重慶巖溶地區深埋隧道水環境影響指標調查方法研究

賀鑫，雷云佩

（重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400020）

1 調查方法研究

1.1 野外水文地質調查

野外水文地質調查及專項水文地質勘察是隧道工程勘察中的重要步驟，通過分析預測隧道的涌水量，為設計提供地質依據。目前的隧道工程大多有較詳細的野外水文地質調查及專項水文地質勘察資料，這些資料也是布置隧道地下水環境監測方案的主要依據之一。

野外水文地質調查主要包含以下主要內容：①調查含水層特征及賦存規律；②確定地下水類型和地下水的顏色、味道、氣味、溫度、補給排泄條件及水力聯系；③調查民井、泉所處地貌或需水構造部位，出露狀態，井壁結構、抽水設備、涌水量；地表水系、民井及泉水調查地表水系的流向、平均流量、最大水位、枯水期與豐水期的流量及水位；泉水的數量及涌水量；④調查民井的數量、井壁結構、深度、含水層位、抽水設備、使用情況、水量及水位變化，建立地層結構柱狀圖。

專項水文地質勘察是在野外水文地質調查的基礎上針對隧道工程作出的更詳細的水文地質工作，主要內容有：①查明隧道區的地形地貌、地層巖性組成及其地質構造特征；各類蓄水構造，劃分水文地質單元。②查清隧址區地下水的類型和特征、其含水層的位置分布、高程、特點，進一步明確隧道穿越位置與其含水層相互之間的關系。③調查巖溶形態、地下水動力特點、發育規模、發育層次、控制性因素及發育規律。④查明隧址區的水文地質條件，尤其是地質構造及特征對水環境條件的影響，解析場地地下水在隧道施工開挖及后期運行中的補給、徑流和排泄關系。評價地下水對隧道圍巖級別、開挖以及支護的作用影響。⑤確定隧道開挖及運營期的疏干區、影響區范圍，預測隧道靜態涌水量、動態涌水量及總涌水量，預測隧道穿越地段在開挖過程是否產生集中涌、突水地段位置及危害程度。⑥對隧道開挖及運營過程中匯入或涌突的地下水提出預報、預防措施及排、治水方法、措施建議。⑦評價隧道施工排水對環境生態的影響[1]。

1.2 遙感解譯技術

1.2.1 技術特點

水文地質遙感解譯是指采用衛星或航空遙感數據、影像對水文地質條件解譯，已然變成地區水文地質調查的主要手段。在調查過程中，分別選取對地形地貌、地層巖性、構造、地下水單元反應較敏感的波段，采取電腦智能提取和人工判斷讀取相呼應的方法，確定隧址區地質構造、地層以及地貌的發育特征；確定隧址區水文地質構成及含水層發育的規律；獲取水文地質相關參數和相對應的地下水儲存量。并根據解譯報告，繪制隧址區水文地質圖件和其可視化影像成果。遙感解譯技術在水環境調查方面可以達到以下目的：①確定水系形態、密度及方向特征，沖溝形態及其成因，河流襲奪現象，水系發育與其巖性和地質構造的關系等。②確定地形地貌形態、成因、特征類別和其分區界線；地貌與地層巖組、地質構造之間的關系；地貌其個體特征、相互關系和分布規律。③利用已有資料確定地層巖性的類別、巖層產狀。地層巖性的劃分應當遵從從宏觀到微觀的原則，從界到組，厚度可以依據分辨率和地質學解譯進行推測。對工程地質條件特殊的巖性、地層的繪制，各種特殊地質現象及其范圍的確定。④大中型泉點或泉點群的位置和范圍，湖泊、沼澤的分布。判定其地下水的補給、徑流、排泄關系。⑤斷裂構造性質特征、位置、規模、延伸方向；判測斷層破碎帶寬度；褶皺構造類型、性質、軸線位置、長度、傾覆方向；大中型節理分布帶的特征、密度及方向[2]。

1.2.2 系統組成

遙感是一種對地觀測的綜合類技術，其實現首先需要一套完整的技術設備，其次需多門學科的參加配合，因此遙感是一個復雜、系統的工程。結合定義，遙感系統主要由4 部分組成：①信息源：指遙感探測的物體。②信息獲取：指采用遙感相關技術設備接收、錄入探測對象電磁波特性的過程。③信息處理：指通過光學儀器和電子設備對獲得的遙感相關信息進行校核、分析和解譯處理的技術過程。④信息應用：指技術人員按不同的目標將遙感結果運用于各領域使用的過程。

