单井同位素示踪法测定水文地质参数在武汉长江隧道工程中的应用

单井同位素示踪法测定水文地质参数在武汉长江隧道工程中的应用2003年第2期勘察科学技术39单井同位素示踪法测定水文地质参数在武汉长江隧道工程中的应用张彬王钊李大毛韩庆之(1•武汉大学土木建筑工程学院武汉市4300722.中冶集团武汉勘察研究总院武汉市4300803.中国地质大学工程学院武汉市430074)提要水文地质参数是过江隧道设计与施工屮的一项重要参数，文章从测试原理，测试方法，测试成果以及参数计算等方面，详细介绍了单井同位素示踪法在武汉长江隧道水文地质参数测定中的应用•该法能准确，快速地测定地下水的渗透流向，流速，垂向流速流向等参数，确定地下水的补，径，排关系•理想的测试结果表明,它是一种具有广阔应用前景的测试技术.关键词长江隧道同位素示踪水文地质参数流向流速ApplicationofSingleWelllsotopeTracingMethodforMeasuringtheHydrogeologicalParameterstoWuhanYangtzeRiverTunnelProjectZhangBinWangZhaoUOalT〜O2HanQingzhi3(l.SchoolofCivilEngineering.WuhanUniversity2.WuhangCentralInstituteofGeotechnicalInvestigation,ChinaMetallurigicalConstrutionGroup3.Engineeringcollege,ClaimUniversityof-inces)AbstractHydrogeologiealparameterisoneoftheimportantparametersinthedesignandconstructionofunderwatertunnel.Basedonthetesdngprincipleandmethod,testingresultandparameterscalculation etc.5theapplicationofsinglewellisotopem|cilmethodformeasuringhydrogeologicalparameterstoWuhanYangtzeRivertunnelprojectisexpoundedinthearticle.Thevelocityanddirectionofgroundwatercanbemeasuredaccuratelyandquicklybythemethod.Moreover,theconnectionofsupply,runoffanddlllageofgroundwatercanbedetermined.Satisfactoryresultshowsthetechniquehasdeapplicationforeground.KeywordsYantzeRivertunnelproject;isotopetracing;hydrogeologicalparameters;directionofgroundwater;velocityofgroundwater1引言伴随着经济的飞速发展，城市建设日新月异；然而,交通拥挤问题却成为制约城市发展的”瓶颈”因素.在诸如:武汉，南京，上海等沿江特大城市，因江河的阻隔上述问题显得尤为突出，因而这些城市纷纷立项修建过江隧道•继拥有”万里长江第一桥”之后，武汉又将立项修建”万里长江第一隧道”.拟建的武汉长江隧道（含地铁）工程作者简介:张彬，男,1974年生，博士研究生.主耍从事地基处理及基坑工程，土工数值模拟等方面的研究工作.收稿日期:2002-11—15地理上位于武汉长江一桥，二桥之间，武汉港附近•隧道北起汉口黄石路,越江至武昌三层楼附近，在武青三干道疏解，全长3609m.其中长江水底段拟采用预制沉埋管结构，长约1380m,沉管断面34.9mX8.65m,设两个汽车孔道和一个地铁孔道•隧道沉管将埋设于现代沉积砂，粉细砂及中粗砂中.查明区内地下水的流速及流向等水文地质参数，对于预测隧道的施工期及评价隧道的工后稳定性与渗透特性尤为必要•着采用传统的抽水试验，在长江水深高达17.0m,流 速达1.8m/s的环境下，即费时又费钱，且难于实施•单井同位素示踪测井，是近年来国际上发展较快的一种快速,勘察科学技术2003年第2期经济，准确，高效的水文地质测井新方法,在武汉长江隧道（河床段）水文地质参数测定中首次在高流速，大水深环境下采用该法，并取得了令人满意的效果h,2]・2水文地质条件概况武汉市区地貌总体属丘陵一平原地貌类型，长江隧道通过的地段基本上为平原区的I级阶地.