南山隧道巖溶槽谷區(qū)滲流示蹤劑在線研究

0水文示蹤試驗重慶南山隧道一期工程是重慶大規(guī)模交通規(guī)劃中從重慶至壽山和涪陵的茶園路系統(tǒng)工程。左龍長2825m，右龍長2838m。這是一條雙向四條車道的隧道。隧道工程施工區(qū)巖溶區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜。2013年3月4日,南山隧道工程進口左洞超前探水孔出現(xiàn)中量涌水,3月6日晚11點,南山隧道進口端左洞超前地質(zhì)探孔出現(xiàn)較大涌水,3月6日位于南山隧道南側(cè)的涂山湖水庫發(fā)生滲漏,水位持續(xù)下降。水文示蹤試驗是探明地下水的水力聯(lián)系最為常用的技術(shù)手段之一。為研究南山隧道在巖溶槽谷區(qū)的施工對地表涂山湖段造成的影響,查明南山隧道上方的涂山湖水庫的水流是否滲漏至南山隧道,在涌水工程影響區(qū)域內(nèi)實施小范圍的示蹤試驗。1地質(zhì)條件及地層南山區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫄夂騾^(qū),具有冬暖夏熱、春早夏長、秋雨連綿的特點。多年平均氣溫為18.7°C,多年平均日最大降水量為93.9mm,年平均降雨日為168d。降雨主要集中在每年5-9月份,其降雨量占全年總降雨量的70%,且多大雨、暴雨;多年平均相對濕度80%,絕對濕度17.6mb。本區(qū)地貌的發(fā)育受構(gòu)造和巖性的控制明顯,地勢東高西低,屬四川盆地東部平行嶺谷區(qū),背斜成山,向斜成谷,谷嶺相間。南山隧道在背斜軸部所穿過的最老地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層,地表層由新至老依次為第四系覆土、侏羅系覆土(中統(tǒng)上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組、下中統(tǒng)自流井組、下統(tǒng)珍珠沖組)、三疊系覆土(上統(tǒng)須家河組、中統(tǒng)雷口坡組)。其巖性主要為一套海相、淺海相炭酸巖鹽、碎屑巖和內(nèi)陸河湖相碎屑巖沉積;有灰?guī)r、白云巖、角礫巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)巖、砂巖等;灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、角礫巖等炭酸巖鹽主要出露于背斜軸部,呈長條狀展布;砂巖、泥質(zhì)巖等主要出露于背斜兩翼。南山隧道位于川東南弧形地帶,華鎣山帚狀褶皺束東南部。南山隧道下穿南溫泉背斜,背斜軸部地貌為巖溶槽谷區(qū),為嘉陵江組及雷口坡組碳酸鹽巖裂隙巖溶水。南溫泉背斜軸部,縱張裂隙發(fā)育,為地表巖溶洼地、漏斗、落水洞較發(fā)育提供了良好的條件。2跟蹤試驗方法2.1測試條件選擇示蹤劑選擇遵循以下原則:(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(tài)系統(tǒng);(3)不易被土壤和圍巖吸附,不易沉淀,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不與其他環(huán)境物質(zhì)發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng),不易被生物降解,不揮發(fā);(4)不易被地下水中其他物質(zhì)干擾,易被儀器檢測到,靈敏度高。根據(jù)示蹤劑選擇原則,同時考慮與監(jiān)測儀器匹配使用,選用熒光素鈉(uranine)作為示蹤劑,溶于水為綠色,這種化學(xué)物質(zhì)非常適用于在堿性巖溶水環(huán)境中。試驗前,分別對涂山湖、南山隧道出水處采樣,并進行背景值的測試。結(jié)果表明:野外投放點和接受點的水體中的熒光素鈉的含量均為0μg/L。2.2熒光素鈉野外監(jiān)測系統(tǒng)在我國地質(zhì)應(yīng)用上的問題目前我國地下水示蹤試驗大部分都是采用野外人工定點取樣、室內(nèi)分析測定的方法,試驗成本高、勞動強度大、取樣時間尺度長、樣品擱置時間久,取樣時易引起污染等等問題。由此可見,進行示蹤技術(shù)創(chuàng)新和引進國外先進示蹤方法技術(shù),對進一步提高我國水文和地質(zhì)的研究水平具有重要的意義。