三维流速矢量声纳技术在地铁工程中的应用及分析

郑伟强 戴阿福 杜国平

(1.南京南大岩土工程技术有限公司，江苏 南京 210005; 2.南京市建设工程审查管理中心，江苏 南京 210000; 3.南京帝坝工程科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

“三维流速矢量声纳测量仪”是集声纳探测技术、航空定向技术、压力传导技术、水文地质计算、GPS定位、计算机模拟显示、存储、打印于一身的水流质点速度和矢量的高科技PCT专利产品。该技术是国家科学技术部重点科技成果项目，旨在通过PCT专利的高科技水文地质测量技术与世界先进的测井技术接轨，使我国水文地质测井技术的研究与应用水平跨入世界先进行列[1,2]。

本文以南京地铁某站为背景，对其三个水文地质测试孔，进行了天然流场下的地下水渗流测量，旨在为地铁站的设计、开挖和施工提供科学的现场测量数据。

1 工程概况

南京地铁该线一期工程沿线共设置17座车站，包括换乘站9处。

拟建车站起止里程约为AK10+579～AK11+109，计算站台中心里程AK11+034。车站型式为地下两层岛式，基坑开挖方式为半盖挖形式(设施工栈桥板)，车站主体底板埋深约18.5 m，端头井底板埋深约20.5 m，拟采用地下连续墙+内支撑的支护结构。

2 声纳探测

2.1 声纳探测原理

声波渗流探测技术，是利用声波在水中的优异传导特性，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，声纳探测器能够精细地测量出声波在流体中传播的大小，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之间的关系，建立连续的渗流场的水流质点流速方程。

三维流速矢量仪原理图见图1。

2.2 声纳探测计算公式

根据声纳探测原理，其计算公式为：

(1)

其中，L为声波在传感器之间传播路径的长度，m;X为传播路径的轴向分量，m;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，s;U为流体通过传感器T12,T21之间声道上平均流速，m/s；D为探头半径。

3 基本数据

测量孔的成孔孔深55 m，测孔直径70 mm；3号在交叉路口的东南角，成孔深度71 m，孔径90 mm；2号位于交叉路口的中央，成孔深度61 m，孔径70 mm。总有效测量深度181 m。测量时的水文边界条件：2011年冬季枯水期的12月20日～26日期间，渗流场的地面水系，西有长江，东北面有秦淮河环绕的天然渗流状态下，通过3个水文地质钻孔测量出中保站的地下水渗流场的流速、流向、渗透系数、渗流量、基坑排水量、温度场和电导率等地下工程需要的各种水文地质参数，见表1。

表1 测孔基础数据表

4 测量结果及分析

4.1 渗透流速测量结果

根据现场试验结果，1号孔中地下水平均渗透流速0.001 66 m/d，其渗流方向为NN15°～105°。3号孔为三个测控中最深的，该孔的平均渗透流速0.001 44 m/d，渗流方向NN50°～100°。2号孔地下水平均渗透流速0.001 53 m/d,其渗流方向为NN50°～100°；上层潜水产生的渗流量在46 m左右形成了4.57 m/h向下的垂向流速，因此由上层的潜水补给下层的含水层，其下层的微承压水的静水头高度是0.54 m，即下层承压水的高度比井孔中的混合地下水位的高度低0.54 m。

4.2 渗透系数显示结果

1)1号孔。渗透系数是工程地质应用中非常重要的水文参数，图2是1号孔的渗透系数沿孔深分布曲线，该孔最大渗透系数是1.47 m/d，最小的渗透系数是0.033 m/d，孔中的平均渗透系数是0.561 m/d。2)2号孔。图3是2号孔的渗透系数沿孔深分布曲线，该孔最大渗透系数是2.266 m/d，最小的渗透系数是0.02 m/d，孔中的平均渗透系数是0.556 m/d。3)3号孔。图4是3号孔的渗透系数沿孔深分布曲线，该孔最大渗透系数是2.13 m/d，最小的渗透系数是0.015 m/d，孔中的平均渗透系数是0.55 m/d。

4.3 电导、温度测量结果

1)电导测量结果。图5是3个孔的电导率测量结果曲线，从图中看出，三孔的平均电导值按1号、2号和3号的排序分别是344 ms，396 ms和352 ms，1号的电导值最低，3号居中，2号孔的电导值较高。但是，它们均属于同一个级别的水质，在纵剖面上看下部的水质比上部的要好。

2)温度测量结果。从图6中的温度测量数据，反映出3 m～15 m间的温度值变化较大，变化区间在18.5 ℃～21.4 ℃，以下的温度比较稳定，它们的变化曲线基本处于一个同步的变化过程中。3号孔的平均孔温稍低于另外两孔，可能是受重复洗孔的影响。

5 结语

将三维流速矢量声纳技术应用于地铁车站，得出以下结论：1)从现场三孔测量的流速场显示，各孔的地下水渗流场都是自西向东的渗流过程，各孔的断面单宽渗流量均为0.09 m2/d～0.1 m2/d左右，且其方向与三孔渗透流速大小的排序是一致的。2)三孔的平均渗透系数均在0.55 m/d～0.56 m/d左右，可根据该数据计算出基坑开挖深度范围内各土层的疏干单宽流量，综合基坑规模(200×30 m)，因此该站的基坑疏干水量为16 100 m3/d。3)电导率的测量数据显示，三孔的电导平均值较接近，但下部的电导值比上部低，下部的水质比上部的好。4)温度测量结果反映出三孔在3 m～13 m之间的温度变化较大，而在13 m以下温度变化趋于稳定，并且处于同步的变化之中。5)该地铁站的东西走向与地下水渗流的方向基本一致，即为平行于水流方向的地下建筑物，其南北两侧的水头差相对较小，主要是受动态水流的作用相对较大。