以工程實例分析同位素在環(huán)境工程中的應用

摘要:本文以某工程實例分析同位素在環(huán)境中的應用。將把裂隙巖體滲流理論用于松散層的滲流同時考慮垂向流作用來解決工程實際問題,實踐證明該方法在分析松散層中地下水滲流場的分布是有效的。
　　關鍵詞:環(huán)境工程；同位素；應用
　　1 引言
　　 隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,城市由原來的平面開發(fā)逐漸向三維方向發(fā)展,地下空間的開發(fā)已被許多大、中城市重視。由于城市的市政建設處于人口密集的市區(qū),各項工程的建設都必須考慮到對周圍建筑物、環(huán)境的影響。而地下工程的施工勢必引起地下滲流場的改變,地下水水位的分布在地下工程的施工中扮演著重要的角色。因此如何做到在準確測量地下含水層中各層的水位的同時,盡量減少對周圍建筑物的影響將顯得十分必要。而利用同位素示蹤方法能夠準確測量出含水層中各層的水位、地下水流速、流向,同時施工造價低、對周圍的環(huán)境影響小等優(yōu)點。自20世紀60年代開始,對于裂隙巖體的滲流研究,已有30年的歷史,并建立了許多裂隙巖體滲流模型以及一些裂隙巖體滲流理論。但對于同位素在松散層中應用的研究相對滯后,這主要是因為松散層情況比較復雜,在層與層之間有越流作用,即各含水層之間存在著垂向流作用。
　　2同位素示蹤原理分析
　　2.1 同位素示蹤單孔稀釋法測定巖體滲流場原理
　　 同位素示蹤單孔稀釋法測定巖體滲流場基本原理是將微量的放射性同位素溶液均勻地標記在被測量的井孔水中,示蹤同位素濃度隨地下水運動而逐漸減少,井中同位素的濃度與分布將發(fā)生變化,通過這些變化過程的測定,可以得到與之相關的地下水的流速、流向、滲透系數(shù)、裂隙隙寬、垂向流、裂隙含水層分布以及滲漏層分布等參數(shù)。
　　2.1.1同位素單孔稀釋法測定滲透流速原理
　　 單孔稀釋法測定滲透流速原理:孔中不存在垂向流,示蹤同位素在孔中與井水混合均勻,示蹤劑隨著地下水進行水平方向的流動,放射性示蹤劑活度的減少與滲透流速Vf有關,通過理論推倒可證明計數(shù)率N的對數(shù)與滲透流速成正比。
　　2.1.2同位素示蹤單孔測定水平流向
　　 示蹤同位素隨地下水運動進入到含水層中,同位素在井四周的濃度分布逐漸呈不均勻性。地下水流方向的濃度最高,補給方向的濃度最低。通過裝有6支G-M計數(shù)器的流向探頭在井中進行放射性強度測定。用電羅盤測定探頭在井中的方位。計算機隨時算出結(jié)果并打印出方位角、相對流向、實際流向、每個計數(shù)管的計數(shù)率以及總計數(shù)率。
　　2.1.3 同位素示蹤測定垂向流
　　 鉆孔揭露多組裂隙(含水層)后,由于各裂隙(含水層)地下水的補給源不同,在庫區(qū)壩后地下水的補給源通常為庫水與地下水及表層水,孔中各組裂隙層的靜水位也不一樣,孔中可能有垂向流產(chǎn)生。我們通常采用峰峰法來測定井中地下水的垂向流。將四支串聯(lián)探頭方置在井中被測井段,將同位素投放在2～3號探頭的中間,儀表分別記錄下各自在不同時刻的計數(shù)率變化。假設垂向流向上,我們可得到兩條變化曲線,找出兩條曲線的峰值所對應的時間TB與TA,設兩探頭之間的距離為L,則垂向流速V為：Vv
　　2.1.4 存在垂向流時的測量
　　 如果孔中存在垂向流,我們在測定滲透流速時應使用帶止水栓塞裝置的同位素示蹤探頭,同時我們還須進行孔中垂向流的探測。我們采用多組探測器的同位素示蹤儀進行垂向流的探測,計算出孔中垂向流量的分布,從而準確劃分出含水層的吸水與涌水性質(zhì),確定出同一性質(zhì)含水層的埋深厚度。在基坑附近存在垂向流的鉆孔中,為了測定出不同含水層的滲透性,我們必須進行稀釋方法測定滲透流速與孔中垂向流兩種同位素示蹤試驗。我們研究其中任一含水層的滲透性。
　　2.1.5 鉆孔揭露的含水層中存在垂向流時的滲流場分析
