示蹤實驗在某鐵路隧道施工勘察中的應用

劉 星

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，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)測等諸多領域得到了廣泛的應用，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、示蹤劑的化學性質和測試方法，以及實驗數據的處理方法[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)測電導率的方法開展示蹤實驗，發(fā)現水中NaCl含量變化在數量級上能達到μs/cm(微西每厘米，電導率的單位)[3]。榮元帥等研究了縫洞型油藏不同類型井間連通結構下示蹤劑產出曲線特征及影響[4-6]。姜光輝等開展了人工示蹤技術在巖溶地區(qū)水文地質勘察中的應用[7]。趙小二設計了三種巖溶管道結構來模擬巖溶管道內部的物理變化過程，探討溶潭對巖溶管道流場和溶質運移過程的影響[8-9]。

在鐵路勘察領域，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、聯合剖面法等[10-12]，但這些方法都需要已知地下水的連通關系。以某鐵路隧道施工勘察中的應用為例，利用食鹽作為示蹤物，對隧道內涌水與暗河的連通關系進行了定性、定量分析，包含隧道內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置提供科學客觀的依據。

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)現隧道進口DK375+870～DK379+200段巖溶發(fā)育，在線路DK378+900右側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、突泥等地質災害，最大涌水量超過200 000 m3/d。受建設單位委托，為迅速判斷隧道內涌水與暗河的連通關系，獲取水文信息，為泄水洞設置提供依據，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至數百mg/L之間。利用硝酸銀滴定法能夠快速得到實驗結果。

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)域范圍內有較大規(guī)模的降雨，經過現場踏勘得知，暗河入水口匯水量約5 000 m3/h，平導PDK378+507處涌水流量約為200 m3/h，平導交叉口水流量為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結束)。正洞中心水溝處、平導PDK378+507涌水處、平導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;

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、地下水速度有關。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生波折反應，呈不對稱型。

為確保能夠采集到富含Cl-離子的“水團”，設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結束，連續(xù)采集10次，采集時長90 min。

現場共采集到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平導正洞交叉口:P11、P12……P18、P19、P110;

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

3.3 實驗結果

本次示蹤實驗結果見表2、表3，正洞中心水溝、PDK378+507與平導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 示蹤實驗結果 mg/L

表3 示蹤實驗結果統(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)計學分析，該組水樣標準差為44.62，變異系數高達123.39%，而其余幾組水樣標準差均小于5，變異系數小于30%，可以充分證明平導內涌水與暗河存在連通關系。

(3)暗河平導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內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，隧道內底板高程H2=926.6 m，水力連通長度L=630 m，根據水利梯度計算公式，計算得到水力梯度I=0.1933。

4 結束語

示蹤實驗技術在在國際上已經成為水文地質勘察的常用手段，而在國內尤其是鐵路勘察領域的應用還偏少。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)育等特殊地質情況下的鐵路隧道勘察。

限于現場條件，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予以改進。