陳亞峰 張強(qiáng) 趙瑞 廖小超

作者簡(jiǎn)介:陳亞峰（1990玻，男，安徽安慶人，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的研究。E瞞ail:376713591@qq.com

通訊作者：張強(qiáng)（1971玻，男，遼寧營(yíng)口人，副教授，博士，從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的教學(xué)和科研工作，E瞞ail:zhangqiang@cdut.cnDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.037

摘要：巖溶管道的發(fā)育是水利水電工程的重大安全隱患，所以查清滲漏管道的存在與否是巖溶區(qū)水利水電工程的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。示蹤方法在檢測(cè)滲漏通道存在性方面占有著特殊的地位,因?yàn)檫@種方法能夠證實(shí)各試驗(yàn)點(diǎn)連通關(guān)系并且直接了解地下水運(yùn)動(dòng)的過程。通過示蹤試驗(yàn)對(duì)西部地區(qū)某一水電站左壩肩的進(jìn)行調(diào)查研究，最終確定各試驗(yàn)點(diǎn)之間存在滲漏通道。

關(guān)鍵詞：示蹤試驗(yàn)；示蹤劑；熒光素；分光光度計(jì)；示蹤通道；水電工程；回收率

中圖分類號(hào)：TV697.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2014）04016904

Tracer Experiment in Karst Seepage Channel

CHEN Ya瞗eng,ZHANG Qiang,ZHAO Rui,LIAO Xiao瞔hao

(Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Abstract:The development of Karst seepage channel is a major safety hazard to the hydropower projects,and therefore the identification of the presence or absence of seepage channel in the water conservancy and hydropower project is an important work.Tracer method is a popular method in terms of detecting the existence of seepage channel,because this method can detect the connection between each test points and then determine the process of groundwater movement.In this paper,tracer test was applied in the left abutment of a hydropower station in Western China,which detected the presence of seepage channel between each test points.

Key words:tracer experiment;tracer;fluorescein;spectrophotometer;tracer channel;hydropower engineering;recovery rate

某一水電站工程區(qū)地處陜西省西南部，秦嶺山脈腹地，東秦嶺主峰——太白山東麓，壩址區(qū)可溶巖層發(fā)育。大規(guī)模、集中的巖溶洞穴的發(fā)育，對(duì)庫(kù)壩區(qū)巖體的利用十分不利，且蓄水后對(duì)電站存在較大的巖溶滲透危害性。為調(diào)查確定庫(kù)區(qū)的巖溶滲漏通道發(fā)育情況，本文擬采用示蹤試驗(yàn)法進(jìn)行調(diào)查研究各試驗(yàn)點(diǎn)滲漏通道存在性［12］。

壩址區(qū)的ZK51與ZK511鉆孔資料揭示，在黑溝梁處，由于同組裂隙的剪脹效應(yīng)導(dǎo)致局部擴(kuò)容，產(chǎn)生大型的隱伏狀溶蝕空間，由此推測(cè)黑溝梁存在較大規(guī)模的巖溶管道。同時(shí)ZK51東側(cè)陡坎下部庫(kù)內(nèi)PD13，在庫(kù)盆的外沿靠近庫(kù)盆線的位置。內(nèi)部蝕裂隙發(fā)育同時(shí)揭露大規(guī)模巖溶空腔，近東西走向，產(chǎn)狀EW/S∠67°~72°，壁面波狀起伏，石幔發(fā)育，鈣膜厚度2~20 mm。裂隙最大張開約60 cm，局部充填巖塊，見黃色次生泥。同時(shí)，在庫(kù)內(nèi)庫(kù)外蓄水高程以下均存在地下水的天然出露點(diǎn)如泉點(diǎn)1、溝水1、泉點(diǎn)2和ZK35旁的溝水。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水庫(kù)蓄水以后，水在適宜的地形、地質(zhì)條件下，將會(huì)經(jīng)過地下通道向庫(kù)外滲漏，從而可能危及工程的安全或影響工程的效益。地下水示蹤試驗(yàn)的主要目的是為查明庫(kù)區(qū)內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系，尤其庫(kù)內(nèi)與庫(kù)區(qū)左岸附近各水點(diǎn)的水力聯(lián)系，確定地下水的主導(dǎo)流向，計(jì)算地下水流速［3］。在這些滲漏通道中，巖溶滲漏是值得特別重視的。因?yàn)閹r溶滲漏問題比其他問題更復(fù)雜，導(dǎo)水能力往往更強(qiáng)，也是水利水電建設(shè)中較為突出的水文地質(zhì)問題。

