示蹤試驗在隧道涌水與斷層水力聯系調查中的應用——以江西萍鄉鐘家山為例

張湘文，王濤，程勝高

（中國地質大學(武漢)環境學院，武漢 430074）

在隧道工程、地下工程建設過程中，由于很多地區水文地質條件復雜，地下工程突水災害時有發生，造成人員傷亡和財產損失。據統計，每年突涌水災害造成的人員傷亡和財產損失僅次于煤瓦斯災害［1］。在突涌水災害治理過程中，查明地下水來源、補給方式及區域斷層水力聯系是治理的關鍵。本文以江西萍鄉鐘家山隧道突涌水事件為例，將區域水文地質調查中常用的水文示蹤試驗方法，引入到小區域的地下突水治理工程中。該類水文示蹤試驗同傳統示蹤試驗相比，具有顯著區別性:(1)試驗區域較小，通常限定在涌水工程治理區域內，基本不涉及多個水文地質單元;(2)靠近涌水區域，地下水流速較快，示蹤劑投放與出現時間間隔較短，且示蹤劑濃度曲線區別明顯;(3)示蹤劑濃度峰值持續時間較短，示蹤劑在巖體內部留存時間較短;(4)示蹤劑主要沿對涌水起控制作用的裂隙或巖溶主管道運行，與孔隙介質的示蹤劑運移規律存在顯著區別。［2］

1 區域概況

鐘家山隧道區域范圍50 km2內地層，有泥盆系上統佘田橋組(D3s)與石炭系下統大塘階測水組呈不整合接觸，缺失了石炭系中上統地層及石炭系下統大塘階石磴子組(C1d1)地層。石炭系下統大塘階測水組(C1d2)分布于區域西北部以及禾水河北側一帶。據前期物探、鉆探揭露情況，隧址區發育有F1、F2、F3、F4、F5等斷裂。鐘家山隧道水文地質圖及其縱剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 鐘家山隧道水文地質圖Fig.1 Hydrogeologicalmap of Zhongjia Mountain Tunnel

區域主要含水巖組可分為孔隙含水巖組、基巖裂隙含水巖組及巖溶含水巖組。孔隙含水巖組地下水主要賦存于第四系殘坡積層以及禾水河兩側沖洪積層中，其富水性直接受大氣降水的控制:雨季補給充足，則孔隙水較多;而在旱季蒸發量大于補給量，孔隙水較少，局部甚至枯竭。基巖裂隙含水巖組分布于調查區大部分區域，地下水主要賦存于泥盆系和石炭系砂頁巖風化裂隙和構造裂隙中，按其成因可分為風化裂隙水和構造裂隙水，含水巖組的富水性與導水性主要與巖性、風化裂隙及構造裂隙的發育程度相關。巖溶裂隙含水巖主要賦存于石炭系大塘階測水組的灰巖中，灰巖中溶蝕孔隙、溶孔及溶洞發育，尤以灰巖與第四系接觸部位溶蝕現象較為發育，地下水主要賦存于淺層溶蝕孔隙中，其補給量受上覆第四系黏土層影響，含水層富水性一般［3-5］。

圖2 鐘家山隧道水文地質縱剖面圖Fig.2 Hydrogeological cross section of Zhongjia Mountain Tunnel

2 地下水示蹤試驗方法及過程

本次示蹤試驗共4組，分2次進行:同一次試驗過程中選擇的示蹤劑互不干擾，監測的對象均為隧道內的涌水，第一次試驗投放點均在溪溝內進行，目的是弄清隧道內涌水與溪溝水的關系及連通性;第二次試驗的投放點均在鉆孔內進行，目的是弄清隧道突水突泥后地下水的流場分布，并借此推斷某些破碎帶和斷層的導水性。

2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑的選擇原則: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，不破壞地下水生態系統;③不易被土壤和圍巖吸附，不易沉淀，化學性質穩定，不與其他環境物質發生物理和化學反應，不易被生物降解，不揮發;④不易被地下水中其他物質干擾，易被儀器檢測，靈敏度高，且成本相對較低［6-7］。

根據區域水文地質調查情況，結合以往的示蹤試驗經驗，并考慮當地的飲用水安全及經濟、技術條件因素［8-11］，本次示蹤試驗采用熒光素鈉、熒光增白劑、羅丹明，這3種示蹤劑均為熒光劑。示蹤試驗點分布如圖3所示。

2.2 示蹤試驗投放點的選擇

第一次示蹤試驗投放點位于F5斷層主溝和水文鉆孔ZK-12旁溪溝下游200 m處;第二次示蹤試驗投放點位于水文地質鉆孔SK2和水文地質鉆孔SK4處。投放點概況見表1。

圖3 示蹤試驗點分布圖Fig.3 Distribution map of tracer test points

2.3 示蹤試驗接收點的選擇

第一次示蹤試驗接收點位于出口右洞掌子面附近涌水點和進口右洞掌子面附近涌水點;第二次示蹤試驗接收點位于出口右洞掌子面附近涌水點和進口右洞隧道口處。接收點概況見表2。

2.4 監測使用儀器

本次示蹤監測儀器使用GGUN-FL30野外地下水示蹤儀，自動化程度高，能夠實現在線連續監測，并且精度高，不易受到污染。本次檢測每10 s自動記錄一組數據，記錄數據組數10 246組。

