹤曲線都有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)，峰值平臺(tái)的平均濃度(Cp)分別為27.7、23.8、25.0μg/L，平臺(tái)寬度(T)分別為45、255和1 200s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)分別為75、100、300s。在圖3(b1)和圖3(b2)中，洞穴體積0.15、30L的示蹤曲線沒有峰值平臺(tái)，但洞穴體積為1.5、15L的示蹤曲線有峰值平臺(tái)，峰值波動(dòng)不大，峰值平臺(tái)的平均濃度(Cp)分別為29.3、24.1μg/L，平臺(tái)寬度(T)分別為50、420s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)分別為30、180s。在圖3(c)中，所有的示蹤曲線都沒有峰值平臺(tái)出現(xiàn)。

2.2 L1/L2 = 1.0 時(shí)的示蹤曲線

示蹤曲線見圖4。在圖4(a)中，洞穴體積0.15和1.5L的示蹤曲線上都有明顯的峰值平臺(tái)，且平臺(tái)峰值Cp基本穩(wěn)定，平均濃度(Cp)分別為24.7、26.1μg/L，平臺(tái)寬度(T)分別為30、220s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)分別為60和80s；洞穴體積15L時(shí)，曲線尾部濃度趨近背景濃度，但其峰值Cp出現(xiàn)較大波動(dòng)，波動(dòng)值為30～95μg/L，視該波動(dòng)區(qū)為“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”，峰值平臺(tái)區(qū)域的平均濃度(Cp)為50.1μg/L，區(qū)域平寬度(T)540s，區(qū)域初現(xiàn)時(shí)間(t02)為180s。

在圖4(b)中，洞穴體積0.15、30L的示蹤曲線峰值呈尖峰狀，未有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)；洞穴體積1.5、15L的示蹤曲線上均有明顯的峰值平臺(tái)，且平臺(tái)峰值Cp基本穩(wěn)定，這兩條曲線的峰值平臺(tái)平均濃度(Cp)分別為32.8、20.7μg/L，平臺(tái)寬度(T)分別為120、150s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)分別為90、120s。

在圖4(c)中， 無論洞穴體積多大， 示蹤曲線均呈尖峰狀，未有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)。由于洞穴體積30L的所有穿透曲線都不呈現(xiàn)明顯的峰值平臺(tái)，以下的分析中不再列出其曲線。

圖3 L1/L2=0.5時(shí)不同水力坡降和洞穴體積的示蹤曲線

2.3 L1/L2 = 2.0時(shí)的示蹤曲線

示蹤曲線見圖5。在圖5(a)中，洞穴體積0.15、1.5、15L的示蹤曲線上都有明顯的峰值平臺(tái)，且峰值變化不大。峰值平臺(tái)的平均濃度(Cp)分別為26.7、25.6、30.8μg/L，平臺(tái)寬度(T)分別為30、280、45s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)分別為45、80、75s。在圖5(b)中，洞穴體積0.15L的示蹤曲線峰值呈尖峰狀，未有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)；洞穴體積1.5L的示蹤曲線上有明顯的峰值平臺(tái)，且平臺(tái)峰值Cp變化幅度不大，其峰值平臺(tái)平均濃度(Cp)為35.7μg/L，平臺(tái)寬度(T)為60s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)為30s。洞穴體積15L的示蹤曲線上有Cp明顯波動(dòng)的“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”，峰值平臺(tái)區(qū)域的平均濃度(Cp)為18.9μg/L，平臺(tái)寬度(T)為315s，平臺(tái)初現(xiàn)時(shí)間(t02)為105s。在圖5(c)中，無論洞穴體積多大，示蹤曲線均呈尖峰狀，未有明顯的峰值平臺(tái)出現(xiàn)。

總體來看，不管洞穴的位置如何，峰值平臺(tái)寬度(T)呈隨著洞穴體積的增大而增大趨勢(shì)，但隨著水力坡降的增大而減小趨勢(shì)。這是符合實(shí)際的，洞穴體積越大，洞穴內(nèi)的示蹤劑需要更多的時(shí)間才能排出洞穴，峰值平臺(tái)寬度(T)就增大。水力坡降增大時(shí)，示蹤劑從洞穴內(nèi)流出的時(shí)間縮短，峰值平臺(tái)寬度(T)就減小。

圖4 L1/L2=1.0時(shí)不同水力坡降和洞穴體積的示蹤曲線

圖5 L1/L2=2.0時(shí)不同水力坡降和洞穴體積的示蹤曲線

對(duì)于出現(xiàn)“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”的圖4(a)和圖5(b)，它們的共同特點(diǎn)是洞穴體積均為15L，水力坡降J=0.01或0.03，L1/L2=0.5～2.0。這說明，影響形成“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”的首要因素是洞穴的體積，其次是水力坡降。當(dāng)洞穴的體積較大，水力坡降不大的情況下，缺乏讓示蹤劑在洞穴內(nèi)充滿整個(gè)空間并均勻混合的水動(dòng)力條件，容易在洞穴體積內(nèi)形成2個(gè)或2個(gè)以上的示蹤劑擴(kuò)散區(qū)(圖6a)，導(dǎo)致示蹤曲線在“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上的峰或谷。當(dāng)水力坡降較大時(shí)，水流及其示蹤劑在洞穴內(nèi)以較快的速度并在洞穴的局部空間內(nèi)通過，使示蹤曲線的“起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域”消失，并以尖峰狀單峰曲線呈現(xiàn)(圖6b)。

圖6 示蹤劑擴(kuò)散模型

對(duì)于形成穩(wěn)定峰值平臺(tái)狀示蹤曲線時(shí)洞穴內(nèi)的示蹤劑的擴(kuò)散， 可以理解為由于洞穴體積和水力坡降都不是很大， 進(jìn)入洞穴內(nèi)的示蹤劑可以在短時(shí)間內(nèi)完成均勻混合，并以基本穩(wěn)定的示蹤劑濃度流出洞穴(圖6c)。

3 結(jié)論

通過以上不同洞穴位置、洞穴體積大小和巖溶水水力坡降條件下的系列示蹤實(shí)驗(yàn)和穿透曲線分析，可以得到如下幾個(gè)結(jié)論：

1)在單洞穴巖溶水系統(tǒng)中，示蹤曲線的形狀或呈尖峰狀或呈穩(wěn)定峰值平臺(tái)狀或呈起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域狀。

2)洞穴體積較小時(shí)容易形成尖峰狀示蹤曲線，可以理解為洞穴特征“消失”，弱化為單管道系統(tǒng)的單峰曲線；水力坡降較大時(shí)也容易形成尖峰狀示蹤曲線，可以理解為水流在洞穴內(nèi)以較快的速度并在洞穴的局部空間內(nèi)通過，洞穴擴(kuò)散均勻化示蹤劑濃度的功能消失。

3)洞穴體積較大，而水力坡降不大時(shí)最容易形成起伏狀峰值平臺(tái)區(qū)域示蹤曲線。示蹤劑在洞穴內(nèi)無法均勻混合，形成2個(gè)或2個(gè)以上的示蹤劑擴(kuò)散區(qū)，使示蹤曲線在峰值平臺(tái)區(qū)域濃度大起大落，甚至可以接近背景值。

4)除了2)和3)的條件外，單洞穴巖溶水系統(tǒng)容易形成具有穩(wěn)定峰值平臺(tái)的示蹤曲線。