1.1試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容

（1）探測(cè)查明ZK51、ZK50與庫(kù)內(nèi)庫(kù)外地下水的天然出露點(diǎn)之間的水力聯(lián)系，定性判斷二者是否存在連通關(guān)系；（2）判定地下水流向；（3）定量計(jì)算的庫(kù)內(nèi)、庫(kù)外地下水流量比例。

1.2試驗(yàn)點(diǎn)的選取

本次選取可能存在通道的地點(diǎn)作為投放和接收示蹤劑的試驗(yàn)點(diǎn)，從而準(zhǔn)確分析各個(gè)通道的連通情況。各試驗(yàn)點(diǎn)的信息見表1，在地形三維模型中的位置見圖1。庫(kù)內(nèi)的試驗(yàn)點(diǎn)包括：泉點(diǎn)1、溝水1；庫(kù)外的試驗(yàn)點(diǎn)包括：ZK35旁的溝水、ZK50、ZK51、ZK511、PD13和黑溝的泉點(diǎn)02。表1試驗(yàn)點(diǎn)的信息

Table 1Basic condition at each experimental point

試驗(yàn)點(diǎn)名稱地理位置X/km地理位置Y/km高程/m流量/（L·s1）備注PD13558 376.9553 711 110.7981 450.1230.7投放點(diǎn)、接收點(diǎn)泉點(diǎn)1558 493.5533 711 064.2751 391.6131接收點(diǎn)黑溝外泉點(diǎn)2557 919.6453 711 182.4281 340.0000.5接收點(diǎn)溝水1558 529.2863 711 111.7831 381.2480.01接收點(diǎn)ZK51558 303.7923 711 138.9381 537.060注水0.22投放點(diǎn)ZK511558 303.4953 711 134.9551 537.060注水0.22投放點(diǎn)ZK50558 577.9343 711 218.0511 448.381未注水投放點(diǎn)ZK35旁溝558 760.1883 711 537.7561 175.5850.01接收點(diǎn)圖1庫(kù)區(qū)地形三維模型及各試驗(yàn)點(diǎn)

Fig.1Three瞕imensional terrain model and

experimental points of the reservoir

1.3試驗(yàn)方法

示蹤探測(cè)的原理是在質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上，根據(jù)示蹤劑在不同類型不同結(jié)構(gòu)地下水流場(chǎng)中的彌散規(guī)律識(shí)別和了解流場(chǎng)的面貌并計(jì)算各種流場(chǎng)參數(shù)的技術(shù)手段。

由于熒光光譜分析法比其他分析方法檢測(cè)極限低1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)［4］， 因此對(duì)于大型巖溶水流場(chǎng)的示蹤探測(cè),選用這種示蹤劑,具有極高的可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)性［57］。本次試驗(yàn)購(gòu)買的示蹤劑為四氯四碘熒光素二鈉，其分子式為C20H2Cl4I4Na2O5；分子量：1 01764；藍(lán)紅色粉末，溶于水呈藍(lán)紅色無熒光；溶于濃硫酸呈棕色，稀釋后有肉紅色沉淀；其最大吸收波長(zhǎng)會(huì)在室內(nèi)試驗(yàn)室內(nèi)通過光譜掃描得出為548 nm；性質(zhì)較穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境無公害，在地質(zhì)體中無天然賦存，且現(xiàn)場(chǎng)利用檢測(cè)快捷方便。本次抽水蓄能電站左岸預(yù)測(cè)通道示蹤連通試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)精密儀器722S型分光光度計(jì)作為檢測(cè)儀器［810］。

