基于示踪连通试验和流速测试的地下连续墙渗漏研究

李奇涛，田 野，董海洲，张玉鑫，程梦龙

（1. 中交隧道工程局有限公司，北京 100102；2. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210024）

1 引言

地铁车站地下连续墙施工及基坑开挖过程中，地下水渗漏会对其造成不利影响[1-3]。渗漏水处理不当会导致泥沙流失出现空洞或造成周围地层地下水位下降，引起地面沉降，进而影响基坑稳定，危及施工安全。示踪连通试验可用来确定地层不同位置的水力联系，判断地下水渗漏来源，在水库[4-5]、基坑[6]、矿井[7]、隧道[8]、岩溶[9-10]等工程地下水渗漏研究都得到了应用。钻孔示踪流速测试可以测定地层中地下水的渗透流速，相关探测理论和技术也得到大量的研究和应用[11-13]。这2种探测方法都是进行地下水渗流调查的有力工具，但在地下连续墙渗流研究中应用示踪连通试验较多，同时进行流速测试很少，也就是很少把两者结合起来进行应用。实际上，在进行示踪连通试验时，需要在基坑外钻孔中投放示踪剂，然后在基坑内抽水孔中观测是否有示踪剂渗流过来，以此判断地下连续墙的渗漏位置。而在此过程中，也可以同时监测坑外钻孔中的示踪剂浓度变化，据此计算孔中地下水的渗透流速。

本文基于现场示踪连通试验，结合流速测试结果进行对比分析，以某地铁车站地下连续墙为例，对地下连续墙是否存在渗漏隐患以及渗漏部位、深度等进行研究，并提出防渗处理建议。提出的示踪连通试验和流速测试相结合的测量方法可应用于类似工程。

2 工程概况

某地铁车站为地下两层岛式站，车站长283.6 m，标准段宽20.7 m，站台宽12 m，采用两层双柱三跨框架结构。该地铁车站地下连续墙中有一幅墙体在浇筑过程中出现欠方情况，墙身存在渗漏隐患，在后期基坑开挖时可能会出现涌水涌砂等渗漏问题，故需开展地下水渗漏探测研究。

本文中地下水渗漏探测深度为深度23 m以上地层，研究区域地基土属第四纪冲湖积相、海陆交互相及冲湖相沉积物，主要由黏性土、粉土及沙土组成，一般呈水平向分布。该地区地下水类型主要为松散岩类孔隙水，按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水含水层、微承压水含水层及承压水含水层。与本次研究区域密切相关的含水层为潜水含水层、浅部微承压含水层以及中部、深部承压含水层，其中，潜水稳定埋深为1.3～2.4 m，微承压水埋深为1.01 m，绝对标高为1.04 m。

3 示踪连通试验

示踪连通试验指在含水层上游某渗漏点投入适量示踪剂，并在其下游检测孔或出水点处进行连续检测，得到示踪剂时间-浓度曲线，根据检测到的示踪曲线变化规律，综合分析地下水渗流场特征，以分析地下水的补给来源。

地层中若存在集中渗漏问题，往往呈现若干支流汇流至主渗漏通道，然后再分散为若干支流的现象，如图1所示。地下水的渗流路径可进一步简化如图2所示。

示踪连通试验的示踪剂投放可假定将示踪剂投放在上游某支流中，然后在下游支流中接收。投放方式分为2类，即瞬时投放和持续投放[14]。瞬时投放指在某一时刻投放示踪剂，在接收点监测示踪剂浓度并得到“峰状”浓度-时间曲线如图3所示；持续投放则指在某一时间段内持续向钻孔内投放示踪剂，而其接收点监测所得浓度-时间曲线如图4所示。根据示踪连通试验所得示踪剂浓度-时间曲线，便可确定两点之间的水力联系，查明渗流途径，判断渗漏通道。

4 钻孔流速测试

在钻孔中可以投放示踪剂进行地下水流速测试，其基本原理是孔中均匀投放示踪剂后，其浓度会被地下水渗流所稀释且稀释速度与地下水流速相关，监测示踪剂浓度的变化就可以计算出地下水的渗透流速。如图5所示，在对应有地下水渗流的含水层部位，孔中示踪剂浓度受水流稀释作用而下降较快，所计算出的流速也较大，而隔水层部位的流速则较小。这种测试方法可以在单个钻孔中进行，故称为单孔稀释法。

示踪剂浓度稀释与地下水流速呈指数关系，由此可得到含水层渗透流速为[15]：

式（1）中，Vf为渗透流速，即含水层中达西渗透流速；r为滤水管内半径；C1、C2分别为测量时间t1、t2时示踪剂浓度；Δt=t1-t2；α为因滤水管在含水层中的存在引起流场畸变的校正系数，通常取值为2。

5 现场试验

5.1 钻孔布设

本次试验在研究区域共设置5个钻孔（1个抽水孔C1和4个观测孔G1～G4），钻孔具体布设位置见图6（待检测地下连续墙编号为WQ1-36）。其中，抽水孔设于基坑内部，距地下连续墙内边缘2 m。观测孔均平行布设在基坑外侧，观测孔1、观测孔2及观测孔3孔中心位置距地下连续墙外边缘2 m，观测孔4距地下连续墙外边缘3 m；两侧钻孔（观测孔1、观测孔3）距地下连续墙两端各1 m，观测孔2对应该幅地下连续墙中心位置。

