在線高分辨率示蹤技術在重慶南山隧道水滲漏的應用研究

尹洪，王曉青

（1重慶市南岸區隧道工程建設辦公室，重慶401336；2重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016）

在線高分辨率示蹤技術在重慶南山隧道水滲漏的應用研究

尹洪1，王曉青2

（1重慶市南岸區隧道工程建設辦公室，重慶401336；2重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016）

為研究南山隧道在巖溶槽谷區施工中產生的上覆巖體滲漏，根據試驗區的水文地質條件，選擇在地表涂山湖水庫作為示蹤劑投放點，在南山隧道涌水出口處作為接收點，采用熒光素鈉作為示蹤劑，進行在線高分辨率示蹤試驗。試驗結果表明：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，水力連通時間約為142.0 min。在線高分辨率示蹤技術具有靈敏度高、取樣時間密度小和不易受污染等特點。

南山隧道；涂山湖水庫；示蹤技術；示蹤劑；熒光素鈉；高分辨率野外示蹤儀

0 引言

重慶南山隧道一期工程是重慶市綜合交通規劃中主城區至長壽、涪陵方向的茶園路的控制工程，其中左線長2825m，右線長2838m，為雙向四車道城市公路長隧道。隧道工程施工區巖溶區地質條件極為復雜。2013年3月4日，南山隧道工程進口左洞超前探水孔出現中量涌水，3月6日晚11點，南山隧道進口端左洞超前地質探孔出現較大涌水，3月6日位于南山隧道南側的涂山湖水庫發生滲漏，水位持續下降。

水文示蹤試驗是探明地下水的水力聯系最為常用的技術手段之一[1-5]。為研究南山隧道在巖溶槽谷區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，在涌水工程影響區域內實施小范圍的示蹤試驗。

1 南山地質背景條件

圖1 南山隧道與涂山湖平面位置圖

據現場調查，南山隧道從涂山湖北端橫穿，隧道投影后平面距離最近處13m，隧道頂距離涂山湖最小垂直距離136m，見圖1。涂山湖常年湖水位均保持430.80m左右，水深0.5～5.50m不等。

南山區域屬亞熱帶濕潤氣候區，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。

本區地貌的發育受構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，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（中統上沙溪廟組、下沙溪廟組、新田溝組、下中統自流井組、下統珍珠沖組）、三疊系覆土（上統須家河組、中統雷口坡組）。其巖性主要為一套海相、淺海相炭酸巖鹽、碎屑巖和內陸河湖相碎屑巖沉積；有灰巖、白云巖、角礫巖、泥灰巖、泥質巖、砂巖等；灰巖、白云巖、泥灰巖、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，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，縱張裂隙發育，為地表巖溶洼地、漏斗、落水洞較發育提供了良好的條件。

2 示蹤試驗方法

2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑選擇遵循以下原則［6］：(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，易被儀器檢測到，靈敏度高。

根據示蹤劑選擇原則，同時考慮與監測儀器匹配使用，選用熒光素鈉（uranine）作為示蹤劑，溶于水為綠色，這種化學物質非常適用于在堿性巖溶水環境中。

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 監測儀器

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，進行示蹤技術創新和引進國外先進示蹤方法技術，對進一步提高我國水文和地質的研究水平具有重要的意義。

本試驗中的熒光素鈉野外監測采用高分辨率野外自動化熒光光度計記錄儀自動監測，測試時間為5min一組數據。試驗所使用的儀器為瑞士生產的野外自動化熒光示蹤儀，其英文學名為flow-through field flourometer，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 示蹤劑的投放與接收

投放點：示蹤劑投放點一般選擇有天然水流存在的地方。根據野外現場考察和委托方的要求，選擇涂山湖水庫作為投放點。根據經驗公式和現場水文特征，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：在野外現場將已經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處右側排水溝放置GGUN-FL30高分辨率野外示蹤儀。

3 試驗過程和結果

3.1 水力連通性

示蹤試驗數據統計結果見表1。

表1 示蹤試驗數據統計

根據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檢測值，表明水流流速快。

圖2 南山隧道監測點熒光素鈉示蹤劑濃度歷時變化曲線

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 水文參數計算

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系。為更好地為地質災害治理提供理論依據和參考，本文對相關的水文參數［7］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運移的定解條件［8］如下所示：

式中:DL和DT分別為縱向彌散系數和橫向彌散系數；u為地下水流速；n為介質孔隙度；t為時間；m為投放示蹤元素的總質量。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，將溶質的水力彌散作用簡化為兩個部分組成［9］：(1)溶質分子在靜水中的擴散；(2)地下水對溶質分散體的整體運移作用。計算中只考慮溶質分子在沿著裂隙或管道方向的擴散，而垂直方向的溶質彌散、地下水繞流與對流相對微弱，不作考慮。

3.2.1 水力連通時間

依據試驗數據直接獲得導水構造與涌水區域水力連通時間為：

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 補給相關系數

設采集的示蹤劑濃度–時間曲線為f(t)，涌水區域的單位時間涌水量為Q，則涌水區域接收示蹤劑總量為m2，則

將涌水區域接收的示蹤劑總量m2與投入量m1的比值λ定義為補給相關系數，則:

若λ＜1，則表示示蹤劑投放處流經的地下水并非只在該涌水區域進行排泄，還存在其他排泄地點；若λ≈1，則可認該裂隙導水構造可能為單連通構造，該導水構造只向涌水區域內排泄。

根據試驗數據和公式3.1～3.3進行計算，水力連通時間T為142.0 min。根據公式3.4和3.5，采用網格法計算曲線與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，故該計算數據不能作為計算補給相關系數的依據。故無法判斷示蹤劑投放處流經的地下水是否僅在南山隧道涌水區域進行排泄，還是存在其它排泄地點。

4 討論與結論

自動在線高分辨率示蹤技術在重慶南山隧道上覆巖體中水滲漏的應用研究表明：涂山湖水庫與南山隧道存在水力聯系，且其通道很可能為三個并列的巖溶管道，水力連通時間為142.0 min。該技術效率高、靈敏度高，獲得了較好的試驗結果。本次應用研究對其他工程地區的水文地質研究具有一定的參考價值。

[1]裴建國，謝運球，章程，等.湘中溶蝕丘陵區示蹤試驗——以湖南新化為例[J].中國巖溶，2000，19(4)：366-371.

[2]李敬蘭，李益民.廣西龍排布泥庫地下水多元示蹤試驗研究[J].安全與環境工程，2004，11(1)：59-62.

[3]米德才，張新興，浩坤.水電站水庫巖溶滲漏研究[J].地球與環境，2005，33（增1）：242-246.

[4]鄧振平，周小紅，何師意.西南巖溶石山地區巖溶地下水示蹤試驗與分析[J].中國巖溶，2007，26(2)：163-169.

[5]章程，蔣勇軍，Lettingue M.，等.巖溶地下水脆弱性評價“二元法”及其在重慶金佛山的應用[J].中國巖溶，2007，26 (4)：334-340.

[6]楊平恒，羅鑒銀，彭穩，等.在線技術在巖溶地下水示蹤試驗中的應用——以青木關地下河系統巖口洛水洞至姜家泉段為例[J].中國巖溶，2008，27(3)：215-220.

[7]劉再華，Chris Gro ves，袁道先，等.水-巖-氣相互作用引起的水化學動態變化研究——以桂林巖溶試驗場為例[J].水文地質工程地質，2003，30(4)：13-18.

[8]魯程鵬，束龍倉，苑利波，等.基于示蹤試驗求解巖溶含水層水文地質參數[J].吉林大學學報：地球科學版，2009，39 (4)：717-721.

[9]劉人太，李術才，張慶松，等.示蹤試驗分析方法在地下工程水害治理中的應用研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(4)：814-821.

責任編輯：孫蘇，李紅

重慶市城鄉建委發布《綠色建筑設計標準》

（征求意見稿之三）

聲光風環境——室內宜采用"穿堂風"，要充分利用自然采光

征求意見稿對聲環境、光環境、風環境等進行了規定。

房間平面宜采取有利于形成"穿堂風"的格局。所謂"穿堂風"，就是室外空氣從建筑一側進入，穿過內部，從另一側流出的自然通風現象。

光環境，要充分利用自然采光，比如，地下空間宜有天然采光，天然采光還要避免產生眩光，要采用合理的遮光措施。如果室內、地下空間采光不足，可以利用采光井、采光天窗、下沉廣場、半地下室等，設置導光管、反光板、棱鏡窗、反光鏡等。

綠色建筑的聲環境，要給人適度的聽覺關懷。產生較大噪聲的機房等需遠離工作、休息等房間，如電梯機房及電梯井，應該避免與安靜要求的房間相鄰，并采取減振措施等；空調機房的門不直接開向辦公等使用空間，并應采用隔聲門。當受條件限制時，要合理布局，如將噪聲源設置在地下等。

(摘自：《重慶晨報》，作者：蔣艷）

Application Study on Online High Resolution Tracing Technology in Nanshan Tunnel Leakage Test

To study the leakage problem during Nanshan tunnel engineering in karst valleys,the high resolution tracing test is carried out.Based on the hydrogeological conditions,Tushan resrvoir is selected as the tracer place,the Nanshan tunnel outlet as the receiving place and fluorescein sodium as the tracer.The test results show that the surface water of Tushan resrvoir is in contact with Nanshan tunnel through three parallel channels with 142 minutes of hydraulic connection time.The tracing technology has features of high sensitivity,short sampling interval time and pollution free.

Nanshan tunnel;Tushan resrvoir;tracing technology;tracer;fluorescein sodium;outdoor high resolution tracing instrument

U45

A

1671-9107（2013）07-0016-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.016

2013-06-14

尹洪（1975-），男，重慶人，本科，從事隧道建設管理工作。

王曉青（1974-），女，四川綿陽人，博士，高級工程師，從事環境保護與治理工作。