當(dāng)某單色光通過溶液時(shí)，其能量就會(huì)被吸收而減弱，光能量減弱的程度與溶液中物質(zhì)的濃度C有一定的比例關(guān)系，即符合Lambert睟eer(朗伯脖榷)定律。其關(guān)系式可表示為

A=K·C·L=logI/I0（1）

式中：A為光密度又稱為吸光度；K為溶液的吸收系；C為溶液的濃度；L為溶液的光徑長(zhǎng)度；I為透射光強(qiáng)度；I0為入射光強(qiáng)度。

1.4試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）將試驗(yàn)點(diǎn)PD13作為預(yù)測(cè)PD13和泉點(diǎn)1或溝水滲漏通道的投放點(diǎn)，分別在泉點(diǎn)1和溝水1處接收水樣并檢測(cè)。

（2）為了預(yù)測(cè)PD13與ZK51或ZK511的滲漏通道，從ZK51和ZK511分時(shí)段投放示蹤試劑，在PD13內(nèi)部溶蝕裂隙流出的地下水接收水樣并檢測(cè)。

（3）為了預(yù)測(cè)ZK50與ZK35旁溝的滲漏通道，從ZK50內(nèi)投入示蹤試劑，在ZK35旁的溝水處接收取水樣并檢測(cè)。

（4）為了預(yù)測(cè)泉點(diǎn)2與ZK51或ZK511的滲漏通道，在ZK51和ZK511分時(shí)段投放示蹤試劑，并在黑溝外泉點(diǎn)2取樣檢測(cè)。

2示蹤探測(cè)過程

第一天在投放點(diǎn)ZK50投示蹤熒光劑，考慮ZK50與接收點(diǎn)ZK35的距離，在接收點(diǎn)ZK35旁的水溝分兩個(gè)批次取樣檢測(cè)。第一批次在投下示蹤熒光劑后取水樣，第二批次在第二天取水樣。與此同時(shí)，ZK51與ZK511投放點(diǎn)準(zhǔn)備開始供水，直到ZK51和ZK511下部溶蝕空腔內(nèi)部充水，使試驗(yàn)過程中的示蹤劑熒光素能順暢隨著供水流動(dòng)。在ZK51與ZK511供水條件未滿足的條件下，第二天進(jìn)行PD13與泉點(diǎn)1或溝水1的各點(diǎn)之間的滲漏通道示蹤試驗(yàn)，PD13內(nèi)部溶蝕裂隙出露地下水流，可以直接配對(duì)示劑進(jìn)行試驗(yàn)。

（1）預(yù)測(cè)ZK50與ZK35旁的溝內(nèi)有水力聯(lián)系，由于ZK50距離ZK35旁邊的溝外距離較遠(yuǎn)，對(duì)ZK35旁邊的溝水的檢測(cè)時(shí)間分為兩段，在投下熒光素溶液后取5組水樣后，隔一天后繼續(xù)取樣，取得樣品十組，共十五組水樣，利用分光光度計(jì)分析檢測(cè)水樣中熒光素濃度。

（2）由于試驗(yàn)前期ZK51和ZK511供水條件未得到滿足，利用該階段對(duì)PD13中的裂隙是否與泉點(diǎn)1和溝水1存在滲漏通道，再后期對(duì)ZK511及ZK51與PD13做出示蹤判斷，從而得出ZK511及ZK51與泉點(diǎn)1及溝水1的水力聯(lián)系。PD13中的裂隙長(zhǎng)時(shí)間滲水且流量約07 L/s，試驗(yàn)前段時(shí)間的降雨對(duì)PD13中裂隙滲水的流量有較明顯的影響。PD13下方的泉點(diǎn)1出水量較大，約在1 L/s。

