強迫流示蹤法探測巖溶洞穴體積的研究探討

余鵬

摘? 要：我國碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶十分發育，由巖溶而引發的工程地質問題往往成為工程建設的重點和難點，因而獲得巖溶洞穴的體積具有重要的意義。盡管巖溶探測的技術不斷前進，但是由于巖溶發育的復雜性，至今仍難以準確探測巖溶洞穴。示蹤實驗是一種較為經濟準確和快捷的探測方法，該文希望結合鉆探以及地下水示蹤實驗兩方面的優勢，探討運用強迫流示蹤法研究根據回收歷時濃度曲線以確定巖溶洞穴的體積。

關鍵詞：封閉洞穴? 強迫流示蹤? 洞穴體積

中圖分類號：P642.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）02（c）-0059-02

我國碳酸鹽巖分布廣泛[1，2]，巖溶區內巖溶塌陷的發生，既使工程設施遭到破壞，又造成了嚴重的水土流失、經濟損失和社會影響。巖溶塌陷與巖溶發育程度密切相關，一般情況下，巖溶越發育，洞穴的規模越大，則巖溶地面塌陷越嚴重，因此探測巖溶洞穴的大小是解決巖溶塌陷問題的前提和關鍵。盡管巖溶探測的技術不斷前進，推陳出新，但是由于巖溶發育的復雜性，至今仍難以準確探測巖溶洞穴體積，因此亟待研究出一種能夠準確獲取巖溶洞穴體積的方法。

1? 溶洞的分類

巖溶介質類型在我國北方主要以溶孔、溶隙為主，在南方則是溶管、溶洞和溶隙并存[3]，隨不同的巖溶發育過程還會出現不同的組合與變化的情況。工程上根據地質結構和溶洞的發育情況，將溶洞按4個依據進行分類，見表1。

2? 巖溶探測的研究現狀

隱伏巖溶的存在是巖溶地基病害發育的基礎條件，隱伏巖溶發育帶的探測一直是一個極具挑戰性的問題。探測巖溶既有直接方法，也有間接方法。直接方法有水文地質鉆探、水文地質實驗、平硐追索等。間接方法有地面電法勘探、地球物理測井、地下電磁波勘探、地震勘探、聲波探測、微重力勘探、管波探測法等物理勘查方法及各種場論。

直接方法中，可以直接觸及溶洞的掘探和鉆探方法直觀性比較強，但掘探費工費力、勞動強度大。鉆探不僅成本高，而且因鉆孔密度不可能太大，鉆孔所在位置又不可能恰好就是溶洞所在的位置，因此不宜在大范圍內使用。

3? 強迫流示蹤試驗方法

3.1 洞穴類型

為了便于研究在不同類型巖溶洞穴條件下示蹤曲線的規律，在前人研究的基礎上，結合工程實際情況，該文將巖溶洞穴按以下幾個因素分類。

（1）按連通性分。

孤立洞穴和貫通性洞穴。孤立洞穴是指與周圍其他洞穴幾乎沒有水力聯系的洞穴，一般體積比較小。貫通性洞穴是指與周圍其他洞穴之間存在明顯水力聯系的洞穴，洞穴體積可以很大。

（2）按洞穴形狀分。

巖溶洞穴形狀復雜無規律，為便于研究，將洞穴形狀概化為3種類型，見圖1。

一維洞穴是指呈管道狀延伸的洞穴，延伸長度有限，與周圍洞穴的水力聯系微弱。二維洞穴是指呈扁平狀延伸，可能存在向外延伸的分支管道但直徑較小的洞穴。三維洞穴是指洞穴體積較小，或體積雖大，但在各方向上尺寸變化不大，可能存在向外延伸的分支管道但直徑較小的洞穴。洞穴系統是指延伸很長的管道或洞穴體積大，存在向外延伸的各種管道且管徑較大的洞穴。

