在线高分辨率示踪技术在重庆南山隧道水渗漏的应用研究

尹洪，王晓青

（1重庆市南岸区隧道工程建设办公室，重庆401336；2重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016）

在线高分辨率示踪技术在重庆南山隧道水渗漏的应用研究

尹洪1，王晓青2

（1重庆市南岸区隧道工程建设办公室，重庆401336；2重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016）

为研究南山隧道在岩溶槽谷区施工中产生的上覆岩体渗漏，根据试验区的水文地质条件，选择在地表涂山湖水库作为示踪剂投放点，在南山隧道涌水出口处作为接收点，采用荧光素钠作为示踪剂，进行在线高分辨率示踪试验。试验结果表明：涂山湖水库与南山隧道之间很可能存在三个相互并列的岩溶通道，水力连通时间约为142.0 min。在线高分辨率示踪技术具有灵敏度高、取样时间密度小和不易受污染等特点。

南山隧道；涂山湖水库；示踪技术；示踪剂；荧光素钠；高分辨率野外示踪仪

0 引言

重庆南山隧道一期工程是重庆市综合交通规划中主城区至长寿、涪陵方向的茶园路的控制工程，其中左线长2825m，右线长2838m，为双向四车道城市公路长隧道。隧道工程施工区岩溶区地质条件极为复杂。2013年3月4日，南山隧道工程进口左洞超前探水孔出现中量涌水，3月6日晚11点，南山隧道进口端左洞超前地质探孔出现较大涌水，3月6日位于南山隧道南侧的涂山湖水库发生渗漏，水位持续下降。

水文示踪试验是探明地下水的水力联系最为常用的技术手段之一[1-5]。为研究南山隧道在岩溶槽谷区的施工对地表涂山湖段造成的影响，查明南山隧道上方的涂山湖水库的水流是否渗漏至南山隧道，在涌水工程影响区域内实施小范围的示踪试验。

1 南山地质背景条件

图1 南山隧道与涂山湖平面位置图

据现场调查，南山隧道从涂山湖北端横穿，隧道投影后平面距离最近处13m，隧道顶距离涂山湖最小垂直距离136m，见图1。涂山湖常年湖水位均保持430.80m左右，水深0.5～5.50m不等。

南山区域属亚热带湿润气候区，具有冬暖夏热、春早夏长、秋雨连绵的特点。多年平均气温为18.7°C，多年平均日最大降水量为93.9mm，年平均降雨日为168d。降雨主要集中在每年5-9月份，其降雨量占全年总降雨量的70%，且多大雨、暴雨；多年平均相对湿度80%，绝对湿度17.6mb。

本区地貌的发育受构造和岩性的控制明显，地势东高西低，属四川盆地东部平行岭谷区，背斜成山，向斜成谷，谷岭相间。南山隧道在背斜轴部所穿过的最老地层为三叠系下统嘉陵江组地层，地表层由新至老依次为第四系覆土、侏罗系覆土（中统上沙溪庙组、下沙溪庙组、新田沟组、下中统自流井组、下统珍珠冲组）、三叠系覆土（上统须家河组、中统雷口坡组）。其岩性主要为一套海相、浅海相炭酸岩盐、碎屑岩和内陆河湖相碎屑岩沉积；有灰岩、白云岩、角砾岩、泥灰岩、泥质岩、砂岩等；灰岩、白云岩、泥灰岩、角砾岩等炭酸岩盐主要出露于背斜轴部，呈长条状展布；砂岩、泥质岩等主要出露于背斜两翼。

南山隧道位于川东南弧形地带，华蓥山帚状褶皱束东南部。南山隧道下穿南温泉背斜，背斜轴部地貌为岩溶槽谷区，为嘉陵江组及雷口坡组碳酸盐岩裂隙岩溶水。南温泉背斜轴部，纵张裂隙发育，为地表岩溶洼地、漏斗、落水洞较发育提供了良好的条件。

2 示踪试验方法

2.1 示踪剂的选择

示踪剂选择遵循以下原则［6］：(1)极易溶于水，在地下水中背景值含量极低；(2)无毒、无臭、无味，不破坏地下水生态系统；(3)不易被土壤和围岩吸附，不易沉淀，化学性质稳定，不与其他环境物质发生物理和化学反应，不易被生物降解，不挥发；(4)不易被地下水中其他物质干扰，易被仪器检测到，灵敏度高。