长江河床内岩性从上到下可分为五段:一段为近现代沉积的屮粗砂，厚约38m;二段为粉细砂,中细砂，厚6.8—14m,其中夹有一层厚约lm的粘土层;三段为粉细砂，厚9.815.3m;四段为卵石层，厚0.4—3.7m;五段为粉砂质泥岩.与长江两岸岩性比较，长江切穿全新统孔隙承压含水层顶板•江水和地下水有密切的水力联系.长江河床内的砂层为潜水含水层，其隔水底板为下伏的粉砂质泥岩.3单井同位素示踪法的原理单井同位素示踪法是指把放射性示踪剂投入到钻孔或测试井屮,再用放射性探测器测定该点地下水流向和流速的一种方法.常用示踪剂为以Nal为载体的bl放射性同位素（半衰期为8.OTa),释放y和射线.3.1流向测定的原理当把放射性示踪剂注入到待测的深度后，随着地下水的天然流动，示踪剂浓度在水流的上下游会产生差界，表现为不同方向的放射性强度产生变化，用流向探测器测得齐方向放射性的强度，并将数据传输给地面的计算机•所测强度最大值与最小值方向的连线即为地下水动态流向，强度最大方向即为下游方向[3].3.2流速测定的原理同位素单孔稀释法测定地下水流速是采用微量的放射性同位素土时I标记滤水管屮的水柱，标记的地下水柱被流经滤水管的水稀释而浓度淡化.其稀释的速率和地下水渗透速度之间服从以下关系式b-：■■?n(l) 式屮一地下水的渗流速度,m/d;r.为滤管的内半径,mm;IVO——为同位素白｛F钏台浓度(t二0时)擞率；IV——t时刻同位素的浓度计数率；口一一流场畸变校正系数；校正系数.其屮为：(-)/(2)式中卜测量水柱的体积,1113;探头的体积,m3.基于计算机在不同吋刻t采集的计数率IV,采用最小二乘法回归，即可计算出地下水的渗透速度.流场畸变校正系数是由于透水层屮钻孔的存在而引起在滤水管的附近地下水流场发生畸变而引入的一个参变量•其物理意义是:地下水进入或流出滤水管的两边线，在距离滤水管足够远处，二者平行时的间距与滤水管直径之比•如不下滤水管不填砾料的基岩裸孔，一般取口=2.单孔稀释法在实际应用中的关键是对口的确定•对于只有滤水管而没有填料的的试验井，其值可以用下式来确定(li,ri,1958):⑶式屮JI}.一一滤水管的渗透系数；JI},——含水层的渗透系数；r.——滤水管的内半径；r2——滤水管的外半径.当采用只有滤水管而没有填料的井孔时，也可选用经验公式进行近似估计：O.If(4)其中，厂为滤网的空隙率,％. 4参数的测试与计算4.1原始数据的现场测试本次测试采用的探测仪器为FDC一250A型地下水参数测试仪,该仪器适用于孔径为51254mm的钻孔，测量的误差小于3%.本次试验的测试井选择为位于长江江心偏汉口侧的JC-II6号钻孔.根据该点的含水层结构特征，共分3个测试段进行流向和渗流速度的测定•即江底(标高2.74m)下2.5—3.5m的现代沉积中细砂段,12.5—13.5m的粉细砂段以及20.021.5m的中粗砂段,该点位处长江水深约17.0m.分别在江底下3.0m,13.0m和20.5m三处投源,随后下探测器进行不同方位的测试.感应窗转速为lr/15min,测定8个方位的放射强度指标，并以第一次所测得的放射性强度值为IV0.试验井分三次三段成孔，每一层打至该岩性层底后，下滤水管一2003年第2期勘察科学技术41抽水一洗井一测试,其余的类推.4.2参数计算及成果4.2.1流向测试成果通过流向探测器，探测不同含水层在八个不同方位的同位素浓度计数率IV0及J7,r,测试结果见表1.表1同位素浓度计数率测试成果依据上述测试结果，基于前述流向测定原理，绘制三层含水层的地下水流向平面示意图，见图1•箭头的矢量方向反映了地下水流向,矢量长度表示同位素浓度计数率的大小./—4.2.2流速计算及成果根据公式(1),(2),(3),(4)以及校正系数卢，带入测得的同位素浓度计数率IV0及J7,i•，即可计算得各含水层的地下水流速，成果如表2所示. /c,ss(a)第一层漉向⑹第二层漉向E/,,,:/S©舅;三层流向E图1地下水流向示意(箭头方向为地下水流向)第一层为江底下2.5-3.5m现代沉积屮细砂;第二层为江底K12.5-13.5m粉细砂;第三层为20.0—21.5m中粗砂表2地下水流速测试成果注:测深自江底算起，江底标高为2.74m.4.3分析与评价分析上述测试成果，可见隧道所处河床段的地下水流向在上部孔深2.5〜3・5m段，即现代沉积粗中砂层(Qi)中，平均渗流速度为2.30m/d,流向NE22~汛深12.5〜13.5m的粉细砂段,平均渗流速度为0.93m/d,流向NE40o;而下部的2o.O〜21.0m屮粗砂段，平均渗流速度为0.81m/d,流向在・・对比分析可见，上部流向和下部流向稍有差别.