示踪试验在隧道涌水与断层水力联系调查中的应用——以江西萍乡钟家山为例

张湘文，王涛，程胜高

（中国地质大学(武汉)环境学院，武汉 430074）

在隧道工程、地下工程建设过程中，由于很多地区水文地质条件复杂，地下工程突水灾害时有发生，造成人员伤亡和财产损失。据统计，每年突涌水灾害造成的人员伤亡和财产损失仅次于煤瓦斯灾害［1］。在突涌水灾害治理过程中，查明地下水来源、补给方式及区域断层水力联系是治理的关键。本文以江西萍乡钟家山隧道突涌水事件为例，将区域水文地质调查中常用的水文示踪试验方法，引入到小区域的地下突水治理工程中。该类水文示踪试验同传统示踪试验相比，具有显著区别性:(1)试验区域较小，通常限定在涌水工程治理区域内，基本不涉及多个水文地质单元;(2)靠近涌水区域，地下水流速较快，示踪剂投放与出现时间间隔较短，且示踪剂浓度曲线区别明显;(3)示踪剂浓度峰值持续时间较短，示踪剂在岩体内部留存时间较短;(4)示踪剂主要沿对涌水起控制作用的裂隙或岩溶主管道运行，与孔隙介质的示踪剂运移规律存在显著区别。［2］

1 区域概况

钟家山隧道区域范围50 km2内地层，有泥盆系上统佘田桥组(D3s)与石炭系下统大塘阶测水组呈不整合接触，缺失了石炭系中上统地层及石炭系下统大塘阶石磴子组(C1d1)地层。石炭系下统大塘阶测水组(C1d2)分布于区域西北部以及禾水河北侧一带。据前期物探、钻探揭露情况，隧址区发育有F1、F2、F3、F4、F5等断裂。钟家山隧道水文地质图及其纵剖面图如图1、图2所示。

图1 钟家山隧道水文地质图Fig.1 Hydrogeologicalmap of Zhongjia Mountain Tunnel

区域主要含水岩组可分为孔隙含水岩组、基岩裂隙含水岩组及岩溶含水岩组。孔隙含水岩组地下水主要赋存于第四系残坡积层以及禾水河两侧冲洪积层中，其富水性直接受大气降水的控制:雨季补给充足，则孔隙水较多;而在旱季蒸发量大于补给量，孔隙水较少，局部甚至枯竭。基岩裂隙含水岩组分布于调查区大部分区域，地下水主要赋存于泥盆系和石炭系砂页岩风化裂隙和构造裂隙中，按其成因可分为风化裂隙水和构造裂隙水，含水岩组的富水性与导水性主要与岩性、风化裂隙及构造裂隙的发育程度相关。岩溶裂隙含水岩主要赋存于石炭系大塘阶测水组的灰岩中，灰岩中溶蚀孔隙、溶孔及溶洞发育，尤以灰岩与第四系接触部位溶蚀现象较为发育，地下水主要赋存于浅层溶蚀孔隙中，其补给量受上覆第四系黏土层影响，含水层富水性一般［3-5］。

图2 钟家山隧道水文地质纵剖面图Fig.2 Hydrogeological cross section of Zhongjia Mountain Tunnel

2 地下水示踪试验方法及过程

本次示踪试验共4组，分2次进行:同一次试验过程中选择的示踪剂互不干扰，监测的对象均为隧道内的涌水，第一次试验投放点均在溪沟内进行，目的是弄清隧道内涌水与溪沟水的关系及连通性;第二次试验的投放点均在钻孔内进行，目的是弄清隧道突水突泥后地下水的流场分布，并借此推断某些破碎带和断层的导水性。

2.1 示踪剂的选择

示踪剂的选择原则: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，灵敏度高，且成本相对较低［6-7］。

根据区域水文地质调查情况，结合以往的示踪试验经验，并考虑当地的饮用水安全及经济、技术条件因素［8-11］，本次示踪试验采用荧光素钠、荧光增白剂、罗丹明，这3种示踪剂均为荧光剂。示踪试验点分布如图3所示。

2.2 示踪试验投放点的选择

第一次示踪试验投放点位于F5断层主沟和水文钻孔ZK-12旁溪沟下游200 m处;第二次示踪试验投放点位于水文地质钻孔SK2和水文地质钻孔SK4处。投放点概况见表1。

图3 示踪试验点分布图Fig.3 Distribution map of tracer test points

2.3 示踪试验接收点的选择

第一次示踪试验接收点位于出口右洞掌子面附近涌水点和进口右洞掌子面附近涌水点;第二次示踪试验接收点位于出口右洞掌子面附近涌水点和进口右洞隧道口处。接收点概况见表2。

2.4 监测使用仪器

本次示踪监测仪器使用GGUN-FL30野外地下水示踪仪，自动化程度高，能够实现在线连续监测，并且精度高，不易受到污染。本次检测每10 s自动记录一组数据，记录数据组数10 246组。