表1 投放點概況Table 1 List of tracer recharge points

表2 接收點概況Table 2 List of tracer receiving points

3 地下水示蹤試驗結果及分析

3.1 第一次試驗

投放點位于F5斷層主溝(見圖3 T1)和鉆孔ZK-12旁溪溝下游200 m處(見圖3 T2)。

3.1.1 右洞出口(S1)

根據示蹤試驗監測數據，將不符合實際的數據剔除，繪制示蹤劑濃度-時間動態變化曲線(本文時間采用24小時制)，結果如圖4所示。

圖4 右洞出口示蹤試驗動態曲線(2013-01-27—2013-04-16)Fig.4 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

從圖4可以看出，從1月27日10∶00在F5斷層主溝投放熒光素鈉，在鉆孔ZK12旁溪溝下游投放熒光增白劑，截至3月1日，出口右洞段掌子面監測點處一直未檢測到示蹤劑;從3月1日開始至4月3日，儀器檢測的熒光增白劑數次高出背景值，特別是3月6日、7日、15日、16日、30日前后幾日均出現峰值，分析認為是投放的熒光增白劑從不同的裂隙通道在不同的時間到達了監測點。

對于熒光素鈉，觀測濃度值一直處于背景值附近，分析認為在試驗時間段內，在F5斷層主溝投放的熒光素鈉沒有到達出口右洞涌水點。

3.1.2 右洞進口(S3)

根據示蹤試驗數據，繪制示蹤劑濃度-時間動態變化曲線圖，結果如圖5所示。

自1月26日16∶00截止到3月9日14∶00，該監測點均未檢測到熒光素鈉。熒光增白劑投放10天之后，于2月5日開始檢測到并持續到2月22日，2月8日至2月20日保持較高峰值。分析認為是投放的熒光增白劑從不同的裂隙通道在不同的時間到達了監測點。

圖5 右洞進口示蹤監測動態曲線(2013-01-26—2013-03-09)Fig.5 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

3.2 第二次試驗

投放點位于水文地質鉆孔SK2(見圖3 T3)和水文地質鉆孔SK4處(見圖3 T4)。

3.2.1 右洞出口(S1)

根據示蹤試驗檢測數據，繪制該監測點示蹤劑濃度-時間動態變化曲線，結果如圖6所示。

圖6 右洞出口示蹤監測動態曲線(2013-04-08—2013-04-16)Fig.6 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

從圖6可以看出，自4月08日在水文孔SK4投放熒光素鈉，在水文孔SK2投放羅丹明開始，羅丹明的含量雖然有一定的升高，但同時濁度也在升高，兩者吻合性較好。在使用的這幾種示蹤劑中，羅丹明受所檢測水濁度的影響較大，或者說一定程度上會呈現正相關性，而且羅丹明含量的增加幅度并不是很大，因此我們認為，本次試驗中該檢測點沒有檢測到羅丹明。對于熒光素鈉，監測期間其值一直穩定在背景值，因此該監測點也沒有檢測到熒光素鈉。

3.2.2 右洞進口(S2)

圖7 右洞進口隧道口示蹤監測動態曲線(2013-04-10—2013-04-16)Fig.7 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

根據示蹤試驗數據，繪制示蹤劑濃度-時間動態變化曲線，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，自4月10日在水文孔SK4投放熒光素鈉、在水文孔SK2投放羅丹明開始，截止到4月14日，在此期間曲線一直處于平直狀態，4月13日由于隧道施工人員挪動儀?器，導致監測的濁度和羅丹明含量突然下降，但不影響對試驗結果的分析，可以認為在此之后的一段時間測得的值為背景值。從圖中可以看出，在4月14日、15日，羅丹明含量出現峰值，最高值超過10 ppb，高于背景值(2.5 ppb)。因此，分析認為該監測點檢測到了羅丹明。同時熒光素鈉也出現了峰值，分析認為該監測點檢測到了熒光素鈉。

4 結論

(1)在鉆孔ZK-12旁溪溝下游投放熒光增白劑，10天后即在進洞口塌陷點處檢測到示蹤劑，說明風化破碎巖帶導水，是隧洞進洞口突水的一個通道。SK2鉆孔處進行的羅丹明示蹤試驗，進洞口處在6～7天后即檢測到示蹤劑，說明F2斷層破碎帶的導水性較好，是進洞口塌陷的一個補水通道。針對F5斷層進行示蹤試驗，在F5斷層帶的溪溝上人工修筑小水池，投入熒光素鈉示蹤劑，并在隧道進出口的工作面進行檢測，經過近三個月的時間，示蹤劑沒有監測出來，說明F5斷層導水性較差。

(2)兩次示蹤試驗表明，出口右側突水補給源主要來自鉆孔ZK12旁溪溝水下滲作用，而出口左側突水補給源較多，ZK12旁溪溝水、SK2、SK4處地下水均為左側突水補給源，而斷層F2導水性良好，是出口左側突水的重要徑流通道。

(3)示蹤連通試驗對于確定地下水徑流通道、斷層導水性質起到重要作用。采用示蹤試驗，在隧道突水區域利用自然形成的疏降流場，能夠加速示蹤劑在含水層中的遷移，也能夠使示蹤連通試驗達到預期目的。

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