李奇濤，田 野，董海洲，張玉鑫，程夢(mèng)龍

（1. 中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210024）

1 引言

地鐵車站地下連續(xù)墻施工及基坑開挖過程中，地下水滲漏會(huì)對(duì)其造成不利影響[1-3]。滲漏水處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致泥沙流失出現(xiàn)空洞或造成周圍地層地下水位下降，引起地面沉降，進(jìn)而影響基坑穩(wěn)定，危及施工安全。示蹤連通試驗(yàn)可用來確定地層不同位置的水力聯(lián)系，判斷地下水滲漏來源，在水庫(kù)[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(yīng)用。鉆孔示蹤流速測(cè)試可以測(cè)定地層中地下水的滲透流速，相關(guān)探測(cè)理論和技術(shù)也得到大量的研究和應(yīng)用[11-13]。這2種探測(cè)方法都是進(jìn)行地下水滲流調(diào)查的有力工具，但在地下連續(xù)墻滲流研究中應(yīng)用示蹤連通試驗(yàn)較多，同時(shí)進(jìn)行流速測(cè)試很少，也就是很少把兩者結(jié)合起來進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)際上，在進(jìn)行示蹤連通試驗(yàn)時(shí)，需要在基坑外鉆孔中投放示蹤劑，然后在基坑內(nèi)抽水孔中觀測(cè)是否有示蹤劑滲流過來，以此判斷地下連續(xù)墻的滲漏位置。而在此過程中，也可以同時(shí)監(jiān)測(cè)坑外鉆孔中的示蹤劑濃度變化，據(jù)此計(jì)算孔中地下水的滲透流速。

本文基于現(xiàn)場(chǎng)示蹤連通試驗(yàn)，結(jié)合流速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以某地鐵車站地下連續(xù)墻為例，對(duì)地下連續(xù)墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進(jìn)行研究，并提出防滲處理建議。提出的示蹤連通試驗(yàn)和流速測(cè)試相結(jié)合的測(cè)量方法可應(yīng)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(zhǎng)283.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，站臺(tái)寬12 m，采用兩層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)。該地鐵車站地下連續(xù)墻中有一幅墻體在澆筑過程中出現(xiàn)欠方情況，墻身存在滲漏隱患，在后期基坑開挖時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)涌水涌砂等滲漏問題，故需開展地下水滲漏探測(cè)研究。

本文中地下水滲漏探測(cè)深度為深度23 m以上地層，研究區(qū)域地基土屬第四紀(jì)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(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水，按形成時(shí)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(qū)域密切相關(guān)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(wěn)定埋深為1.3～2.4 m，微承壓水埋深為1.01 m，絕對(duì)標(biāo)高為1.04 m。

3 示蹤連通試驗(yàn)

示蹤連通試驗(yàn)指在含水層上游某滲漏點(diǎn)投入適量示蹤劑，并在其下游檢測(cè)孔或出水點(diǎn)處進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，得到示蹤劑時(shí)間-濃度曲線，根據(jù)檢測(cè)到的示蹤曲線變化規(guī)律，綜合分析地下水滲流場(chǎng)特征，以分析地下水的補(bǔ)給來源。

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

示蹤連通試驗(yàn)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(shí)投放和持續(xù)投放[14]。瞬時(shí)投放指在某一時(shí)刻投放示蹤劑，在接收點(diǎn)監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度并得到“峰狀”濃度-時(shí)間曲線如圖3所示；持續(xù)投放則指在某一時(shí)間段內(nèi)持續(xù)向鉆孔內(nèi)投放示蹤劑，而其接收點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得濃度-時(shí)間曲線如圖4所示。根據(jù)示蹤連通試驗(yàn)所得示蹤劑濃度-時(shí)間曲線，便可確定兩點(diǎn)之間的水力聯(lián)系，查明滲流途徑，判斷滲漏通道。

4 鉆孔流速測(cè)試

在鉆孔中可以投放示蹤劑進(jìn)行地下水流速測(cè)試，其基本原理是孔中均勻投放示蹤劑后，其濃度會(huì)被地下水滲流所稀釋且稀釋速度與地下水流速相關(guān)，監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度的變化就可以計(jì)算出地下水的滲透流速。如圖5所示，在對(duì)應(yīng)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(jì)算出的流速也較大，而隔水層部位的流速則較小。這種測(cè)試方法可以在單個(gè)鉆孔中進(jìn)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(shù)關(guān)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(dá)西滲透流速；r為濾水管內(nèi)半徑；C1、C2分別為測(cè)量時(shí)間t1、t2時(shí)示蹤劑濃度；Δt=t1-t2；α為因?yàn)V水管在含水層中的存在引起流場(chǎng)畸變的校正系數(shù)，通常取值為2。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 鉆孔布設(shè)

本次試驗(yàn)在研究區(qū)域共設(shè)置5個(gè)鉆孔（1個(gè)抽水孔C1和4個(gè)觀測(cè)孔G1～G4），鉆孔具體布設(shè)位置見圖6（待檢測(cè)地下連續(xù)墻編號(hào)為WQ1-36）。其中，抽水孔設(shè)于基坑內(nèi)部，距地下連續(xù)墻內(nèi)邊緣2 m。觀測(cè)孔均平行布設(shè)在基坑外側(cè)，觀測(cè)孔1、觀測(cè)孔2及觀測(cè)孔3孔中心位置距地下連續(xù)墻外邊緣2 m，觀測(cè)孔4距地下連續(xù)墻外邊緣3 m；兩側(cè)鉆孔（觀測(cè)孔1、觀測(cè)孔3）距地下連續(xù)墻兩端各1 m，觀測(cè)孔2對(duì)應(yīng)該幅地下連續(xù)墻中心位置。