表1 投放点概况Table 1 List of tracer recharge points

表2 接收点概况Table 2 List of tracer receiving points

3 地下水示踪试验结果及分析

3.1 第一次试验

投放点位于F5断层主沟(见图3 T1)和钻孔ZK-12旁溪沟下游200 m处(见图3 T2)。

3.1.1 右洞出口(S1)

根据示踪试验监测数据，将不符合实际的数据剔除，绘制示踪剂浓度-时间动态变化曲线(本文时间采用24小时制)，结果如图4所示。

图4 右洞出口示踪试验动态曲线(2013-01-27—2013-04-16)Fig.4 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

从图4可以看出，从1月27日10∶00在F5断层主沟投放荧光素钠，在钻孔ZK12旁溪沟下游投放荧光增白剂，截至3月1日，出口右洞段掌子面监测点处一直未检测到示踪剂;从3月1日开始至4月3日，仪器检测的荧光增白剂数次高出背景值，特别是3月6日、7日、15日、16日、30日前后几日均出现峰值，分析认为是投放的荧光增白剂从不同的裂隙通道在不同的时间到达了监测点。

对于荧光素钠，观测浓度值一直处于背景值附近，分析认为在试验时间段内，在F5断层主沟投放的荧光素钠没有到达出口右洞涌水点。

3.1.2 右洞进口(S3)

根据示踪试验数据，绘制示踪剂浓度-时间动态变化曲线图，结果如图5所示。

自1月26日16∶00截止到3月9日14∶00，该监测点均未检测到荧光素钠。荧光增白剂投放10天之后，于2月5日开始检测到并持续到2月22日，2月8日至2月20日保持较高峰值。分析认为是投放的荧光增白剂从不同的裂隙通道在不同的时间到达了监测点。

图5 右洞进口示踪监测动态曲线(2013-01-26—2013-03-09)Fig.5 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

3.2 第二次试验

投放点位于水文地质钻孔SK2(见图3 T3)和水文地质钻孔SK4处(见图3 T4)。

3.2.1 右洞出口(S1)

根据示踪试验检测数据，绘制该监测点示踪剂浓度-时间动态变化曲线，结果如图6所示。

图6 右洞出口示踪监测动态曲线(2013-04-08—2013-04-16)Fig.6 Tracer concentration curve at right tunnel outlet

从图6可以看出，自4月08日在水文孔SK4投放荧光素钠，在水文孔SK2投放罗丹明开始，罗丹明的含量虽然有一定的升高，但同时浊度也在升高，两者吻合性较好。在使用的这几种示踪剂中，罗丹明受所检测水浊度的影响较大，或者说一定程度上会呈现正相关性，而且罗丹明含量的增加幅度并不是很大，因此我们认为，本次试验中该检测点没有检测到罗丹明。对于荧光素钠，监测期间其值一直稳定在背景值，因此该监测点也没有检测到荧光素钠。

3.2.2 右洞进口(S2)

图7 右洞进口隧道口示踪监测动态曲线(2013-04-10—2013-04-16)Fig.7 Tracer concentration curve at right tunnel entrance

根据示踪试验数据，绘制示踪剂浓度-时间动态变化曲线，结果如图7所示。从图7中可以看出，自4月10日在水文孔SK4投放荧光素钠、在水文孔SK2投放罗丹明开始，截止到4月14日，在此期间曲线一直处于平直状态，4月13日由于隧道施工人员挪动仪?器，导致监测的浊度和罗丹明含量突然下降，但不影响对试验结果的分析，可以认为在此之后的一段时间测得的值为背景值。从图中可以看出，在4月14日、15日，罗丹明含量出现峰值，最高值超过10 ppb，高于背景值(2.5 ppb)。因此，分析认为该监测点检测到了罗丹明。同时荧光素钠也出现了峰值，分析认为该监测点检测到了荧光素钠。

4 结论

(1)在钻孔ZK-12旁溪沟下游投放荧光增白剂，10天后即在进洞口塌陷点处检测到示踪剂，说明风化破碎岩带导水，是隧洞进洞口突水的一个通道。SK2钻孔处进行的罗丹明示踪试验，进洞口处在6～7天后即检测到示踪剂，说明F2断层破碎带的导水性较好，是进洞口塌陷的一个补水通道。针对F5断层进行示踪试验，在F5断层带的溪沟上人工修筑小水池，投入荧光素钠示踪剂，并在隧道进出口的工作面进行检测，经过近三个月的时间，示踪剂没有监测出来，说明F5断层导水性较差。

(2)两次示踪试验表明，出口右侧突水补给源主要来自钻孔ZK12旁溪沟水下渗作用，而出口左侧突水补给源较多，ZK12旁溪沟水、SK2、SK4处地下水均为左侧突水补给源，而断层F2导水性良好，是出口左侧突水的重要径流通道。

(3)示踪连通试验对于确定地下水径流通道、断层导水性质起到重要作用。采用示踪试验，在隧道突水区域利用自然形成的疏降流场，能够加速示踪剂在含水层中的迁移，也能够使示踪连通试验达到预期目的。

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