濱海地區(qū)反稀釋法現(xiàn)場試驗(yàn)研究

李月奇,陳 亮,文 磊,何健健,姚斌斌

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京，210098;2.河海大學(xué)，江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 江蘇 南京210098)

濱海地區(qū)反稀釋法現(xiàn)場試驗(yàn)研究

李月奇1,2,陳 亮1,2,文 磊1,2,何健健1,2,姚斌斌1,2

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京，210098;2.河海大學(xué)，江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心 江蘇 南京210098)

人工示蹤技術(shù)可較為準(zhǔn)確地估算地下水滲透流速的大小，本文提出在地下水含鹽度較高的濱海地區(qū)利用淡水作為間接示蹤劑進(jìn)行鉆孔內(nèi)水體置換，通過電導(dǎo)率試驗(yàn)采集電導(dǎo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析估算地下水滲透流速的大小，并推導(dǎo)了理想化條件下的地下水滲透流速的計(jì)算公式。在工程中進(jìn)行了原位測試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能較好的估算高鹽度濱海地區(qū)地下水滲透流速的大小。

濱海地區(qū)；地下水；反稀釋法；滲透流速；示蹤劑

地下水滲透流速是一個(gè)重要的水文地質(zhì)參數(shù) ，其在工程勘察、設(shè)計(jì)和施工的過程中起著重要的作用。人工示蹤技術(shù)可較為準(zhǔn)確地估算地下水滲透流速的大小。自Drost,Moser建立同位素單井點(diǎn)稀釋定理計(jì)算地下水流速以后[1-2]，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了示蹤測井技術(shù)， 并被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、工程勘察等領(lǐng)域， 解決了許多工程實(shí)踐問題。Sale等通過單井示蹤技術(shù)利用熒光劑作為示蹤劑解決了輕質(zhì)非水相液體的地下滲透流速計(jì)算問題[3]。Pitrak等用鉆孔稀釋技術(shù)采用色素作為示蹤劑來標(biāo)記流體柱進(jìn)行地下水水平流速的測試計(jì)算，并通過實(shí)例證明了該技術(shù)的有效性和實(shí)用性[4]。陳建生等在此基礎(chǔ)上將垂向流統(tǒng)一考慮進(jìn)去，提出了廣義稀釋模型，解決了原點(diǎn)稀釋理論的諸多缺陷，并運(yùn)用于實(shí)際工程勘察和堤壩滲漏探測中，取得了良好的效果[5-12]。高正夏等介紹了利用同位素方法測試地下水的流速、流向的基本原理, 考慮到放射性同位素對環(huán)境的影響，目前主要使用食鹽溶液等代替放射性同位素作為示蹤劑進(jìn)行單井示蹤試驗(yàn)。濱海地區(qū)受海水入侵的影響，地下水含離子量很多，電導(dǎo)值很高，采用投放食鹽的方法已不再適用。本文通過理想模型理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對濱海地區(qū)高電導(dǎo)值地下水的滲透流速測試方法進(jìn)行了改進(jìn)研究。

1 反稀釋模型理論推導(dǎo)

反稀釋基本模型示意圖如圖1所示，其中d為鉆孔直徑，h為被標(biāo)記段水深度，Q為流入和流出鉆孔的流量，Cc(Nc)為地下水未進(jìn)行洗孔置換水體前的離子濃度(電導(dǎo)值)，Ct(Nt)為t時(shí)刻被標(biāo)記段水體的測試電導(dǎo)值。

1.1基本假設(shè)

1.2流速計(jì)算公式推導(dǎo)

對孔內(nèi)標(biāo)記段水體進(jìn)行淡水置換后記起始濃度為Co，設(shè)經(jīng)歷任意時(shí)刻t后標(biāo)記段離子濃度為Ct，經(jīng)歷一個(gè)短暫的微元間隔時(shí)間t，則標(biāo)記段離子含量變化為：

從標(biāo)記段本身考慮：

▽m=C(t+▽t)V-CtV

(1)

從水體流量守恒考慮：

▽m=-CtQ▽t+CcQ▽t

(2)

聯(lián)立(1)、(2)式，兩邊同除▽t以取極限可得：

(3)

(3)式分離變量兩邊積分后得：

(4)

其中const為一與初始條件相關(guān)的參數(shù)，代入初始條件t=0時(shí)Ct=0=C0解得const=Ln(Cc-C0)代入(4)式可得：

(5)

由物理知識有:

(6)

(6)式代入(5)得：

(7)

加上流場畸變矯正系數(shù)a可得[8]：

(8)

又由物理知識知Nt∞Ct，故得最終流速的反稀釋計(jì)算公式為：

(9)

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 測試區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

