自动化示踪技术在岩体水文地质研究中的应用

张培兴，曹聪慧，吴 云

(1.河北经贸大学管理科学与工程学院，河北石家庄050061；2.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210093)

0 引 言

水资源作为人类社会生存发展过程中的一柄“双刃剑”，其综合开发利用与防治越来越受到重视[1- 4]。尤其是在基岩裂隙发育地区，潜在水源可能分布于地下各向异性特征极强的不同尺度裂隙中，致使水资源的综合开发利用与水害的防治难度越来越大，这就在一定程度上促进了相关技术手段的出现。其中，示踪技术作为最能直接了解和研究岩体裂隙结构中水的运移特征，并可进一步揭示渗流规律的有力技术而得以发展与普及[5- 6]。

传统的人工示踪方案以取回的样品为主要室内测试对象，但由于取样过程中人为操作导致样品污染，以及运输过程中浓度降低造成结果失真的情况时有发生，导致试验失败的概率增加，其局限性也日显突出[7- 9]，这就促使研究人员不得不思考研发新技术。

近年来，自动化示踪技术以其高精度、结果不易受环境影响以及实时监测反馈等特点，被广泛应用于岩体渗流的研究与应用领域。其中，尤以在民生找水、环境评价及防灾治理等方面最为广泛。

1 设备构成、原理、配套软件及特点

本文所述的自动化示踪技术亦称为在线示踪技术，最早是由瑞士的纳沙泰尔大学水文地质研究所提出并研制的[10]，能在一定程度上避免传统示踪试验人工取样中人为对样品的污染，也避免了样品在运移过程中因浓度降低而造成的数据失真，最大限度地避免错失一些重要信号细节。

自动化示踪技术经过多年的使用与改良，现已发展为针对岩溶管道的GGUN-FL30型、钻孔用的GGUN-FL24型及GGUN-FL22型等。设备、工作原理及配套软件见图1。

图1 设备、工作原理及配套软件

(1)设备基本构成。整套设备包括数据记录器终端、线缆及探头。仪器最核心的部分是光学探头，它由位于2个不同水平位置、4个垂直的轴上的灯和 3个光学(FL22为2个)监测器组成，每个轴都装备有激发点和探测点过滤器和光学镜头，根据环境和监测目的，选择恰当的示踪剂与之配套的探头。

(2)基本原理。当带有示踪液的水流通过示踪仪内荧光光度计的光学孔(1个玻璃的圆柱)时，这些灯依次打开与关闭，可同时测量3个独立示踪剂信号和水的浊度信号。由于吸收光光强与荧光素的浓度成反比，继而可根据标准函数计算出示踪剂的浓度(软件自动完成浓度计算)。

(3)配套软件。当数据记录器通过RS232接口与电脑终端相连后，研究人员可在电脑终端利用界面友好型软件实现自动化监测浊度、示踪剂浓度变化，可实时观察不同示踪剂浓度的曲线变化特征，便于现场决策。

(4)主要特点。可同时检测3种示踪液(罗丹明、荧光素钠及荧光增白剂)以及水质的浊度信号；根据研究地质体的尺度合理选择采样频率(2～900 s不等，在信号接收器终端设定)；其精度高，检测时理论上可达0.02 ppb；可连接电脑实现自动化的实时读取数据，还可在无人值守的情况下，数据记录器能将捕获的数据(可并行实现4组×60 000个)完整保存在1张存储卡，方便研究人员日后查阅。

2 研究现状

该技术最初由西南大学率先引入国内，第一次成功应用于岩溶槽谷地下水的示踪研究中[11]，自此，中国地质大学、中国地质科学院岩溶地质研究所等单位相继引进该技术。2010年以后，此技术的应用则更为广泛与深入，其配套的解译软件得以开发与普及，现已较为成熟地应用于岩溶区找水、坝基渗漏检测、污染源追踪及隧道灾害防治等方面，主要集中在西南、华南岩溶发育区域，为广大岩溶区的民生用水、经济发展及生态保护等方面提供了大量技术支持；2014年起，作者等初步将该设备引入至高放废物处置库预选区岩体低渗介质渗透性能评价研究中，尤其针对预选区内不同尺度结构面的渗透性测定开展了仪器改进及原位测试工作。

2.1 找水

自20世纪80年代起，示踪试验逐渐发展成为我国西南岩溶地区岩溶地下河最主要的水文地质调查方法之一，但长期依靠传统的采样方法，效率低下，给找水工作带来了不少困难。为解决岩溶区生活用水难的实际问题，西南大学等研究单位引入自动化监测技术，从起初的连通性调查逐渐向地下河水力参数与管道结构的定量研究发展。同时，在示踪剂类型的选择、监测方式等方面不断取得创新成果，进而为找水工作提供了详尽的理论指导和实践经验。如陈雪彬等[12]根据在青木关岩溶地下河试验所获的数据，以经验公式估算得到地下河平均流速、雷诺数、施密特数及摩擦系数等水文地质参数，实现了对地下暗河管道的定量化研究；徐尚全等[13]根据穿透曲线，判断出了暗河的发育规模和溶道数量；吕全标等[14]利用示踪技术搭配抽水试验，获得了研究区的渗透张量和岩溶含水介质的结构特征和水力特性参数。