本試驗中的熒光素鈉野外監(jiān)測采用高分辨率野外自動化熒光光度計記錄儀自動監(jiān)測,測試時間為5min一組數(shù)據(jù)。試驗所使用的儀器為瑞士生產(chǎn)的野外自動化熒光示蹤儀,其英文學(xué)名為flow-throughfieldflourometer,型號為GGUN-FL30,檢測限達到0.02ppb,具有高靈敏性、取樣時間密度小和不易受污染等特點。2.3熒光素鈉投放投放點:示蹤劑投放點一般選擇有天然水流存在的地方。根據(jù)野外現(xiàn)場考察和委托方的要求,選擇涂山湖水庫作為投放點。根據(jù)經(jīng)驗公式和現(xiàn)場水文特征,在涂山湖中均勻投放熒光素鈉,形成濃度為30μg/L的熒光素鈉溶液。投放方法:在野外現(xiàn)場將已經(jīng)稱量的示蹤劑粉末放進30L水桶中,加水充分攪拌溶解。慢慢均勻倒入投放點,順著水流擴散,投放時間為2013年4月19日22:00-22:35。接受點:示蹤劑接收點為南山隧道距洞口820m處右側(cè)排水溝放置GGUN-FL30高分辨率野外示蹤儀。3試驗過程和結(jié)果3.1地下水流場特征示蹤試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。根據(jù)示蹤儀記錄的熒光素鈉示蹤劑濃度,繪制出其濃度歷時變化曲線圖。從圖2中可以看出,示蹤劑投放約0.5h之后在南山隧道出現(xiàn)檢測值,表明水流流速快。示蹤劑濃度歷時曲線的主要影響因素是地下水的流場特征。本次示蹤試驗的示蹤劑濃度歷時變化曲線出現(xiàn)三個峰值,表明涂山湖水庫與南山隧道之間很可能存在三個相互并列的巖溶通道。3.2地下水運移通道的水質(zhì)遷移特性本次試驗研究了涂山湖水庫與施工中的南山隧道的水力聯(lián)系。為更好地為地質(zhì)災(zāi)害治理提供理論依據(jù)和參考,本文對相關(guān)的水文參數(shù)進行了計算和研究。針對示蹤試驗,示蹤劑瞬時注入時的溶質(zhì)運移的定解條件如下所示:式中:DL和DT分別為縱向彌散系數(shù)和橫向彌散系數(shù);u為地下水流速;n為介質(zhì)孔隙度;t為時間;m為投放示蹤元素的總質(zhì)量。該定解問題的解為:式中:X,Y為計算點處的位置坐標;C(X,Y,t)為t時刻點X,Y處的示蹤劑濃度,M為承壓含水層的厚度。在以巖溶裂隙與管道為主的地下水運移通道中,將溶質(zhì)的水力彌散作用簡化為兩個部分組成:(1)溶質(zhì)分子在靜水中的擴散;(2)地下水對溶質(zhì)分散體的整體運移作用。計算中只考慮溶質(zhì)分子在沿著裂隙或管道方向的擴散,而垂直方向的溶質(zhì)彌散、地下水繞流與對流相對微弱,不作考慮。3.2.1連接時間依據(jù)試驗數(shù)據(jù)直接獲得導(dǎo)水構(gòu)造與涌水區(qū)域水力連通時間為:其中t3接收示蹤劑的峰值時刻;t0為示蹤劑投放時刻。3.2.2涌水區(qū)放空量計算設(shè)采集的示蹤劑濃度–時間曲線為f(t),涌水區(qū)域的單位時間涌水量為Q,則涌水區(qū)域接收示蹤劑總量為m2,則將涌水區(qū)域接收的示蹤劑總量m2與投入量m1的比值λ定義為補給相關(guān)系數(shù),則:若λ<1,則表示示蹤劑投放處流經(jīng)的地下水并非只在該涌水區(qū)域進行排泄,還存在其他排泄地點;若λ≈1,則可認該裂隙導(dǎo)水構(gòu)造可能為單連通構(gòu)造,該導(dǎo)水構(gòu)造只向涌水區(qū)域內(nèi)排泄。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和公式3.1~3.3進行計算,水力連通時間T為142.0min。根據(jù)公式3.4和3.5,采用網(wǎng)格法計算曲線與x軸包圍的面積和涌水量,計算示蹤劑回收量,其回收量僅為1.40g,考慮到2013年4月20日開始進行的湖底滲漏治理的注漿施工極大地影響了示蹤劑的回收量,故該計算數(shù)據(jù)不能作為計算補給相關(guān)系數(shù)的依據(jù)。故無法判斷示蹤劑投放處流經(jīng)的地下水是否僅在南山隧道涌水區(qū)域進行排泄,還是存在其它排泄地點。4合理利用地下水自動在線高分辨率示蹤技術(shù)在重慶南山隧道上覆巖體中水滲漏的應(yīng)用研究表明:涂山湖水庫與南山隧道存在水力聯(lián)系,且其通道很可能為三個并列的巖溶管道,水力連通時間為142.0min