基于示蹤連通試驗和流速測試的地下連續墻滲漏研究

李奇濤，田 野，董海洲，張玉鑫，程夢龍

（1. 中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210024）

1 引言

地鐵車站地下連續墻施工及基坑開挖過程中，地下水滲漏會對其造成不利影響[1-3]。滲漏水處理不當會導致泥沙流失出現空洞或造成周圍地層地下水位下降，引起地面沉降，進而影響基坑穩定，危及施工安全。示蹤連通試驗可用來確定地層不同位置的水力聯系，判斷地下水滲漏來源，在水庫[4-5]、基坑[6]、礦井[7]、隧道[8]、巖溶[9-10]等工程地下水滲漏研究都得到了應用。鉆孔示蹤流速測試可以測定地層中地下水的滲透流速，相關探測理論和技術也得到大量的研究和應用[11-13]。這2種探測方法都是進行地下水滲流調查的有力工具，但在地下連續墻滲流研究中應用示蹤連通試驗較多，同時進行流速測試很少，也就是很少把兩者結合起來進行應用。實際上，在進行示蹤連通試驗時，需要在基坑外鉆孔中投放示蹤劑，然后在基坑內抽水孔中觀測是否有示蹤劑滲流過來，以此判斷地下連續墻的滲漏位置。而在此過程中，也可以同時監測坑外鉆孔中的示蹤劑濃度變化，據此計算孔中地下水的滲透流速。

本文基于現場示蹤連通試驗，結合流速測試結果進行對比分析，以某地鐵車站地下連續墻為例，對地下連續墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進行研究，并提出防滲處理建議。提出的示蹤連通試驗和流速測試相結合的測量方法可應用于類似工程。

2 工程概況

某地鐵車站為地下兩層島式站，車站長283.6 m，標準段寬20.7 m，站臺寬12 m，采用兩層雙柱三跨框架結構。該地鐵車站地下連續墻中有一幅墻體在澆筑過程中出現欠方情況，墻身存在滲漏隱患，在后期基坑開挖時可能會出現涌水涌砂等滲漏問題，故需開展地下水滲漏探測研究。

本文中地下水滲漏探測深度為深度23 m以上地層，研究區域地基土屬第四紀沖湖積相、海陸交互相及沖湖相沉積物，主要由黏性土、粉土及沙土組成，一般呈水平向分布。該地區地下水類型主要為松散巖類孔隙水，按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、微承壓水含水層及承壓水含水層。與本次研究區域密切相關的含水層為潛水含水層、淺部微承壓含水層以及中部、深部承壓含水層，其中，潛水穩定埋深為1.3～2.4 m，微承壓水埋深為1.01 m，絕對標高為1.04 m。

3 示蹤連通試驗

示蹤連通試驗指在含水層上游某滲漏點投入適量示蹤劑，并在其下游檢測孔或出水點處進行連續檢測，得到示蹤劑時間-濃度曲線，根據檢測到的示蹤曲線變化規律，綜合分析地下水滲流場特征，以分析地下水的補給來源。

地層中若存在集中滲漏問題，往往呈現若干支流匯流至主滲漏通道，然后再分散為若干支流的現象，如圖1所示。地下水的滲流路徑可進一步簡化如圖2所示。

示蹤連通試驗的示蹤劑投放可假定將示蹤劑投放在上游某支流中，然后在下游支流中接收。投放方式分為2類，即瞬時投放和持續投放[14]。瞬時投放指在某一時刻投放示蹤劑，在接收點監測示蹤劑濃度并得到“峰狀”濃度-時間曲線如圖3所示；持續投放則指在某一時間段內持續向鉆孔內投放示蹤劑，而其接收點監測所得濃度-時間曲線如圖4所示。根據示蹤連通試驗所得示蹤劑濃度-時間曲線，便可確定兩點之間的水力聯系，查明滲流途徑，判斷滲漏通道。

4 鉆孔流速測試

在鉆孔中可以投放示蹤劑進行地下水流速測試，其基本原理是孔中均勻投放示蹤劑后，其濃度會被地下水滲流所稀釋且稀釋速度與地下水流速相關，監測示蹤劑濃度的變化就可以計算出地下水的滲透流速。如圖5所示，在對應有地下水滲流的含水層部位，孔中示蹤劑濃度受水流稀釋作用而下降較快，所計算出的流速也較大，而隔水層部位的流速則較小。這種測試方法可以在單個鉆孔中進行，故稱為單孔稀釋法。

示蹤劑濃度稀釋與地下水流速呈指數關系，由此可得到含水層滲透流速為[15]：

式（1）中，Vf為滲透流速，即含水層中達西滲透流速；r為濾水管內半徑；C1、C2分別為測量時間t1、t2時示蹤劑濃度；Δt=t1-t2；α為因濾水管在含水層中的存在引起流場畸變的校正系數，通常取值為2。

5 現場試驗

5.1 鉆孔布設

本次試驗在研究區域共設置5個鉆孔（1個抽水孔C1和4個觀測孔G1～G4），鉆孔具體布設位置見圖6（待檢測地下連續墻編號為WQ1-36）。其中，抽水孔設于基坑內部，距地下連續墻內邊緣2 m。觀測孔均平行布設在基坑外側，觀測孔1、觀測孔2及觀測孔3孔中心位置距地下連續墻外邊緣2 m，觀測孔4距地下連續墻外邊緣3 m；兩側鉆孔（觀測孔1、觀測孔3）距地下連續墻兩端各1 m，觀測孔2對應該幅地下連續墻中心位置。