2.2 环境评价

伴随找水的同时，又给研究人员提出了更高的要求，即水源的品质。通过该技术可大区域识别出可能的储运通道，在获取示踪曲线后，分析通道介质的几何信息和畅通性等，进一步追索出污染物运移模式以及污染物的来源及影响范围，可为区域地下污水治理提供必要的参考数据。如于正良等[15]通过在重庆黔江区鱼泉坎的示踪试验，判识出了岩溶泉污染存在的可能性，并给出对污染源周边可能汇水通道做必要的防渗处理甚至勒令关闭的建议。

2.3 水库渗漏

水库由于建设过程中无法完全规避岩体中潜在的裂隙，库区建设完成后，随着时间推移，由于巨大的水压存在，裂隙可能进一步扩展或发育完善成为贯通通道，进而可能给工程造成危害，这就需要后续检测并做必要的修补。研究者们已通过包括该技术在内的多种示踪思路，可以判识出损伤区类型、位置、规模及连通性等信息，检验岩体裂隙通道、坝体本身及注浆帷幕等防渗性能，进而评估可能存在的渗漏问题，提供了有无必要加固的具体建议等[16- 18]。实例证明，利用该技术的成熟的软硬件体系，能为水库成库条件、防渗设计及建设投产安全评估等提供参考意见。

2.4 灾害防治

我国是一个地质条件相当复杂的国家，随着经济发展，工程建设不断开展，各类施工灾害显著增加。其中，在岩溶区修建隧道时，常常会碰到岩溶腔体突水、突泥[19]，甚至有时还会遭遇到大型暗河。如若隧道修建在暗河之下，加之隧道开挖扰动，会造成严重的隧道突水突泥事故，如宜万铁路齐岳山隧道[20- 21]。自动化示踪技术已被用于识别及评价岩体中主要致灾构造类型及危害程度等，效果良好。如技术人员在对湖北齐岳山隧道、钟家山隧道的勘察中充分利用自动化示踪技术对可能的岩溶腔体以及暗河发育的规模、程度及汇水面积等进行了评估[22- 23]，判识出了隧址区岩溶地下水潜在的流向、空间渗透主方向、汇水储水的位置及隧道标高设计等；Zhang等[24]在分析示踪数据基础上，揭示了利万高速齐岳山隧道岩溶管道空间的发育机理，并配以构造解译，考虑了隧道与地下暗河空间相对位置关系，给出了标高选择建议。目前，该技术已被广泛用于隧道的岩溶水调查中，为隧道开挖建设过程中灾害有效控制提供了有益参考。

2.5 低渗透裂隙岩体的渗流特性探究

对于上述良好导水岩体而言，其应用已经相当成熟。然而，面对低渗透岩体的内部多尺度结构面的渗透特性研究，尤其是在类似高放废物处置库预选区岩体内广布的结构面的渗透性能精细化评价方面，其本身应用效果及价值在该岩体内的使用效果尚无从知晓，因此该技术相关应用鲜有报道。

作者通过多次资料收集与反复室内试验测试，于2014年底尝试将该技术引入到某低渗透岩体试验场址区的渗透特性评价过程中。通过一定的测试应用总结认为，若能在一定数字化地质识别与划分的前提下，辅以更多样的水文测试手段[25- 26]，利用该技术能够有效判识断裂的影响带导-阻水特性，不同性质节理的运移机制、优势渗流路径、渗透系数等参数。如张培兴等[27]利用示踪仪查明了某花岗岩预选场址边界断裂空间渗透方向上存在一定的变异性，宏观上，走向渗透系数相较横向大约2倍。初步研究认为，该断裂试验段核部存在核心阻水区域，致使断裂横向上导水性较差，获得了某一露头处断裂影响带的渗透特性演化规律。面对低渗透裂隙钻孔中静水问题或深孔封段内的示踪液可能存在的延迟问题，致使测试速度等参数出现几倍甚至更大的误差，张培兴和李晓昭[28]针对深部岩体内示踪不可见性，研发了方便拆卸的模块化装置(水驱模块、可视化模块)，见图2，这在一定程度上提高了测试精细化与结果的准确性。后续研究中还可在现场原位试验工况下，研发配套装置，探究裂隙内不同运移方向上的弥散度、吸附性等参数，进而为更加客观评估岩体中裂隙的核素迁移行为提供更多参数。