5.2 示踪剂选择

考虑到研究区域周边环境及场地地下水环境背景值等因素，现场试验选用饱和食盐水作为示踪剂，应用单孔稀释法进行孔内地下水流速测定，同时孔内所投放的食盐亦可用来进行观测孔与抽水孔之间的连通试验。

5.3 试验方法

本次研究依次向4个观测孔内投入示踪剂，间隔一段时间后对观测孔及抽水孔进行连续观测，并记录示踪剂浓度变化情况，得到各孔示踪剂时间-浓度曲线。示踪剂投放方法为：将示踪剂与水混合并充分搅拌，待其充分溶解后投放至各孔中。

现场共进行了2个阶段试验，第一阶段试验于2021年1月24日开始，至2021年1月29日结束；第二阶段试验于2021年3月10日开始，至2021年3月16日结束。阶段试验期间均对抽水孔进行抽水作业。

5.4 结果与分析

在第一阶段和第二阶段初期现场示踪试验中，根据测量所得的4个观测孔的温度、电导率以及流速测试结果发现，观测孔1及观测孔2内地下水流速较快，而观测孔3及观测孔4内流速则相对较慢，说明观测孔1和观测孔2所处位置地下水渗流较快，地下连续墙隐患部位更靠近观测孔1及观测孔2，图7和图8分别为2个阶段各孔流速对比图。投放示踪剂后，在观测孔-4 m至-6 m高程段存在较大的示踪剂浓度变化，且该段流速也相对较大，说明地下连续墙缺陷位置位于该段的可能性较大。

由上述结果判断观测孔1和观测孔2处于基坑外部向基坑内部的渗漏通道上，故着重观测这2个观测孔与抽水孔之间的示踪连通试验情况。在2021年3月13日至16日抽水试验期间，抽水孔表层地下水电导率随时间变化曲线如图9所示。从图中可以看出，孔内地下水电导率有2处明显的增高过程（见图中椭圆区域），而这2 次电导率增大的原因分别对应2次事件：①3月14日9 : 55至10 : 14分别向观测孔1及观测孔2内投放食盐水，对应了左侧椭圆区域内的增高过程；②3月15日11 : 08至11 : 17在观测孔1和观测孔2中注水，后于14 : 37至14 : 41时间段内向观测孔1内注水，对应右侧椭圆区域内的增高过程。该电导率变化曲线表明观测孔与抽水孔之间存在水力联系，且由于2次电导率增高过程发生在抽水孔表层，故推测观测孔内的食盐水不可能经由地下连续墙底部绕渗至抽水孔内，其只可能是穿越地下连续墙上部缺陷位置渗流至抽水孔中。

与此同时，根据流速测试结果，观测孔内流速较大的孔段位于高程 -6 m附近，而抽水孔中含有盐分的地下水入渗位置高于抽水后的抽水孔水位，即其是从孔壁入渗后流入抽水孔内地下水的表层，造成抽水孔表层电导率的升高，其渗流路径如图10所示。

从图9中还可以看出，抽水孔内地下水电导率的增高幅度较小，说明地下连续墙虽然存在渗漏缺陷，但在基坑尚未进行大规模降水的情况下，其渗漏还是比较微弱的。然而，在后期基坑开挖降水的过程中，随着时间的延长及在基坑外部高水头压力的作用下，该渗漏通道可能会进一步发展，其渗透性会有所增强，故建议在基坑开挖降水前对该幅地下连续墙采用旋喷桩等方式进行防渗加固处理。

6 结论

本文基于现场示踪连通试验，通过对比分析各示踪参数，对地下连续墙是否存在渗漏隐患以及渗漏部位、深度等进行深入研究，并得到以下结论。

（1）由单孔稀释法所测各孔流速探测结果可以看出：观测孔1与观测孔2流速相对较高，观测孔3及观测孔4流速相对较慢，说明观测孔1和观测孔2所处位置地下水渗流较快，其更靠近地下连续墙缺陷处。

（2）投放示踪剂后，在观测孔-4 m至-6 m高程段存在较大的流速，说明地下连续墙缺陷位置位于-4 m至-6 m高程段的可能性较大。

（3）示踪连通试验结果表明，向观测孔中投入食盐后，抽水期间在抽水孔表层测出了较高的电导率，表明有地下水从观测孔穿透地下连续墙渗入抽水孔；且抽水孔中含有盐分的地下水入渗位置高于抽水后的抽水孔水位，即从孔壁入渗后流入孔中地下水的表层，造成抽水孔表层电导率升高。

（4）抽水孔内地下水电导率增高的幅度较小，说明地下连续墙虽存在渗漏缺陷，但在目前基坑尚未大规模降水的条件下，其渗漏比较微弱，但基坑开挖降水后渗漏量可能增大，故需要进行防渗处理。