（3）供水條件滿足后，首先向ZK511抽水，水流量在022 L/s，第一天供水8 h，ZK內(nèi)未見水位，第二天供水40 min后可見ZK511水位，停止抽水后水位下降明顯。根據(jù)ZK511內(nèi)裂縫寬度和抽水的流量可判斷ZK511內(nèi)寬縫的體積約為7 m3。ZK51距離ZK511約5 m，在ZK511水滿的情況下ZK51未見水位，開始對(duì)ZK51連續(xù)注水約7 h，但ZK51始終未見水位，說明ZK511與ZK51水力聯(lián)系較弱。示蹤試驗(yàn)過程中，首先對(duì)ZK511投入示蹤熒光素溶液，在接收點(diǎn)未接收到熒光素反應(yīng)的前提下，再對(duì)ZK51投入熒光素溶液，分別在PD13裂隙內(nèi)和黑溝外的泉點(diǎn)2接收。

各試驗(yàn)點(diǎn)信息情況和完成情況及試驗(yàn)點(diǎn)回收率見表2。表2各示蹤試驗(yàn)點(diǎn)示蹤劑回收率

Table 2Tracer recovery rates at each experiment point

試驗(yàn)點(diǎn)名稱投劑量/g時(shí)間歷時(shí)/min回收點(diǎn)最大濃度/ppb回收率（%）滲漏流量/（L·s1）ZK5077月11日PD1327月12日ZK51147月14日ZK51107月15日760ZK35旁溝2103.550.01340泉點(diǎn)115078.60.78340溝水1///270泉點(diǎn)1///385PD1319021.420.14270黑溝外泉點(diǎn)229020.560.13試驗(yàn)結(jié)果

ZK50距離ZK35旁的溝較遠(yuǎn)，根據(jù)平面布置圖的計(jì)算，投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離為1 000 m，滲漏途徑長(zhǎng)且裂隙發(fā)育，所以對(duì)接收點(diǎn)ZK35旁邊的溝水取樣檢測(cè)時(shí)間要更長(zhǎng)痹詼訸K50投入7 g的熒光素溶液后，立即對(duì)ZK35旁的溝水取樣。第一階段取樣時(shí)間為20 min每組，取樣5組，間隔9個(gè)多h后進(jìn)行第二段取樣，同樣為20 min一組，取10組樣品共15組樣品。結(jié)果表明，ZK35旁溝內(nèi)所取得的水樣中含有明顯的熒光素反應(yīng)，熒光素濃度波動(dòng)也較為明顯。該接收點(diǎn)發(fā)育在沖溝的一個(gè)小裂隙中，流量較小約001 L/s，經(jīng)過取樣檢測(cè)計(jì)算得出該點(diǎn)的接收率為355%，若考慮沖溝的溝水水流量，估算約為02 L/s，可得整個(gè)溝水接收率為71%，由此可證明ZK50內(nèi)水體與ZK35旁的溝水存在滲漏通道。

PD13投放點(diǎn)內(nèi)，將示蹤劑沿著裂隙水緩慢投放并即時(shí)在PD13下方的泉點(diǎn)1處進(jìn)行取樣檢測(cè)，取樣時(shí)間為340 min。取樣分析得出的泉水水樣中熒光素的濃度與時(shí)間的變化曲線見圖2，最大濃度在90 min時(shí)候出現(xiàn)，并且有較明顯的多波峰形態(tài)，而且經(jīng)過340 min的測(cè)樣，泉水中熒光素濃度逐漸減少并趨近于0，由泉點(diǎn)1流量以及檢測(cè)得出的泉水濃度曲線與時(shí)間的關(guān)系經(jīng)過計(jì)算得出本次檢測(cè)過程中熒光素的回收率為786%，表明PD13中的裂隙與泉點(diǎn)1存在滲漏通道且較為暢通［1112］。