1.2.3 基本原理

遙感探測所用的電磁波波段是指從紫外線、可見光、紅外線直至微波的不同光譜段。地球上的所有物體（即目標對象），比如大氣、土地、水、植物和建筑等，在其溫度大于絕對零度（即0°k=-273.15℃）的情況下，它們自身都具備反射、吸收、透射和輻射電磁波的性質。當陽光從宇宙途經大氣層照射至地球表面時，地面上的物體會對由太陽光所形成的電磁波產生反射吸收。因為不同物體物理、化學特征以及其入射光波長不同，所以它對入射光的產生的反射率也會不一樣。

1.3 鉆孔水文監測

地下水其水位動態變化，能直觀、有效地反應各含水層的水文地質條件。因此，長時段對多層含水層的水位動態變化實施監測，了解分析地下水動態變化規律，是了解水文地質條件變化、準確確定防治水手段的基礎性工作。

鉆孔水文監測在地質災害防治工程、復雜礦井水位和水溫監控等方面已有大量的應用，其主要的優點是直觀，除了能直觀、有效地反映各含水層的水文地質條件，還能直接側得水溫、水質等參數。鉆孔水文監測可采用人工觀測，也能采用信息化自動監測。人工觀測水位需要工作人員利用標尺或皮尺人工測量，人工操作有時無法滿足時效性，有些意外突發情況的加急處理甚至就在僅有的一兩分鐘內，因此行之有效的實時性的監測變得相當重要。水文地質鉆孔多分布于原始山貌，道路少且較分散，如果距離遠還需輔以交通工具，耗費時間和精力，經濟性和安全性都較差。目前已開發出各種無線數據傳輸網絡對鉆孔水文鉆孔數據進行實時采集，整理傳輸，達到監測與預警功能，其優點是方便、自動化，能保證數據的實時性。

1.4 鉆孔示蹤同位素測試技術

1.4.1 基本原理

同位素示蹤測試技術是指采用放射性同位素或經密集且稀少穩定核素作為示蹤劑，探究各種物理、化學、生物、環境以及材料等學科科學類問題的技術。由示蹤原子或分子組成的物質叫示蹤劑。易于探測的核性質原子即為示蹤原子（又稱標記原子）。包含示蹤原子的化合物，為標記化合物。示蹤原子在原理上幾乎可以標記所有的化合物。單標記化合物為被單一原子標記的化合物，雙標記化合物為被兩種原子標記的化合物。

1.4.2 主要優勢

同位素示蹤技術在水文地質學中主要應用于鉆孔地下水流速、流向和垂向流的確定，解析探究不同深度、不同巖性巖石滲透系數以及確定隧道涌水段落的方位。主要有以下優點：①靈敏度高，放射性示蹤法測得的標準為10-14～10-18克，能夠從1010 多個非放射性原子中檢測出一個放射性原子。目前敏感性較好的重量分析天平要比它低108～107倍敏感度，現目前最精確的方法-化學分析法也很難測到10-12g 水平。②其方法簡單，測定放射性可不被其他一些非放射性物質的干預，可簡化較多煩瑣的物質分離步驟。它可采用某些放射性同位素釋放出透射能力強的r 射線，在體內示蹤時在體外測量測得結果，其可以充分簡練實驗的過程，達到非破壞性分析。伴隨著液體閃爍計數的進步，一些發射軟β 射線的放射性同位素如14C 和3H 在生物及醫學試驗中也得到非常普遍的使用。③其定位定量精確，代謝物質它的轉移和轉化可通過放射性同位素示蹤法精準測得，與相關形態學技術互相融合，可明確放射性示蹤劑其在組織和器官中的定量分布；而且對一些組織和器官準確定位可達到細胞水平、亞細胞水平甚至分子水平。④其符合生理條件，在實驗中所采用的放射性標記化合物的用量是極少量的，其對體內相應物質原有的重量變動是微乎其微的，體內的生理過程仍然會維持正確的均衡狀態，獲取分析后的結果適合生理條件，進而可以客觀反應應有的事物本質。

