声纳探测技术在工程勘察中的应用★

王卫国 田开洋 施烨辉 杜家佳 宋晓峰

(1.江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041；

2.江苏省隧道与地下工程技术研究中心，江苏 南京 210041； 3.南京帝坝工程科技有限公司，江苏 南京 210032)



声纳探测技术在工程勘察中的应用★

王卫国1,2田开洋1,2施烨辉1,2杜家佳3宋晓峰3

(1.江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041；

2.江苏省隧道与地下工程技术研究中心，江苏 南京 210041； 3.南京帝坝工程科技有限公司，江苏 南京 210032)

结合西气东输三线东段工程勘察实际情况，根据地下含水层的渗流分布绘制了各种水文地质参数图表的勘察要求，并采用声纳探测技术，对工程实际进行了勘察，实践证明，声纳探测技术在工程勘察应用中切实可行，可以为工程设计与施工提供相关地质水文参数。

声纳，探测技术，工程勘察

1 工程概况[1]

西气东输三线东段工程起于西二线江西吉安分输清管站，途经江西吉安、瑞金，福建龙岩、漳州、厦门、泉州、莆田，终点为福建福州，总长度为817km。拟勘察的晋江穿越位于福建省泉州南安市，属于大型河流穿越工程，拟建钻爆隧道水平长度440.36m，从晋江江底穿过，隧道两端各布置竖井1口，采用竖井+平巷+竖井设计方式，隧道洞身净断面尺寸为3m×3m。

本次勘察工程属于大型河流穿越工程，拟采用钻爆隧道方式穿越。依据现场水文地质与工程地质设计的需要，详细查明拟建场地的水文地质渗流运动形态，提供基坑设计与施工所需的水文地质参数与建议。

2 声纳探测技术基本原理[2]

声纳渗流探测技术是利用声波在水中的优异传播特性而实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在渗流，则必然在测点产生渗流场，声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布，依据阵列测量数据的时空分布，即可显示出渗流声源发出的方向；同时利用渗流声源方向上的声纳探测器T21与探头顶部T12声纳探测器的距离和相位之差，建立连续的渗流场的水流质点流速方程。

(1)

其中，L为声波在传感器之间传播路径的长度;X为传播路径的轴向分量;T12，T21分别为从传感器T12到传感器T21和从传感器T21到传感器T12的传播时间;U为流体通过传感器T12，T21之间声道上平均流速；所有量纲均采取国际单位，工程中应用时换算为m/d。

3 测量方法[3]

“三维流速矢量声纳测量仪”由测量探头、电缆和笔记本电脑三部分组成(见图1)。仪器测量之前，都是通过室内标准渗流试验井，进行渗流参数标记后，才能进行现场渗流测量。野外试验测量前，要对测量仪器通电预热5min后，把测量探头放入测量井孔内正式进行测量，测量的顺序是自上而下，从地下水位以下开始测量，测量点的密度为1m，1个测点上的测量时间是1min，待60s测量完成后，测量数据自动保存在电子文档中，再进行下一个点的测量，直到测量至孔底。

4 声纳法测量结果分析

根据南北4个钻孔所揭露的水文地质形态以及对地下水渗流的测量结果分析可知，拟建工程场地上层覆盖3m左右的填土层存在孔隙潜水，之下较完整的花岗岩基础层存在裂隙水。

如图2所示，为了工程中应用方便，将量纲单位转换为m/d。测孔GJJZK5的平均渗透流速2.05E-4m/d，其中在15m,19m和27m三处出现了裂隙渗流，分别为：6.74E-4m/d，5.23E-4m/d和2.93E-3m/d。孔中地下水的渗流方向为NN132°～178°。

