示踪实验在某铁路隧道施工勘察中的应用

刘 星

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 概述

示踪实验方法在水文、石油勘察、城市环境监测等诸多领域得到了广泛的应用，如在美国猛犸洞地区，为了查清一处垃圾填埋场对猛犸洞的影响，在300 km2的范围内开展了600多次示踪实验，以查清楚水流方向，这个案例在美国很有代表性[1]。Käss Werner记述了欧洲开展示踪实验的历史，说明了示踪实验的原理、操作技术、示踪剂的化学性质和测试方法，以及实验数据的处理方法[2]。汪进良等为查明八宝水库地下河的连通性，采用自动化监测电导率的方法开展示踪实验，发现水中NaCl含量变化在数量级上能达到μs/cm(微西每厘米，电导率的单位)[3]。荣元帅等研究了缝洞型油藏不同类型井间连通结构下示踪剂产出曲线特征及影响[4-6]。姜光辉等开展了人工示踪技术在岩溶地区水文地质勘察中的应用[7]。赵小二设计了三种岩溶管道结构来模拟岩溶管道内部的物理变化过程，探讨溶潭对岩溶管道流场和溶质运移过程的影响[8-9]。

在铁路勘察领域，判断地下水流速、流向较为常用的方法有充电法、高密度电法、联合剖面法等[10-12]，但这些方法都需要已知地下水的连通关系。以某铁路隧道施工勘察中的应用为例，利用食盐作为示踪物，对隧道内涌水与暗河的连通关系进行了定性、定量分析，包含隧道内涌水与暗河补给径流时间、暗河流速、水力梯度等水文信息[13-16]，为该隧道泄水洞的设置提供科学客观的依据。

2 工程概况

某隧道为Ⅰ级高风险隧道，全长14.58 km，地处西南岩溶喀斯特区域，隧址区域内岩溶强烈发育，有地下暗河系统与隧道相交或并行。

在勘察阶段，发现隧道进口DK375+870～DK379+200段岩溶发育，在线路DK378+900右侧200 m发育有大型溶洞(为一暗河入口)，地下分支较多，其中一分支位于隧道进口(线路左侧约40 m处)。该分支走向与隧道走向基本一致，且与隧道相交，对线路方案影响较大。采用大地电磁测深、连通性实验及钻孔进行勘察，基本查明了测区暗河与隧道的空间关系(见图1)。

注：蓝色实线为地表水，蓝色虚线为地下暗河。图1 测区暗河与隧道空间关系

在施工期间，揭示了大型岩溶，并发生了涌水、突泥等地质灾害，最大涌水量超过200 000 m3/d。受建设单位委托，为迅速判断隧道内涌水与暗河的连通关系，获取水文信息，为泄水洞设置提供依据，决定在补充勘察中采用示踪实验方法开展工作。

3 示踪实验

3.1 示踪剂选择

结合场地环境条件及实验条件，对几种主要示踪材料进行对比(见表1)，最终确定选用食用盐。天然水中普遍存在有Cl-离子，一般在陆地上的淡水中含量在几mg/L至数百mg/L之间。利用硝酸银滴定法能够快速得到实验结果。

表1 几种主要示踪剂对比

3.2 示踪实验过程

2015年8月28日～29日，隧址区域范围内有较大规模的降雨，经过现场踏勘得知，暗河入水口汇水量约5 000 m3/h，平导PDK378+507处涌水流量约为200 m3/h，平导交叉口水流量为800～1 000 m3/h，正洞中心水沟水流量约为1 500 m3/h，满足水样采集工作的条件，定于8月31日开展示踪实验工作。

在暗河入水口处按50 kg/min的投放量，不间断连续投放10 min，合计投入500 kg食盐(投放时间自16：07开始，于16：16结束)。正洞中心水沟处、平导PDK378+507涌水处、平导与正洞交叉口等三处的水力通道长度为500～3 100 m，暗河入口处水流速为72～90 m/min，初步分析富含Cl-离子的水力连通时间介于5.5～43 min之间。

在短时间内注入示踪剂，形成高浓度液体进入地下河管道，示踪剂沿纵向迁移。示踪剂弥散可用微分方程式表示，有

(1)

式中D——纵向弥散系数;

x——示踪剂运动距离;

V——水流速度;

c——示踪剂浓度;

t——迁移时间。

由式(1)可知，示踪剂浓度随时间的变化与弥散系数、地下水速度有关。示踪剂理论分布范围为一顺水流方向拉长的椭圆形，其弥散中心浓度最高，向四周逐渐降低，其浓度变化曲线应为两翼略对称的单峰曲线。若遇支流汇入，曲线一翼或两翼将产生波折反应，呈不对称型。

为确保能够采集到富含Cl-离子的“水团”，设定水样采集自示踪剂投放时间(16：07)即开始进行，每间隔10 min取一次水样，于17：37结束，连续采集10次，采集时长90 min。

现场共采集到3组水样，每组10个，水样编号命名分别为：

①正洞中心水沟:Z1、Z2、Z3……Z8、Z9、Z10;

②平导正洞交叉口:P11、P12……P18、P19、P110;

③PDK378+507：P21、P22、P23……P28、P29、P210.

3.3 实验结果

本次示踪实验结果见表2、表3，正洞中心水沟、PDK378+507与平导及正洞交叉口等三处位置的Cl-离子浓度—时间曲线见图2。

表2 示踪实验结果 mg/L

表3 示踪实验结果统计

图2 三组水样Cl-离子浓度-时间曲线

(1)由表2、表3和图2可知，隧址区域内地下水中Cl-离子含量背景介于10.64～17.73 mg/L，剔除两个异常水样，地下水中Cl-离子含量平均值介于13.12～15.60 mg/L。

(2)在平导与正洞交叉口处时间为16：17与16：27取得的两个水样中，氯离子含量高达124.08 mg/L与116.99 mg/L，与其余水样氯离子含量平均值(13.12～15.60 mg/L)有巨大的差异。从统计学分析，该组水样标准差为44.62，变异系数高达123.39%，而其余几组水样标准差均小于5，变异系数小于30%，可以充分证明平导内涌水与暗河存在连通关系。

(3)暗河平导与正洞交叉口观测到的峰值异常为投放示踪剂后的10 min，考虑到示踪剂在水中的弥散作用，可以判定地下暗河对平导内涌水的补给时间不足10 min，该处位置的水力连通长度约为630 m，从而得到流速V应略大于63 m/min，与暗河入口处水流速72～90 m/min基本一致。

(4)已知暗河入口处高程H1=1 048.4 m，隧道内底板高程H2=926.6 m，水力连通长度L=630 m，根据水利梯度计算公式，计算得到水力梯度I=0.1933。

4 结束语

示踪实验技术在在国际上已经成为水文地质勘察的常用手段，而在国内尤其是铁路勘察领域的应用还偏少。示踪实验耗时短、效率高且费用低，可定量给出暗河流速、水力梯度等水文地质信息，特别适用于我国西南喀斯特地貌岩溶发育区域或暗河发育等特殊地质情况下的铁路隧道勘察。

限于现场条件，本次实验只采用了硝酸银滴定法一种手段对Cl-离子含量进行测定，在未来类似工作中，应辅以离子色谱法开展平行实验；此次实验，在两处暗河出口处未设置水样采集点，未能完整反映两处暗河出口的水文信息，在未来开展此类工作中应予以改进。