圖2PD13投放泉點(diǎn)1接收水樣熒光素濃度彩奔涔叵

Fig.2The concentration瞭ime diagram of fluorescein in

the water sample at the spring point 1 of experimental point PD13

在對(duì)ZK51投放熒光素溶液之前，預(yù)先向ZK51內(nèi)注水，注水兩小時(shí)后向ZK51內(nèi)開始投放熒光素溶液，投放量為10 g，分別在PD13內(nèi)的裂隙處和黑溝外泉點(diǎn)2處接收。PD13內(nèi)取樣為即時(shí)取樣，而黑溝外泉點(diǎn)2取樣時(shí)間為投樣90 min以后開始。

PD13接收點(diǎn)的取樣起始濃度就顯示為較高濃度，這與該接收點(diǎn)與ZK51距離近且水力坡度大有關(guān)，在此兩個(gè)接收點(diǎn)接收的水樣中開始都含有高濃度的熒光素，且在長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)中，PD13所取得水樣中的熒光素濃度變化起伏較黑溝外泉點(diǎn)2明顯，表現(xiàn)為多波峰的狀態(tài)，PD13接收點(diǎn)在投放示劑后即時(shí)取樣檢測(cè)得出，PD13接收點(diǎn)在有效接收時(shí)間內(nèi)接受率2142%。而黑溝外泉點(diǎn)2接收點(diǎn)，由于地形條件的限制，在投樣后90 min后開始取得第一個(gè)水樣，取樣總時(shí)間為270 min，較之PD13接收點(diǎn)的取樣總時(shí)間略短，檢測(cè)計(jì)算后得出該接收點(diǎn)的熒光素接收率為2056%，在相同時(shí)間內(nèi)黑溝外泉點(diǎn)2取得水樣中的熒光素濃度比PD13中取得水樣的熒光素濃度要高。由此可說明ZK51與PD13中所處裂隙以及黑溝外的泉點(diǎn)2擁有滲漏通道，且ZK51中的水體向黑溝外排泄的水量更多，裂隙的暢通性更好。由上也可知在試驗(yàn)接收時(shí)間段內(nèi)所取水樣的總接收率為4198%。通過對(duì)上述兩幅圖的延展趨勢(shì)分析得出PD13接收點(diǎn)的熒光素濃度約在6 h后趨近于0，而黑溝外泉點(diǎn)2接收點(diǎn)處的熒光素濃度約在3 h候趨近于0，對(duì)其延展性分析計(jì)算得出PD13點(diǎn)的總接收率約為3213%，同時(shí)黑溝外泉點(diǎn)2的總接收率約為3084%，在有效的測(cè)試時(shí)間內(nèi)兩個(gè)接收點(diǎn)總的接收率約為6297%，反映或有其他地下水分散出露點(diǎn)未被檢測(cè)接收、或者該溶蝕寬縫具有較大的儲(chǔ)水空間。

4結(jié)語

（1）本次試驗(yàn)選用螢光素為其作為復(fù)雜巖溶水環(huán)境示蹤劑，其良好的肉眼可見性，可以發(fā)現(xiàn)事先未估計(jì)到的連通點(diǎn)，從而避免重大的失誤。尤其是經(jīng)抗吸附和提高溶混性能處理的螢光素，是很好的示蹤材料。

（2）利示蹤試驗(yàn)法勘察巖溶區(qū)滲漏通道時(shí)，試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作要十分充分，特別是應(yīng)首先預(yù)測(cè)滲漏通道，再設(shè)計(jì)投放點(diǎn)與接收點(diǎn)。

（3）本次試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，利用熒光素示蹤劑試驗(yàn)?zāi)軌虼_定滲漏通道，更為重要的是根據(jù)示蹤劑排放量與接收量的比例以及示蹤劑隨時(shí)間的變化曲線，可以分析滲漏通道的滲漏量的大小。

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