　　 當?shù)趇含水層中存在垂向流時,孔周圍的含水層中可能存在三種情況的滲流。第一種情況,第i含水層中的靜水頭Si低于混合水位S0,鉆孔中的水向含水層中補給;第二種情況,第i含水層中的靜水頭Si稍低于混合水位S0,第i含水層中上游一側(cè)的地下水補給到鉆孔之中,而鉆孔中的一部分水有補給到下游一側(cè)的第i含水層中;第三種情況,第i含水層中的靜水頭Si高于混合水位S0,第i含水層中的地下水向鉆孔中補給。
　　3工程實例
　　3.1工程簡介
　　 該車站位于升州路南銅作坊地段。車站長250.0m,寬22.0m,開挖深度15.0m。車站的連續(xù)墻及其蓋板已于2000年施工完成,主體結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻逆作法施工。該地段地面標高12.0m左右,平行車站軸線方向的連續(xù)墻(東西兩側(cè))插入土層27.0m,底面標高-15.0m左右,車站南北兩端插入地下30.0m,底面標高-18.0m。車站采用逆作法開挖施工。目前施工作業(yè)以達標高0.0左右,預計需達到-3.0,局部達到-6.0以下。據(jù)施工單位介紹,施工單位實施降水800m3/d,車站附近地面沉降速率較大,不易控制;現(xiàn)采用500m3/d的方案,僅能維持當前作業(yè)面無積水。而且在施工過程中,發(fā)生管涌現(xiàn)象,經(jīng)調(diào)查,施工過程暴露的主要問題是施工降水與底面沉降控制之間的矛盾,其主要原因是場地地質(zhì)條件復雜,地下水流場分布不清楚。因此進行了同位素示蹤實驗,其目的是查清地下水的滲透性和流向分布,為后期施工提供科學依據(jù)。
　　3.2 野外實驗及成果分析
　　 為了準確探測地下滲流場的分布,在基坑四周鉆了13個同位素示蹤井,井徑15cm左右,然后在井中投放微量同位素,由于該實驗不需要進行抽水實驗就能判定出地下水的流向、土的滲透性等參數(shù),因此不會對周圍的建筑物造成不良影響。經(jīng)過實驗,得到一系列數(shù)據(jù),僅以T6#為例進行分析。該孔位于區(qū)黨校內(nèi),在該孔中探測到的滲透流速最大為1.4m/d,深度為12-16m之間,比其他幾個孔中同層的滲透系數(shù)大一個數(shù)量級。該地層的滲漏層位在12-18m之間,孔中流向N240°-270°之間,為強補給滲漏通道?？字写嬖谙蛳碌拇瓜蛄?下部的壓力小于上部。根據(jù)資料記載,黨校址下部的基礎為古河道,根據(jù)深層水的等水位線分布我們推測在金沙井一帶河道變寬,延伸至現(xiàn)在的中山南路。黨校的平房其中有一半房屋建造在河岸,另一半建造在古河床上(根據(jù)T5#與T6#的對比),由于這種地層滲透性的差異,深層降水引起的水力梯度的變化較大,在金沙井一帶深層地下水的水力梯度變化較大,引起了地面的不均勻沉降,河床部分的沉降大,而河岸部分的沉降小,造成房屋西側(cè)的沉降小而東側(cè)的沉降大。在實驗過程中發(fā)現(xiàn),在該深基坑施工過程中所抽的地下水是深層地下水,由于該處的深層地下水具有承壓性質(zhì),其水頭大于混合水頭,在地層薄弱處能頂破上層土的壓力,而造成管涌。運用同位素示蹤方法,找到了發(fā)生管涌的原因,及時進行了灌漿處理,避免了由于細顆粒的帶走而造成的地面不均勻沉降。
　　4結(jié)束語
　　 城市地區(qū)的地下水水位一般比較淺,市政建設中有時必須對地下水進行處理,在深基坑開挖過程中地下水的問題顯得十分突出,常用的地基處理方法有:深層攪拌法、地下連續(xù)墻,但有時由于施工緣故,隔水效果并不太好,基坑內(nèi)的抽水會引起周圍的不均勻沉降,因此如何判別基坑內(nèi)地下水的來源,地下連續(xù)墻的完整性以及進行補墻將顯得十分關鍵。運用同位素示蹤方法能夠很好地解決這些問題,對周圍居民和地下水的影響極小,同時該方法在不抽水的情況下,可以測量地基土的滲透系數(shù)、地下水的流速、流向等參數(shù),從而避免了傳統(tǒng)的抽水試驗而造成的不均勻沉降。由于該方法的施工費用較少,是非常好的一種工程監(jiān)測方法。