单管道洞穴系统地下水示踪理论实验研究

2021-05-21刘建刚房淑悦刘明玮计顺顺

中国煤炭地质 2021年4期

刘建刚，房淑悦，刘明玮，计顺顺

(1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211106； 2.江苏开放大学建筑工程学院，南京 210036；3.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，南京 210019)

0 引言

岩溶水野外(跨孔)示踪试验常用来说明投源点和观测点之间的水力连通关系，还可以通过观测点的示踪剂浓度历时曲线(穿透曲线)定性分析投源点和观测点之间的岩溶类型，如溶蚀裂隙、岩溶管道或暗河等。此外，还可以定性识别岩溶管道上是否存在体积较大的岩溶洞穴，且是单个洞穴还是多个洞穴[1-4]。他们都是通过观测点接收到的天然条件下的穿透曲线分析投源点与观测点之间的岩溶管道类型，并在工程实践中得到了一定的应用[5]。近年来有关作者提出了一种新的示踪理论：强迫流示踪理论。该理论用于研究岩溶洞穴体积大小的估算和形状的识别[6-7]。

就单管道洞穴系统来说，杨立铮认为示踪曲线的峰将平化，即出现一个小的平台(图1)，本文称之为峰值平台，这是定性识别管道上存在洞穴的早期且十分重要的成果。事实上，管道上的洞穴体现在示踪曲线上的峰值平台的特征(Cp、t02、T等)与示踪剂投放量、投放方式、洞穴体积大小、洞穴与投源点和观测点间的相对位置以及水力坡降大小等因素有关，是十分复杂的。本文就单管道洞穴岩溶水系统的洞穴位置、体积大小和不同水力坡降这3个因素对示踪曲线峰值平台特征的影响进行实验研究，为岩溶水资源评价和工程地质安全评价提供方法依据。

1 实验方案

单管道洞穴系统中管道直径和洞穴体积的相对大小关系也会影响示踪曲线特征，为此通过固定管道直径的大小，依次增大洞穴体积的方法来体现管道直径和洞穴体积的相对大小关系对示踪曲线的影响。实验装置的概化模型见图2。实验在河海大学地质实验室进行，2017年完成，历时半年。实验中设计管道直径5mm，用内径5mm的透明软管代替，洞穴体积分别设计为：0.15、1.5、15、30L，用相应体积大小的透明器具代替。水力坡降设计为0.01～0.05。示踪剂投放量以洞穴内最大浓度在30μg/L左右为原则，因此，各个实验中投放的示踪剂量稍有不同，但总体上量都很少。另外，洞穴位置通过控制上、下游管道长度比例实现，上游长度为1.0m，按比例控制下游管道的长度，比例按图2中L1/L2 = 0.5、1.0和2.0。在图2中，水力坡降的大小通过水源供给侧水池和观测点软管端口的高度来控制，调整供给侧水龙头的松紧程度可以使供给侧水池的水面保持不变，这样就只需要再调整观测点软管端口的高度就可以达到设计所需要的洞穴两端水位差和水力坡降。

图1 单管道洞穴系统典型示踪曲线

投源方式采用瞬时投放，在洞穴的上游端用医用注射器注射进入直径5mm的透明软管中，注射的示踪剂量各个实验不同。

图2 实验装置概化

2 示踪曲线特征分析

2.1 L1/L2 = 0.5 时的示踪曲线

示踪曲线见图3。在图3(a1)和图3(a2)中，只有洞穴体积30L的示踪曲线没有明显的峰值平台出现，而洞穴体积0.15、1.5、15L的示踪曲线都有明显的峰值平台出现，峰值平台的平均浓度(Cp)分别为27.7、23.8、25.0μg/L，平台宽度(T)分别为45、255和1 200s，平台初现时间(t02)分别为75、100、300s。在图3(b1)和图3(b2)中，洞穴体积0.15、30L的示踪曲线没有峰值平台，但洞穴体积为1.5、15L的示踪曲线有峰值平台，峰值波动不大，峰值平台的平均浓度(Cp)分别为29.3、24.1μg/L，平台宽度(T)分别为50、420s，平台初现时间(t02)分别为30、180s。在图3(c)中，所有的示踪曲线都没有峰值平台出现。

