張湘文，王濤，程勝高

（中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074）

在隧道工程、地下工程建設(shè)過程中，由于很多地區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下工程突水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年突涌水災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失僅次于煤瓦斯災(zāi)害［1］。在突涌水災(zāi)害治理過程中，查明地下水來源、補(bǔ)給方式及區(qū)域斷層水力聯(lián)系是治理的關(guān)鍵。本文以江西萍鄉(xiāng)鐘家山隧道突涌水事件為例，將區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查中常用的水文示蹤試驗(yàn)方法，引入到小區(qū)域的地下突水治理工程中。該類水文示蹤試驗(yàn)同傳統(tǒng)示蹤試驗(yàn)相比，具有顯著區(qū)別性:(1)試驗(yàn)區(qū)域較小，通常限定在涌水工程治理區(qū)域內(nèi)，基本不涉及多個(gè)水文地質(zhì)單元;(2)靠近涌水區(qū)域，地下水流速較快，示蹤劑投放與出現(xiàn)時(shí)間間隔較短，且示蹤劑濃度曲線區(qū)別明顯;(3)示蹤劑濃度峰值持續(xù)時(shí)間較短，示蹤劑在巖體內(nèi)部留存時(shí)間較短;(4)示蹤劑主要沿對(duì)涌水起控制作用的裂隙或巖溶主管道運(yùn)行，與孔隙介質(zhì)的示蹤劑運(yùn)移規(guī)律存在顯著區(qū)別。［2］

1 區(qū)域概況

鐘家山隧道區(qū)域范圍50 km2內(nèi)地層，有泥盆系上統(tǒng)佘田橋組(D3s)與石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組呈不整合接觸，缺失了石炭系中上統(tǒng)地層及石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組(C1d1)地層。石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組(C1d2)分布于區(qū)域西北部以及禾水河北側(cè)一帶。據(jù)前期物探、鉆探揭露情況，隧址區(qū)發(fā)育有F1、F2、F3、F4、F5等斷裂。鐘家山隧道水文地質(zhì)圖及其縱剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 鐘家山隧道水文地質(zhì)圖Fig.1 Hydrogeologicalmap of Zhongjia Mountain Tunnel

區(qū)域主要含水巖組可分為孔隙含水巖組、基巖裂隙含水巖組及巖溶含水巖組?？紫逗畮r組地下水主要賦存于第四系殘坡積層以及禾水河兩側(cè)沖洪積層中，其富水性直接受大氣降水的控制:雨季補(bǔ)給充足，則孔隙水較多;而在旱季蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量，孔隙水較少，局部甚至枯竭?；鶐r裂隙含水巖組分布于調(diào)查區(qū)大部分區(qū)域，地下水主要賦存于泥盆系和石炭系砂頁巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中，按其成因可分為風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，含水巖組的富水性與導(dǎo)水性主要與巖性、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度相關(guān)。巖溶裂隙含水巖主要賦存于石炭系大塘階測(cè)水組的灰?guī)r中，灰?guī)r中溶蝕孔隙、溶孔及溶洞發(fā)育，尤以灰?guī)r與第四系接觸部位溶蝕現(xiàn)象較為發(fā)育，地下水主要賦存于淺層溶蝕孔隙中，其補(bǔ)給量受上覆第四系黏土層影響，含水層富水性一般［3-5］。

圖2 鐘家山隧道水文地質(zhì)縱剖面圖Fig.2 Hydrogeological cross section of Zhongjia Mountain Tunnel

2 地下水示蹤試驗(yàn)方法及過程

本次示蹤試驗(yàn)共4組，分2次進(jìn)行:同一次試驗(yàn)過程中選擇的示蹤劑互不干擾，監(jiān)測(cè)的對(duì)象均為隧道內(nèi)的涌水，第一次試驗(yàn)投放點(diǎn)均在溪溝內(nèi)進(jìn)行，目的是弄清隧道內(nèi)涌水與溪溝水的關(guān)系及連通性;第二次試驗(yàn)的投放點(diǎn)均在鉆孔內(nèi)進(jìn)行，目的是弄清隧道突水突泥后地下水的流場(chǎng)分布，并借此推斷某些破碎帶和斷層的導(dǎo)水性。