JJSJ1孔的渗透流速测量平均渗透流速2.86E-5m/d，其中在19m处出现了3.78E-5m/d的裂隙渗流水。孔中地下水的渗流方向为NN157°～205°。

JJSJ3孔的渗透流速测量平均渗透流速2.11E-5m/d，其中在19m处出现了2.38E-5m/d的裂隙渗流水。孔中地下水的渗流方向为NN157°～169°。

JJSJ6孔的渗透流速测量平均渗透流速5.06E-5m/d，其中在30m处出现了9.33E-5m/d的裂隙渗流水。孔中地下水的渗流方向为NN272°～316°。

北岸三孔平均渗透流速显示GJJZK5最大、JJSJ1次之、JJSJ3最小，根据三孔平均渗透流速7.12E-5m/d计算的竖井断面(12.5m×40m)天然动储量为47.76m3/d。南岸JJSJ6孔平均渗透流速5.06E-5m/d，天然动储量为33.84m3/d。

GJJZK5孔平均渗透系数是4.10E-3m/d,JJSJ1孔的平均渗透系数是5.72E-4m/d,JJSJ3孔的平均渗透系数是4.22E-4m/d,JJSJ6孔的平均渗透系数是1.27E-3m/d。

渗透流速沿深度分布曲线见图3。

四测孔位置均选择在采石场内，其岩芯的采取率都很高，岩性不甚发育，但岩石裂隙发育的特点是水平与垂直的裂隙较明显。虽然岩石的渗透特性属弱透水，透水量很少，但个别属裂隙渗透岩层，其水流的导通性较好，特别是到了雨季，或者是与地表水相通的情况，如管道在晋江水下隧道施工，透水量可能较大，应引起重视。通过测量与计算，北岸三孔出现最大的裂隙渗透系数Kb=0.667m/d，裂隙等效水力隙宽Bk=2.83E-3m。若晋江江底隧道施工期间按1条绕隧道周围的裂隙，通过河流水体压力水头和裂隙渗透系数与裂隙等效水力隙宽计算得出1条裂隙的渗漏水量37.44m3/d。

根据TB10049—2004铁路工程水文地质勘察规程附录B，采用水平巷道地下水动力学法及古德曼公式，对隧道竖井排水量进行估算。通过水文地质声纳渗流的测量，结合4个测量孔的渗透流速和渗透系数两条沿孔深分布曲线，计算出测孔断面上的天然动储量(天然渗透流速乘以测量孔的过水断面)和静储量(导水系数乘以开挖断面的长度)见表1。

表1 南北竖井单日排水量 m3

5 结语

输油管道过江隧道工程，是国家重大建设项目，探明类似建设工程地下水文地质情况，更加真实地测量出有地表水与地下水共同参与的水文地质形态与参数，将对江底穿越工程的设计与施工有重大的参考价值和指导意义。通过本工程应用表明，利用水文地质钻孔进行声纳渗流的探测技术，能够更为精确、高效地表示地下水文特征，效果明显。

[1]中石油管道局.西气东输三线天然气管道东段干线(吉安—福州)工程初步设计工程说明文件.

[2]谭界雄,杜国平,高大水,等.声纳探测白云水电站大坝渗漏点的应用研究.人民长江,2012(1):36-37,54.

[3]汤国毅,杜国平,王卫国,等.浅层地热能勘察和评估应用研究.地质学刊,2011(3):307-310.

Sonardetectiontechnologyintheapplicationoftheengineeringsurvey★

WangWeiguo1,2TianKaiyang1,2ShiYehui1,2DuJiajia3SongXiaofeng3

(1.Jiangsu Nanjing Geological and Prospecting Institute, Nanjing 210041， China;2.Tunnel and Underground Engineering Technology Research Center of Jiangsu Province, Nanjing 210041, China3.Nanjing Diba Engineering Technology Co., Ltd, Nanjing 210032, China)

Basedoneastsectionoftheline3of“West-EastGasTransmissionProject”practicalsituation,accordingtothesurveyrequirementsofhydro-geologicalparameterschart,theengineeringpracticewascarriedoutbythesonardetectiontechnology.Practicehasprovedthatthesonardetectiontechnologyappliedinengineeringinvestigationcanprovidetherelatedgeologicalhydrologyparametersforengineeringdesignandconstruction.

sonar,detectiontechnology,engineeringsurvey

1009-6825(2015)21-0041-02

2015-05-19★：江苏省地质矿产局科研项目(2013-科研-02)

王卫国(1974- )，男，高级工程师，注册岩土工程师

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