根据示踪剂选择原则，同时考虑与监测仪器匹配使用，选用荧光素钠（uranine）作为示踪剂，溶于水为绿色，这种化学物质非常适用于在碱性岩溶水环境中。

试验前，分别对涂山湖、南山隧道出水处采样，并进行背景值的测试。结果表明：野外投放点和接受点的水体中的荧光素钠的含量均为0μg/L。

2.2 监测仪器

目前我国地下水示踪试验大部分都是采用野外人工定点取样、室内分析测定的方法，试验成本高、劳动强度大、取样时间尺度长、样品搁置时间久，取样时易引起污染等等问题。由此可见，进行示踪技术创新和引进国外先进示踪方法技术，对进一步提高我国水文和地质的研究水平具有重要的意义。

本试验中的荧光素钠野外监测采用高分辨率野外自动化荧光光度计记录仪自动监测，测试时间为5min一组数据。试验所使用的仪器为瑞士生产的野外自动化荧光示踪仪，其英文学名为flow-through field flourometer，型号为GGUN-FL30，检测限达到0.02ppb，具有高灵敏性、取样时间密度小和不易受污染等特点。

2.3 示踪剂的投放与接收

投放点：示踪剂投放点一般选择有天然水流存在的地方。根据野外现场考察和委托方的要求，选择涂山湖水库作为投放点。根据经验公式和现场水文特征，在涂山湖中均匀投放荧光素钠，形成浓度为30μg/L的荧光素钠溶液。

投放方法：在野外现场将已经称量的示踪剂粉末放进30L水桶中，加水充分搅拌溶解。慢慢均匀倒入投放点，顺着水流扩散，投放时间为2013年4月19日22:00-22:35。

接受点：示踪剂接收点为南山隧道距洞口820m处右侧排水沟放置GGUN-FL30高分辨率野外示踪仪。

3 试验过程和结果

3.1 水力连通性

示踪试验数据统计结果见表1。

表1 示踪试验数据统计

根据示踪仪记录的荧光素钠示踪剂浓度，绘制出其浓度历时变化曲线图。从图2中可以看出，示踪剂投放约0.5h之后在南山隧道出现检测值，表明水流流速快。

图2 南山隧道监测点荧光素钠示踪剂浓度历时变化曲线

示踪剂浓度历时曲线的主要影响因素是地下水的流场特征。本次示踪试验的示踪剂浓度历时变化曲线出现三个峰值，表明涂山湖水库与南山隧道之间很可能存在三个相互并列的岩溶通道。

3.2 水文参数计算

本次试验研究了涂山湖水库与施工中的南山隧道的水力联系。为更好地为地质灾害治理提供理论依据和参考，本文对相关的水文参数［7］进行了计算和研究。

针对示踪试验，示踪剂瞬时注入时的溶质运移的定解条件［8］如下所示：

式中:DL和DT分别为纵向弥散系数和横向弥散系数；u为地下水流速；n为介质孔隙度；t为时间；m为投放示踪元素的总质量。该定解问题的解为：

式中：X，Y为计算点处的位置坐标；C（X，Y，t）为t时刻点X，Y处的示踪剂浓度，M为承压含水层的厚度。

在以岩溶裂隙与管道为主的地下水运移通道中，将溶质的水力弥散作用简化为两个部分组成［9］：(1)溶质分子在静水中的扩散；(2)地下水对溶质分散体的整体运移作用。计算中只考虑溶质分子在沿着裂隙或管道方向的扩散，而垂直方向的溶质弥散、地下水绕流与对流相对微弱，不作考虑。

3.2.1 水力连通时间

依据试验数据直接获得导水构造与涌水区域水力连通时间为：

其中t3接收示踪剂的峰值时刻；t0为示踪剂投放时刻。

3.2.2 补给相关系数

设采集的示踪剂浓度–时间曲线为f(t)，涌水区域的单位时间涌水量为Q，则涌水区域接收示踪剂总量为m2，则

将涌水区域接收的示踪剂总量m2与投入量m1的比值λ定义为补给相关系数，则:

若λ＜1，则表示示踪剂投放处流经的地下水并非只在该涌水区域进行排泄，还存在其他排泄地点；若λ≈1，则可认该裂隙导水构造可能为单连通构造，该导水构造只向涌水区域内排泄。