图2 针对低渗透裂隙研发的模块化装置与试验效果

3 存在的问题及对策

3.1 存在的问题

目前，自动化示踪技术的应用成果正逐渐增多，涉及的领域变广，但同时也显现出一些问题：①预判的路径存在人为想象，有时不切实际，甚至导致测试结果不可采用；②为赶工，现场实际测试过程中仍然是以某单一手段为主，导致解的不确定性或多解性产生；③数据零散，缺乏统一性，没有数据库与专家库可供咨询，成果分享性差；④缺乏完善的标准、规程等资料可供直接参考，相关仪器引进后，商家与顾客无法做到及时沟通与交流，主要靠后期顾客个人摸索为主。

图3 精细化示踪试验方案流程

3.2 对策

3.2.1结构精细识别

Hjerne等[29]在瑞典著名的高放废物处置库工程Aspö硬岩实验室的TRUE项目中，开展了多尺度的长期核素迁移示踪试验，对于多尺度结构面研究认为，要想获取水文地质参数仍然存在诸多技术挑战，且节理系统路径不清的困难一直存在，并建议应加强被测介质空间结构的准确刻画；周志芳等[30]、林统等[31]通过系统研究，亦指出在裂隙中示踪液未必能沿既定路线到达接收孔，存在绕流的情况，有限的钻孔无法侦测到示踪信号；张培兴等[27]在试验时发现，面对覆盖层下的随机分布的小尺度裂隙，运移路径更加难以预判，高精度示踪技术也无法有效接受到信号，并初步指出，多源勘测识别方法可有效提高示踪试验的准确性。

不论何种类型岩体裂隙，其空间变异性是普遍存在的，无法完全避免主观意识，但刻画过于粗糙或干脆简化，则会造成研究对象的渗流规律与实际存在差距。因此，立足问题，从宏观-细观角度同步出发，如考虑地形地貌条件下，选用低空无人机[32](精度高、大区域快速覆盖，适合平缓地形上裂隙识别，可获取数字化三维地形产品)、地面摄影测量(精度高，适合陡坡裂隙识别)、高精度物探(如利用高密度电阻率法解剖断层与裂隙发育规模特征)及钻探[33](钻孔电视识别裂隙)等多源技术集成化的参数提取，做到全方位识别，随后利用如GIS平台等，可将数据高精度三维数字化再现。基于以上产品解译分析后，制定更加具有针对性的试验方案，可进一步提高和预测模型的准确度。为此，作者初步建立了综合识别-精细化水文试验方案流程思路，见图3[27]。

3.2.2加强多源的技术的融合

加强引入诸如精密化的抽压水试压、水化学元素测试、温度示踪、同位素示踪、三维声呐技术及微水震荡法等其他技术方法的融合应用，建立更加完善的多源化、体系化试验技术思路，避免多解问题的出现，确保被测地体的数据获取更加丰富，数据间相互验证，使评价更加客观。

3.2.3建立典型共享型案例库

相关各单位可将数据进行有机整合，实现链条化、大数据化，资源云共享后，通过专家分析提炼出更深层次的结论，反馈给相关技术人员，同时注意多方借鉴，吸收国外最新成果经验，在交流探讨过程中，逐步完善数据库中的各项资源，最终搭建与完善共享型案例库。

3.2.4建立与完善相关规程

目前，现行的规范标准并未完全建立与完善，工程技术人员仅能靠有限的学习资料，对仪器的具体操作一知半解。由于人员水平参差不齐，不规范化的仪器操作，还会致使精密仪器出现不必要的故障。亟需逐步完善测试规程，编订出台详实的操作手册，制定详细的培训章程和开设实践为主的培训课程等。

4 结 论

自动化程度更高的示踪技术已逐渐成为21世纪我国岩土水文工程勘测发展的必然方向之一，相关研究的开展也展现出了该技术具有一定的发展潜力，而由于使用和接触时间相较过短，其积极意义并没有完全被普遍接受。受使用者水平与研究对象的复杂程度等影响，全面标准化实施还存在诸多困难。因此，利用的思路、深度和规模远没有达到西方发达国家的水平。

本文所提及的低渗透特性岩体示踪试验可以说是围绕国家高放废物处置工程实际需要开展的较新研究工作。通过作者前期初步的原位成功应用可见，该技术在不可见的低渗透介质方面的渗透特性评估方面值得开展更深层次的理论研究与技术研发。伴随着高放废物处置库区的前期勘察与建设陆续开展，岩体内部不同尺度结构面渗透特性参数获取应考虑借助新的技术手段，是一个亟待投入更多精力的研究方向。

在有效识别的前提下，岩土体的渗透性测试结果更为准确，因此如何实现识别技术与测试技术配套使用以及形成参考标准，则需要更深层次的思考。

相关技术人员应更加积极学习借鉴发达国家既有的先进应用经验，从生态环境保护和建设节约的思想高度出发，进行相关技术手段的标准建立与完善，并结合自身特点，最终探索出一条与我国经济、文化和环境发展相适应的“自动化高、精度高、集成度高”的勘测之路。