2.1 示蹤劑的選擇

示蹤劑的選擇原則: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(cè)，靈敏度高，且成本相對(duì)較低［6-7］。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查情況，結(jié)合以往的示蹤試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并考慮當(dāng)?shù)氐娘嬘盟踩敖?jīng)濟(jì)、技術(shù)條件因素［8-11］，本次示蹤試驗(yàn)采用熒光素鈉、熒光增白劑、羅丹明，這3種示蹤劑均為熒光劑。示蹤試驗(yàn)點(diǎn)分布如圖3所示。

2.2 示蹤試驗(yàn)投放點(diǎn)的選擇

第一次示蹤試驗(yàn)投放點(diǎn)位于F5斷層主溝和水文鉆孔ZK-12旁溪溝下游200 m處;第二次示蹤試驗(yàn)投放點(diǎn)位于水文地質(zhì)鉆孔SK2和水文地質(zhì)鉆孔SK4處。投放點(diǎn)概況見表1。

圖3 示蹤試驗(yàn)點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution map of tracer test points

2.3 示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)的選擇

第一次示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)位于出口右洞掌子面附近涌水點(diǎn)和進(jìn)口右洞掌子面附近涌水點(diǎn);第二次示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)位于出口右洞掌子面附近涌水點(diǎn)和進(jìn)口右洞隧道口處。接收點(diǎn)概況見表2。

2.4 監(jiān)測(cè)使用儀器

本次示蹤監(jiān)測(cè)儀器使用GGUN-FL30野外地下水示蹤儀，自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，并且精度高，不易受到污染。本次檢測(cè)每10 s自動(dòng)記錄一組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)組數(shù)10 246組。

表1 投放點(diǎn)概況Table 1 List of tracer recharge points

表2 接收點(diǎn)概況Table 2 List of tracer receiving points

3 地下水示蹤試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 第一次試驗(yàn)

投放點(diǎn)位于F5斷層主溝(見圖3 T1)和鉆孔ZK-12旁溪溝下游200 m處(見圖3 T2)。

3.1.1 右洞出口(S1)

根據(jù)示蹤試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將不符合實(shí)際的數(shù)據(jù)剔除，繪制示蹤劑濃度-時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線(本文時(shí)間采用24小時(shí)制)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 右洞出口示蹤試驗(yàn)動(dòng)態(tài)曲線(2013-01-27—2013-04-16)Fig.4 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

從圖4可以看出，從1月27日10∶00在F5斷層主溝投放熒光素鈉，在鉆孔ZK12旁溪溝下游投放熒光增白劑，截至3月1日，出口右洞段掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)處一直未檢測(cè)到示蹤劑;從3月1日開始至4月3日，儀器檢測(cè)的熒光增白劑數(shù)次高出背景值，特別是3月6日、7日、15日、16日、30日前后幾日均出現(xiàn)峰值，分析認(rèn)為是投放的熒光增白劑從不同的裂隙通道在不同的時(shí)間到達(dá)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

對(duì)于熒光素鈉，觀測(cè)濃度值一直處于背景值附近，分析認(rèn)為在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，在F5斷層主溝投放的熒光素鈉沒有到達(dá)出口右洞涌水點(diǎn)。

3.1.2 右洞進(jìn)口(S3)

根據(jù)示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制示蹤劑濃度-時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線圖，結(jié)果如圖5所示。

自1月26日16∶00截止到3月9日14∶00，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未檢測(cè)到熒光素鈉。熒光增白劑投放10天之后，于2月5日開始檢測(cè)到并持續(xù)到2月22日，2月8日至2月20日保持較高峰值。分析認(rèn)為是投放的熒光增白劑從不同的裂隙通道在不同的時(shí)間到達(dá)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖5 右洞進(jìn)口示蹤監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)曲線(2013-01-26—2013-03-09)Fig.5 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