5.2 示蹤劑選擇

考慮到研究區(qū)域周邊環(huán)境及場(chǎng)地地下水環(huán)境背景值等因素，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用飽和食鹽水作為示蹤劑，應(yīng)用單孔稀釋法進(jìn)行孔內(nèi)地下水流速測(cè)定，同時(shí)孔內(nèi)所投放的食鹽亦可用來進(jìn)行觀測(cè)孔與抽水孔之間的連通試驗(yàn)。

5.3 試驗(yàn)方法

本次研究依次向4個(gè)觀測(cè)孔內(nèi)投入示蹤劑，間隔一段時(shí)間后對(duì)觀測(cè)孔及抽水孔進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并記錄示蹤劑濃度變化情況，得到各孔示蹤劑時(shí)間-濃度曲線。示蹤劑投放方法為：將示蹤劑與水混合并充分?jǐn)嚢?，待其充分溶解后投放至各孔中?/p>

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行了2個(gè)階段試驗(yàn)，第一階段試驗(yàn)于2021年1月24日開始，至2021年1月29日結(jié)束；第二階段試驗(yàn)于2021年3月10日開始，至2021年3月16日結(jié)束。階段試驗(yàn)期間均對(duì)抽水孔進(jìn)行抽水作業(yè)。

5.4 結(jié)果與分析

在第一階段和第二階段初期現(xiàn)場(chǎng)示蹤試驗(yàn)中，根據(jù)測(cè)量所得的4個(gè)觀測(cè)孔的溫度、電導(dǎo)率以及流速測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)孔1及觀測(cè)孔2內(nèi)地下水流速較快，而觀測(cè)孔3及觀測(cè)孔4內(nèi)流速則相對(duì)較慢，說明觀測(cè)孔1和觀測(cè)孔2所處位置地下水滲流較快，地下連續(xù)墻隱患部位更靠近觀測(cè)孔1及觀測(cè)孔2，圖7和圖8分別為2個(gè)階段各孔流速對(duì)比圖。投放示蹤劑后，在觀測(cè)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(duì)較大，說明地下連續(xù)墻缺陷位置位于該段的可能性較大。

由上述結(jié)果判斷觀測(cè)孔1和觀測(cè)孔2處于基坑外部向基坑內(nèi)部的滲漏通道上，故著重觀測(cè)這2個(gè)觀測(cè)孔與抽水孔之間的示蹤連通試驗(yàn)情況。在2021年3月13日至16日抽水試驗(yàn)期間，抽水孔表層地下水電導(dǎo)率隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。從圖中可以看出，孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率有2處明顯的增高過程（見圖中橢圓區(qū)域），而這2 次電導(dǎo)率增大的原因分別對(duì)應(yīng)2次事件：①3月14日9 : 55至10 : 14分別向觀測(cè)孔1及觀測(cè)孔2內(nèi)投放食鹽水，對(duì)應(yīng)了左側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi)的增高過程；②3月15日11 : 08至11 : 17在觀測(cè)孔1和觀測(cè)孔2中注水，后于14 : 37至14 : 41時(shí)間段內(nèi)向觀測(cè)孔1內(nèi)注水，對(duì)應(yīng)右側(cè)橢圓區(qū)域內(nèi)的增高過程。該電導(dǎo)率變化曲線表明觀測(cè)孔與抽水孔之間存在水力聯(lián)系，且由于2次電導(dǎo)率增高過程發(fā)生在抽水孔表層，故推測(cè)觀測(cè)孔內(nèi)的食鹽水不可能經(jīng)由地下連續(xù)墻底部繞滲至抽水孔內(nèi)，其只可能是穿越地下連續(xù)墻上部缺陷位置滲流至抽水孔中。

與此同時(shí)，根據(jù)流速測(cè)試結(jié)果，觀測(cè)孔內(nèi)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(nèi)地下水的表層，造成抽水孔表層電導(dǎo)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(nèi)地下水電導(dǎo)率的增高幅度較小，說明地下連續(xù)墻雖然存在滲漏缺陷，但在基坑尚未進(jìn)行大規(guī)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(shí)間的延長(zhǎng)及在基坑外部高水頭壓力的作用下，該滲漏通道可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，其滲透性會(huì)有所增強(qiáng)，故建議在基坑開挖降水前對(duì)該幅地下連續(xù)墻采用旋噴樁等方式進(jìn)行防滲加固處理。

6 結(jié)論

本文基于現(xiàn)場(chǎng)示蹤連通試驗(yàn)，通過對(duì)比分析各示蹤參數(shù)，對(duì)地下連續(xù)墻是否存在滲漏隱患以及滲漏部位、深度等進(jìn)行深入研究，并得到以下結(jié)論。

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

（2）投放示蹤劑后，在觀測(cè)孔-4 m至-6 m高程段存在較大的流速，說明地下連續(xù)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(yàn)結(jié)果表明，向觀測(cè)孔中投入食鹽后，抽水期間在抽水孔表層測(cè)出了較高的電導(dǎo)率，表明有地下水從觀測(cè)孔穿透地下連續(xù)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(dǎo)率升高。

（4）抽水孔內(nèi)地下水電導(dǎo)率增高的幅度較小，說明地下連續(xù)墻雖存在滲漏缺陷，但在目前基坑尚未大規(guī)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(jìn)行防滲處理。