（3）按充填情況分。

巖溶洞穴往往有第四系松散層堆積，按充填程度分為：全充填洞穴、部分充填洞穴和無充填洞穴，見圖2。

3.2 強迫流示蹤法

3.2.1 強迫流示蹤法及相應的洞穴體積

地下水示蹤實驗是在某一點投源，然后在其他點接收示蹤劑，根據接收點的濃度曲線特征來判斷地下水流的各種參數和地下巖溶結構特征的實驗。一般來說，巖溶水文地質示蹤實驗的水流都是天然的流動，幾乎沒有人工的干預，但是在該文中，為了使示蹤劑擴散的速度更快，更高效地對巖溶的體積進行探測，因此增加了強迫流的因素。所謂強迫流，就是指示蹤劑的擴散不再是單純地靠地下水的流動所引起，而是人為地施加外部驅動力，引入攪拌的方法，在投源點處增加攪拌槳，驅動示蹤劑快速地向外擴散，達到更快地獲得示蹤信息、計算巖溶洞穴體積的目的。

3.2.2 影響體積計算的主要因素

（1）巖石吸附。

巖石對示蹤劑的吸附，將使計算結果偏高。巖石的吸附主要是洞穴壁面上以及洞穴內堆積物顆粒對示蹤劑的吸附，不同巖石對不同示蹤劑的吸附量和吸附規律不同。實驗表明，只要選擇被吸附能力很弱的示蹤劑（例如鉬酸銨），巖石對示蹤劑的總吸附量是十分有限的。

（2）強迫流擴散方向濃度梯度。

理論上，洞穴實際飽和水空間體積計算公式中的示蹤劑濃度是強迫流中示蹤劑濃度完全均勻時的濃度，但實際上投源處與洞穴壁之間會存在一定的濃度梯度，用投源處最終的濃度代替均勻的示蹤劑濃度將使洞穴實際飽和水空間體積計算結果偏低。

（3）地下水天然流速。

示蹤劑在天然水流作用下會向地下水流的下游方向擴散，導致示蹤劑濃度上的差異。但由于天然地下水的流速十分小，尤其是平原區，一般不超過3m/d，遠小于強迫流的運動速度，且強迫流實驗時間很短，因此天然地下水流速對洞穴實際飽和水空間體積計算結果的影響幾乎忽略不計。

（4）鉆孔垂向流。

強迫流運動時，會在鉆孔內產生垂向流，使極少量的示蹤劑通過鉆孔垂向流向洞穴外擴散流失，導致洞穴實際飽和水空間體積計算結果偏高。

以上4個影響因素的綜合效果將使計算結果的誤差降低。因此，強迫流示蹤法計算洞穴實際飽和水空間體積是可行和可信的。

4? 封閉洞穴體積計算方法

強迫流示蹤法所確定的洞穴體積是指不包括充填物體積在內的洞穴的實際飽和水空間體積。在實際工程應用中，可以依據攪拌均勻后的示蹤劑濃度計算洞穴的體積，封閉洞穴體積（V）可按以下公式計算。

式中：△m為投放到洞穴中的示蹤劑質量;n0為示蹤劑的濃度背景值;n1是攪拌均勻后的示蹤劑濃度。

5? 結語

該文只是探討研究了封閉洞穴的體積，而實際情況中，絕大部分巖溶洞穴是連通的，與外界存在水力交換，所以該文的研究具有一定局限性，在今后的工作中，可以對洞穴系統進行研究，從而更好地為工程服務。同時，該文求得的只是巖溶洞穴充水部分的體積，對于淤泥部分及未充水部分體積的取得仍然存在困難，因而如何找到一種方法可以探求巖溶洞穴完整體積，仍任重而道遠。

參考文獻

[1] 石祥鋒.巖溶區樁基荷載下隱伏溶洞頂板穩定性研究[D].中國科學院武漢巖土力學研究所，2005.

[2] 張英駿.應用巖溶學及洞穴學[M].貴陽：貴州人民出版社，1985.

[3] 郭純青，李文興.巖溶多重介質環境與巖溶地下水系統[M].北京：化學工業出版社，2006.