根据试验数据和公式3.1～3.3进行计算，水力连通时间T为142.0 min。根据公式3.4和3.5，采用网格法计算曲线与x轴包围的面积和涌水量，计算示踪剂回收量，其回收量仅为1.40g，考虑到2013年4月20日开始进行的湖底渗漏治理的注浆施工极大地影响了示踪剂的回收量，故该计算数据不能作为计算补给相关系数的依据。故无法判断示踪剂投放处流经的地下水是否仅在南山隧道涌水区域进行排泄，还是存在其它排泄地点。

4 讨论与结论

自动在线高分辨率示踪技术在重庆南山隧道上覆岩体中水渗漏的应用研究表明：涂山湖水库与南山隧道存在水力联系，且其通道很可能为三个并列的岩溶管道，水力连通时间为142.0 min。该技术效率高、灵敏度高，获得了较好的试验结果。本次应用研究对其他工程地区的水文地质研究具有一定的参考价值。

[1]裴建国，谢运球，章程，等.湘中溶蚀丘陵区示踪试验——以湖南新化为例[J].中国岩溶，2000，19(4)：366-371.

[2]李敬兰，李益民.广西龙排布泥库地下水多元示踪试验研究[J].安全与环境工程，2004，11(1)：59-62.

[3]米德才，张新兴，浩坤.水电站水库岩溶渗漏研究[J].地球与环境，2005，33（增1）：242-246.

[4]邓振平，周小红，何师意.西南岩溶石山地区岩溶地下水示踪试验与分析[J].中国岩溶，2007，26(2)：163-169.

[5]章程，蒋勇军，Lettingue M.，等.岩溶地下水脆弱性评价“二元法”及其在重庆金佛山的应用[J].中国岩溶，2007，26 (4)：334-340.

[6]杨平恒，罗鉴银，彭稳，等.在线技术在岩溶地下水示踪试验中的应用——以青木关地下河系统岩口洛水洞至姜家泉段为例[J].中国岩溶，2008，27(3)：215-220.

[7]刘再华，Chris Gro ves，袁道先，等.水-岩-气相互作用引起的水化学动态变化研究——以桂林岩溶试验场为例[J].水文地质工程地质，2003，30(4)：13-18.

[8]鲁程鹏，束龙仓，苑利波，等.基于示踪试验求解岩溶含水层水文地质参数[J].吉林大学学报：地球科学版，2009，39 (4)：717-721.

[9]刘人太，李术才，张庆松，等.示踪试验分析方法在地下工程水害治理中的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(4)：814-821.

责任编辑：孙苏，李红

重庆市城乡建委发布《绿色建筑设计标准》

（征求意见稿之三）

声光风环境——室内宜采用"穿堂风"，要充分利用自然采光

征求意见稿对声环境、光环境、风环境等进行了规定。

房间平面宜采取有利于形成"穿堂风"的格局。所谓"穿堂风"，就是室外空气从建筑一侧进入，穿过内部，从另一侧流出的自然通风现象。

光环境，要充分利用自然采光，比如，地下空间宜有天然采光，天然采光还要避免产生眩光，要采用合理的遮光措施。如果室内、地下空间采光不足，可以利用采光井、采光天窗、下沉广场、半地下室等，设置导光管、反光板、棱镜窗、反光镜等。

绿色建筑的声环境，要给人适度的听觉关怀。产生较大噪声的机房等需远离工作、休息等房间，如电梯机房及电梯井，应该避免与安静要求的房间相邻，并采取减振措施等；空调机房的门不直接开向办公等使用空间，并应采用隔声门。当受条件限制时，要合理布局，如将噪声源设置在地下等。

(摘自：《重庆晨报》，作者：蒋艳）

Application Study on Online High Resolution Tracing Technology in Nanshan Tunnel Leakage Test

To study the leakage problem during Nanshan tunnel engineering in karst valleys,the high resolution tracing test is carried out.Based on the hydrogeological conditions,Tushan resrvoir is selected as the tracer place,the Nanshan tunnel outlet as the receiving place and fluorescein sodium as the tracer.The test results show that the surface water of Tushan resrvoir is in contact with Nanshan tunnel through three parallel channels with 142 minutes of hydraulic connection time.The tracing technology has features of high sensitivity,short sampling interval time and pollution free.

Nanshan tunnel;Tushan resrvoir;tracing technology;tracer;fluorescein sodium;outdoor high resolution tracing instrument

U45

A

1671-9107（2013）07-0016-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.07.016

2013-06-14

尹洪（1975-），男，重庆人，本科，从事隧道建设管理工作。

王晓青（1974-），女，四川绵阳人，博士，高级工程师，从事环境保护与治理工作。