2.2 L1/L2 = 1.0 时的示踪曲线

示踪曲线见图4。在图4(a)中，洞穴体积0.15和1.5L的示踪曲线上都有明显的峰值平台，且平台峰值Cp基本稳定，平均浓度(Cp)分别为24.7、26.1μg/L，平台宽度(T)分别为30、220s，平台初现时间(t02)分别为60和80s；洞穴体积15L时，曲线尾部浓度趋近背景浓度，但其峰值Cp出现较大波动，波动值为30～95μg/L，视该波动区为“起伏状峰值平台区域”，峰值平台区域的平均浓度(Cp)为50.1μg/L，区域平宽度(T)540s，区域初现时间(t02)为180s。

在图4(b)中，洞穴体积0.15、30L的示踪曲线峰值呈尖峰状，未有明显的峰值平台出现；洞穴体积1.5、15L的示踪曲线上均有明显的峰值平台，且平台峰值Cp基本稳定，这两条曲线的峰值平台平均浓度(Cp)分别为32.8、20.7μg/L，平台宽度(T)分别为120、150s，平台初现时间(t02)分别为90、120s。

在图4(c)中，无论洞穴体积多大，示踪曲线均呈尖峰状，未有明显的峰值平台出现。由于洞穴体积30L的所有穿透曲线都不呈现明显的峰值平台，以下的分析中不再列出其曲线。

图3 L1/L2=0.5时不同水力坡降和洞穴体积的示踪曲线

2.3 L1/L2 = 2.0时的示踪曲线

示踪曲线见图5。在图5(a)中，洞穴体积0.15、1.5、15L的示踪曲线上都有明显的峰值平台，且峰值变化不大。峰值平台的平均浓度(Cp)分别为26.7、25.6、30.8μg/L，平台宽度(T)分别为30、280、45s，平台初现时间(t02)分别为45、80、75s。在图5(b)中，洞穴体积0.15L的示踪曲线峰值呈尖峰状，未有明显的峰值平台出现；洞穴体积1.5L的示踪曲线上有明显的峰值平台，且平台峰值Cp变化幅度不大，其峰值平台平均浓度(Cp)为35.7μg/L，平台宽度(T)为60s，平台初现时间(t02)为30s。洞穴体积15L的示踪曲线上有Cp明显波动的“起伏状峰值平台区域”，峰值平台区域的平均浓度(Cp)为18.9μg/L，平台宽度(T)为315s，平台初现时间(t02)为105s。在图5(c)中，无论洞穴体积多大，示踪曲线均呈尖峰状，未有明显的峰值平台出现。

总体来看，不管洞穴的位置如何，峰值平台宽度(T)呈随着洞穴体积的增大而增大趋势，但随着水力坡降的增大而减小趋势。这是符合实际的，洞穴体积越大，洞穴内的示踪剂需要更多的时间才能排出洞穴，峰值平台宽度(T)就增大。水力坡降增大时，示踪剂从洞穴内流出的时间缩短，峰值平台宽度(T)就减小。

图4 L1/L2=1.0时不同水力坡降和洞穴体积的示踪曲线

图5 L1/L2=2.0时不同水力坡降和洞穴体积的示踪曲线

对于出现“起伏状峰值平台区域”的图4(a)和图5(b)，它们的共同特点是洞穴体积均为15L，水力坡降J=0.01或0.03，L1/L2=0.5～2.0。这说明，影响形成“起伏状峰值平台区域”的首要因素是洞穴的体积，其次是水力坡降。当洞穴的体积较大，水力坡降不大的情况下，缺乏让示踪剂在洞穴内充满整个空间并均匀混合的水动力条件，容易在洞穴体积内形成2个或2个以上的示踪剂扩散区(图6a)，导致示踪曲线在“起伏状峰值平台区域”内出现2个或2个以上的峰或谷。当水力坡降较大时，水流及其示踪剂在洞穴内以较快的速度并在洞穴的局部空间内通过，使示踪曲线的“起伏状峰值平台区域”消失，并以尖峰状单峰曲线呈现(图6b)。