本次測試孔區(qū)域河網(wǎng)密布、溝渠交錯(cuò)，有3條大型行洪河道穿境而過，11條主要干支渠分布其間，有面積24km2的大型水庫，水資源豐富。

現(xiàn)場試驗(yàn)對三個(gè)鉆孔進(jìn)行了測試，三個(gè)孔均為第四系的淺層孔，①測試孔GK1深度為19m，該孔取芯樣結(jié)果是0～2.4m為雜填土，2.4～4.8m為素填土，4.8～9.6m為粉質(zhì)粘土，9.6～19m為粉細(xì)砂。②測試孔GK2深度為15m，該孔取芯樣結(jié)果是0～2.2m為雜填土，2.2～4.7m為素填土，4.7～9.2m為粉質(zhì)粘土，9.2～15m為粉細(xì)砂。③測試孔GK3深度為17m，該孔取芯樣結(jié)果是0～2.5m為雜填土，2.5～5.0m為素填土，5.0～9.4m為粉質(zhì)粘土，9.4～17m為粉細(xì)砂。成孔后下有孔徑75mm的透水性良好的鋼套管，測試用以確定淺層地下水的滲透流速大小。

2.2 測試方法

鉆孔用電導(dǎo)值1 600μs/cm左右的淡水,用大功率的汽油泵從孔底自下而上進(jìn)行水體置換洗孔，洗孔的同時(shí)用DJS-1C電導(dǎo)電極探頭和配套的DDBJ-350電導(dǎo)率儀測試水體的電導(dǎo)值，以便判斷置換效果的好壞。GK1、GK2、GK3置換水體用水量分別為2、1.6、1.8m2。置換完畢待水位靜置恢復(fù)后開始電導(dǎo)率測試試驗(yàn)，記錄各測試時(shí)間鉆孔各深度的電導(dǎo)值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)測試整理后得GK1孔各深度各時(shí)間點(diǎn)電導(dǎo)值如圖2所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內(nèi)5m以上為一個(gè)相對隔水層，5m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點(diǎn)隨著時(shí)間的推移逐漸向鉆孔表層移動(dòng)，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。這是受電導(dǎo)率試驗(yàn)時(shí)鉆孔內(nèi)水位并未完全恢復(fù)影響的結(jié)果。

由公式(9)變形得：Ln|Nc-Nt|∞t 。對采集到的鉆孔電導(dǎo)數(shù)據(jù)處理按式上式進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線的斜率和可決系數(shù)R2,后者可用于度量曲線擬合優(yōu)度，前者則用來計(jì)算地下水滲透流速大小。當(dāng)曲線擬合優(yōu)度較差時(shí)，應(yīng)考慮偶然誤差的影響，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得該孔地下水滲透流速大小如圖2(b)所示，由圖分析可知，該測點(diǎn)地下水10m以下流速在3×10-6cm/s左右，10m以上受地表水影響大約在2×10-5cm/s左右。

同樣經(jīng)測試整理后得GK2孔各深度各時(shí)間點(diǎn)電導(dǎo)值如圖3所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內(nèi)3m以上為一個(gè)相對隔水層，3m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點(diǎn)隨著時(shí)間的推移逐漸向鉆孔表層移動(dòng)，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。該測點(diǎn)地下水10m以下流速在5×10-5cm/s左右，4～10m上受地表水影響大在3×10-4cm/s左右。

同樣經(jīng)測試整理后得GK3孔各深度各時(shí)間點(diǎn)電導(dǎo)值如圖6所示，由圖可知該處地層測試深度范圍內(nèi)3m以上為一個(gè)相對隔水層，3m以下為含水層；且無明顯垂向流。每條曲線的突變拐點(diǎn)隨著時(shí)間的推移逐漸向鉆孔表層移動(dòng)，最終停止在含水層與相對隔水層的分界面。該測點(diǎn)地下水9m以下流速在9×10-5cm/s左右，4～10m上受地表水影響大在3×10-4cm/s左右。

由以上三孔試驗(yàn)結(jié)果可知，計(jì)算結(jié)果與鉆孔芯樣的土層滲透流速的經(jīng)驗(yàn)值對比差別不大，說明該測試結(jié)果可信度較高，具有良好的工程適用性。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)場實(shí)際情況與理想化模型之間存在差異，計(jì)算結(jié)果存在誤差，總體來說計(jì)算結(jié)果偏于保守。

2)測試結(jié)果與地層情況相吻合,該方法對高電導(dǎo)值地下水滲透流速測試具有良好的適應(yīng)性。

3)成孔工藝，套管的選用，測試時(shí)間以及現(xiàn)場實(shí)際情況對測試有一定的影響，測試人員應(yīng)綜合考慮。

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(責(zé)任編輯 李軍)

Field test study of anti - dilution method in coastal areas

LIYueqi1,2,CHENLiang1,2,WENLei1,2,HEJianjian1,2,YAOBinbin1,2

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China. 2.JiangsuResearchCenterforGeomechanicsEngineeringTechnology,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Groundwaterseepagevelocitycanbeaccuratelyestimatedbytracertechniques.ThefreshwaterwasusedasanindirecttracerinthecoastalareaofgroundwaterwithhighsalinitytotestGroundwaterseepagevelocitybyconductingtracertestandanalyzingthedatacollected.Andthen,theequationwasdeducted.Theexperimentalresultsshowthatthismethodcanestimatethegroundwaterseepageflowrateinhighsalinitycoastalarea.

anti-dilutionmethod;groundwater;seepageflowvelocity;tracer;coastalarea

1673-9469(2016)04-0047-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.011

2016-06-05

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20155024511)；南京水利科學(xué)研究院開放基金資助項(xiàng)目(20155005712)

李月奇(1993-)，男，安徽阜陽人，碩士。研究方向?yàn)閹r土工程。

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