5.2 示蹤劑選擇

考慮到研究區域周邊環境及場地地下水環境背景值等因素，現場試驗選用飽和食鹽水作為示蹤劑，應用單孔稀釋法進行孔內地下水流速測定，同時孔內所投放的食鹽亦可用來進行觀測孔與抽水孔之間的連通試驗。

5.3 試驗方法

本次研究依次向4個觀測孔內投入示蹤劑，間隔一段時間后對觀測孔及抽水孔進行連續觀測，并記錄示蹤劑濃度變化情況，得到各孔示蹤劑時間-濃度曲線。示蹤劑投放方法為：將示蹤劑與水混合并充分攪拌，待其充分溶解后投放至各孔中。

現場共進行了2個階段試驗，第一階段試驗于2021年1月24日開始，至2021年1月29日結束；第二階段試驗于2021年3月10日開始，至2021年3月16日結束。階段試驗期間均對抽水孔進行抽水作業。

5.4 結果與分析

在第一階段和第二階段初期現場示蹤試驗中，根據測量所得的4個觀測孔的溫度、電導率以及流速測試結果發現，觀測孔1及觀測孔2內地下水流速較快，而觀測孔3及觀測孔4內流速則相對較慢，說明觀測孔1和觀測孔2所處位置地下水滲流較快，地下連續墻隱患部位更靠近觀測孔1及觀測孔2，圖7和圖8分別為2個階段各孔流速對比圖。投放示蹤劑后，在觀測孔-4 m至-6 m高程段存在較大的示蹤劑濃度變化，且該段流速也相對較大，說明地下連續墻缺陷位置位于該段的可能性較大。

由上述結果判斷觀測孔1和觀測孔2處于基坑外部向基坑內部的滲漏通道上，故著重觀測這2個觀測孔與抽水孔之間的示蹤連通試驗情況。在2021年3月13日至16日抽水試驗期間，抽水孔表層地下水電導率隨時間變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，孔內地下水電導率有2處明顯的增高過程（見圖中橢圓區域），而這2 次電導率增大的原因分別對應2次事件：①3月14日9 : 55至10 : 14分別向觀測孔1及觀測孔2內投放食鹽水，對應了左側橢圓區域內的增高過程；②3月15日11 : 08至11 : 17在觀測孔1和觀測孔2中注水，后于14 : 37至14 : 41時間段內向觀測孔1內注水，對應右側橢圓區域內的增高過程。該電導率變化曲線表明觀測孔與抽水孔之間存在水力聯系，且由于2次電導率增高過程發生在抽水孔表層，故推測觀測孔內的食鹽水不可能經由地下連續墻底部繞滲至抽水孔內，其只可能是穿越地下連續墻上部缺陷位置滲流至抽水孔中。

與此同時，根據流速測試結果，觀測孔內流速較大的孔段位于高程 -6 m附近，而抽水孔中含有鹽分的地下水入滲位置高于抽水后的抽水孔水位，即其是從孔壁入滲后流入抽水孔內地下水的表層，造成抽水孔表層電導率的升高，其滲流路徑如圖10所示。

從圖9中還可以看出，抽水孔內地下水電導率的增高幅度較小，說明地下連續墻雖然存在滲漏缺陷，但在基坑尚未進行大規模降水的情況下，其滲漏還是比較微弱的。然而，在后期基坑開挖降水的過程中，隨著時間的延長及在基坑外部高水頭壓力的作用下，該滲漏通道可能會進一步發展，其滲透性會有所增強，故建議在基坑開挖降水前對該幅地下連續墻采用旋噴樁等方式進行防滲加固處理。

6 結論

本文基于現場示蹤連通試驗，通過對比分析各示蹤參數，對地下連續墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進行深入研究，并得到以下結論。

（1）由單孔稀釋法所測各孔流速探測結果可以看出：觀測孔1與觀測孔2流速相對較高，觀測孔3及觀測孔4流速相對較慢，說明觀測孔1和觀測孔2所處位置地下水滲流較快，其更靠近地下連續墻缺陷處。

（2）投放示蹤劑后，在觀測孔-4 m至-6 m高程段存在較大的流速，說明地下連續墻缺陷位置位于-4 m至-6 m高程段的可能性較大。

（3）示蹤連通試驗結果表明，向觀測孔中投入食鹽后，抽水期間在抽水孔表層測出了較高的電導率，表明有地下水從觀測孔穿透地下連續墻滲入抽水孔；且抽水孔中含有鹽分的地下水入滲位置高于抽水后的抽水孔水位，即從孔壁入滲后流入孔中地下水的表層，造成抽水孔表層電導率升高。

（4）抽水孔內地下水電導率增高的幅度較小，說明地下連續墻雖存在滲漏缺陷，但在目前基坑尚未大規模降水的條件下，其滲漏比較微弱，但基坑開挖降水后滲漏量可能增大，故需要進行防滲處理。