1.4.3 主要缺陷

放射性同位素示蹤法有以上相關優勢，但其也有一些缺陷：如需要進行放射性同位素試驗的相關人員續接受一些針對性的培訓，要具有一定的安全防護手段和條件，并且當今極個個別元素（如氧、氮等）還沒有適合的放射性同位素等等。在做相關實驗時，還要務必重視到示蹤劑的同位素效應以及放射效應問題。其中同位素效應所指的是放射性同位素與相對應的普通元素在化學性質上保存的細微不同所導致的部分性質上的顯著區別，針對輕元素，同位素效應會相對嚴重，由于同位素之間它的質量判定是成倍增加的，如3H 的質量是1H 的三倍，2H 的質量是1H 的兩倍，當采用氚水（3H2O）作為示蹤劑時，其在普通H2O 中的含量不宜偏大，否則會導致水它的物理常數、細胞膜的滲透和細胞質粘性等變化。采用放射性同位素時它的用量均應小于其安全范圍內的劑量，在生物機體保證在嚴格的允許范圍，以免對實驗對象造成輻射和損傷，而導致取得錯誤的結果。

1.5 物探技術

地球物理勘探多使用的物理性質（巖石）有密度、電導率、磁導率、熱導率、彈性、放射性。與其相適應的物探方法有重力勘探、磁法勘探、地震勘探、電法勘探、地溫法勘探以及核法勘探。依據探測地理位置和區域它又可以劃分為：地面地球物理勘探、航空地球物理勘探、海洋地球物理勘探以及鉆孔地球物理勘探等。

地面物探方法主要有電、磁、重、震、放射性等5 種方法，使用最多的是電法，其次有放射性探測法、甚低頻磁法等。水文物探，包括地面物探、水文測井等組成。在探水方面，主要有以下4 種方法。

1.5.1 電法

電法分為直流電法和交流電法，后者有音頻電磁法、瞬變電磁法等。以直流電法為例，主要有電測深與電剖面法，指分別測量縱向的地質情況改變和不同深度沿剖面方向的地質情況改變。電法具有共同點，都是在人工電場的作用下進行探測。從找礦物探演化而來的電法探水，因為一般測來的是地下的非動態信息，所以在探測結果反映的曲線中就無法分辨探測信息是來自靜態礦產還是動態地下水，探測成果存在多解釋性。

1.5.2 放射性探水法

是指采用天然放射性元素（氟）在基巖裂隙中聚集造成反常的放射性，設備能夠測得異常情況，但異常基巖裂隙帶是張開并且可填充的，是否有水流動依然無法判斷，故與目測斷層探水差別不大，也存在多解的可能性。

1.5.3 甚低頻磁法

是指運用甚低頻探測儀測取地下磁場它隨空間改變的方法，因城市中通信電子、電氣、等設備會產生強電磁干擾，此法在人群密集區、城市建成區、郊外生產區等難以開展探測工作。

1.5.4 三維地震法

三維地震勘探是指用反射波法實施，三維反射波法和二維反射波法在基礎原理上有許多相同之處，二者所不一樣的是三維地震采用的是高密度（即在12.5m×12.5m 的面積中便采集一個數據）的不同形式的面積觀測系統，所以三維地震又可才稱為面積觀測法。

上述地震法的共性點是將找尋固體礦產的物探方法運用到找地下水。地質體物性綜合值可通過地面儀器測量，屬于靜態信息，所測得的物理量是固體礦產還是地下水，全憑測試分析人員的主觀或其累積實踐經驗所決定。通過以上方法探水的成功率僅有40%～50%，物探曲線的多解性是其根源所在。以上手段只可以判斷地下有無低阻區，對于地下有無水、水量有多大等信息是難以準確知道的。

1.6 水化學分析

水化學分析主要是針對調查獲得的相應水點的流量、溫度、酸堿值、電導率、礦物質濃度、含鹽度、阻抗值以及酸堿電位值等常規參數實施現場原位測試，還包括水樣的化學物理簡分析、全分析或專項分析，以分析地下水的水質、類型、水化學特征和其對工程的影響。

2 隧道地下水環境調查方法的適用范圍

上文對野外水文地質調查、遙感解譯技術、鉆孔水文監測、鉆孔示蹤同位素測試技術、物探技術和水化學分析6 種調查方法進行了綜述，現將各個方法的作用和適用范圍總結如表1 所示。

表1 隧道地下水環境調查方法的總結

如表1 所示，各個方法在隧道工程水環境調查中具有各自不同的作用，在實際工程中，應根據水環境調查的目的綜合選用一種或幾種方法。

3 結語

隨著城市化的發展，道路基礎建設的需要，在重慶山區地形條件下不可避免的穿山越嶺。目前已有隧道的開挖對生態環境的影響十分明顯，主要表現在水資源的破壞及引發的地表塌陷問題，其社會影響及經濟損失巨大，環境保護問題日益突出。研究隧道工程與水環境的相互影響，對減低隧道施工造成的地下水災害，提高隧址區水環境的保護措施，完善隧道工程設計均具有十分重要的意義。