上部流速较大，方向和长江流向大致相同，表明上部含水层与长江水的联系紧密，对隧道沉管的施工及运营，将产生显着影响;而下部中粗砂层流速较小,流向逐渐向东偏移. 5结语高科技，智能化的测试仪器与手段，有效地提高了岩土工程的测试精度，缩短了工期，节省了投42勘察科学技术2003年第2期资•单井同位素示踪法首次应用于高流速，大水深环境下的水文地质参数测定，取得了理想的结果;显示了其广阔的应用前景，拓展了渗流测试研究的深度与广度.参考文献1王兴泰•工程环境物探新方法新技术.北京:地质岀版社,1996.223—225..2HotdH&WemerA.TracerHydrology.NewYork:AABalke/DaPublishers.1992.8一123李樟堂，程和森,郭吉堂•同位素技术在水利工程中的应用•北京冰利电力岀版社,1990.16—864杜国平，金宇东,袁昶等.润扬长江大桥水文地质单井同位素示踪试验研究•水文地质工程地质,2002,22（3）:2931（上接第35页）4.2.3强夯前，后地基沉降量强夯前，后桥头的沉降量分别为24.4cm,16.6cm,夯后比夯前减小约8cm,按工后期沉降占最终沉降量的50%计算,强夯处理后的沉降为8.3cm,未处理时的沉降量为12.2cm,强夯处理后的工后期沉降量比未处理的工后期沉降量减小了约4cm.说明强夯对减小桥头地基的工后期沉降量起到了一定的作用.5结论与建议1）从以上分析可以看出，强夯使浅部②，③层（含水量较低）的承载力提高幅度较大，对④层粘土产生的效果不明显，⑤层的粉质粘土及⑥层粉土也有较明显的加固效果.2）木次强夯的有效加固深度约为地面下6-6.5m.若按工后期沉降占最终沉降量的50%计算，则工后期沉降为8.3cm,可以满足工后期 沉降量不大于10cm的要求.3）为更直接地验证桥头强夯地基处理的效果和木次沉降计算结果的可靠性,也为今后桥头，路基等地基处理积累经验，建议埋设专门的沉降观测点，进行施工期和工后期的沉降量观测.参考文献1常士骡主编.工程地质手册（第三版）•北京:中国建筑工业出版社,19932林宗元主编.岩土工程治理手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,19933龚晓南主编.地基处理手册（第二版）.北京:屮国建筑工业岀版社,2000简讯2003年1月6日，科技部在京召开全国科技工作会议，徐冠华部长在报告中全面总结和回顾了去年我国科技工作在”三个代表”重要思想指引下取得的重要进展•他指岀，科技界将紧紧围绕全面建设小康社会的奋斗目标，在科技体制改革取得突破的基础上，尽快建立国家创新体系.通过深化科技管理的行政审批制度改革和机构改革,做好科技屮长期规划，建立科技的财政预算制度•协调好几支科技大军,共同构筑国家创新体系•在国家研究机构布局中,重点加强基础研究，战略高技术研究和社会公益性研究力量•加强科注技术基础设施建设，实施国家科技基础条件平台工程.积极发展科技中介服务机构.统筹协调军口民口的科技创新，建立军口高技术促进经济社会发展和民口市场需求,推动军民两用技术发展的机制•通过国家创新体系建设，真正实现科技，经济和教育的有机结合，实现军民的有机结合，形成各种创新要素的紧密互动,使各方面科技力量相互关联，优势互补，在不断提高微观活力的基础上形成总体创新优势.在部署2003年我国科技工作时，徐冠华指出,2003年是决定”十五”计划目标能否如期实现的关键一年，也是贯彻党的十六大精神，全面开创科技工作新局面的开局之年•今年工作要实现新转变，取得新突破，开创新局面，跃上新台阶.20o3年科技工作的总体思路是:深入贡彻党的十六大和屮央经济工作会议精神，继续推进”十五”计划各项工作，加快国家创新体系建设，进一步优化科技结构布局，大力营造有利于优秀人才脱颖而出以及鼓励创新创业的环境，强化国家创新能力，为全面建设小康社会和推进新型工业化进程做出应有的贡献.摘印中国期刊协会冶金期刊分会简报>