3.2 第二次試驗(yàn)

投放點(diǎn)位于水文地質(zhì)鉆孔SK2(見圖3 T3)和水文地質(zhì)鉆孔SK4處(見圖3 T4)。

3.2.1 右洞出口(S1)

根據(jù)示蹤試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，繪制該監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑濃度-時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 右洞出口示蹤監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)曲線(2013-04-08—2013-04-16)Fig.6 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

從圖6可以看出，自4月08日在水文孔SK4投放熒光素鈉，在水文孔SK2投放羅丹明開始，羅丹明的含量雖然有一定的升高，但同時(shí)濁度也在升高，兩者吻合性較好。在使用的這幾種示蹤劑中，羅丹明受所檢測(cè)水濁度的影響較大，或者說一定程度上會(huì)呈現(xiàn)正相關(guān)性，而且羅丹明含量的增加幅度并不是很大，因此我們認(rèn)為，本次試驗(yàn)中該檢測(cè)點(diǎn)沒有檢測(cè)到羅丹明。對(duì)于熒光素鈉，監(jiān)測(cè)期間其值一直穩(wěn)定在背景值，因此該監(jiān)測(cè)點(diǎn)也沒有檢測(cè)到熒光素鈉。

3.2.2 右洞進(jìn)口(S2)

圖7 右洞進(jìn)口隧道口示蹤監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)曲線(2013-04-10—2013-04-16)Fig.7 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

根據(jù)示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制示蹤劑濃度-時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，自4月10日在水文孔SK4投放熒光素鈉、在水文孔SK2投放羅丹明開始，截止到4月14日，在此期間曲線一直處于平直狀態(tài)，4月13日由于隧道施工人員挪動(dòng)儀?器，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的濁度和羅丹明含量突然下降，但不影響對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以認(rèn)為在此之后的一段時(shí)間測(cè)得的值為背景值。從圖中可以看出，在4月14日、15日，羅丹明含量出現(xiàn)峰值，最高值超過10 ppb，高于背景值(2.5 ppb)。因此，分析認(rèn)為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到了羅丹明。同時(shí)熒光素鈉也出現(xiàn)了峰值，分析認(rèn)為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到了熒光素鈉。

4 結(jié)論

(1)在鉆孔ZK-12旁溪溝下游投放熒光增白劑，10天后即在進(jìn)洞口塌陷點(diǎn)處檢測(cè)到示蹤劑，說明風(fēng)化破碎巖帶導(dǎo)水，是隧洞進(jìn)洞口突水的一個(gè)通道。SK2鉆孔處進(jìn)行的羅丹明示蹤試驗(yàn)，進(jìn)洞口處在6～7天后即檢測(cè)到示蹤劑，說明F2斷層破碎帶的導(dǎo)水性較好，是進(jìn)洞口塌陷的一個(gè)補(bǔ)水通道。針對(duì)F5斷層進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，在F5斷層帶的溪溝上人工修筑小水池，投入熒光素鈉示蹤劑，并在隧道進(jìn)出口的工作面進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過近三個(gè)月的時(shí)間，示蹤劑沒有監(jiān)測(cè)出來，說明F5斷層導(dǎo)水性較差。

(2)兩次示蹤試驗(yàn)表明，出口右側(cè)突水補(bǔ)給源主要來自鉆孔ZK12旁溪溝水下滲作用，而出口左側(cè)突水補(bǔ)給源較多，ZK12旁溪溝水、SK2、SK4處地下水均為左側(cè)突水補(bǔ)給源，而斷層F2導(dǎo)水性良好，是出口左側(cè)突水的重要徑流通道。

(3)示蹤連通試驗(yàn)對(duì)于確定地下水徑流通道、斷層導(dǎo)水性質(zhì)起到重要作用。采用示蹤試驗(yàn)，在隧道突水區(qū)域利用自然形成的疏降流場(chǎng)，能夠加速示蹤劑在含水層中的遷移，也能夠使示蹤連通試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目的。

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