以工程实例浅析同位素在环境工程中的应用

摘要:本文以某工程实例分析同位素在环境中的应用。将把裂隙岩体渗流理论用于松散层的渗流同时考虑垂向流作用来解决工程实际问题，实践证明该方法在分析松散层中地下水渗流场的分布是有效的。

关键词:环境工程；同位素；应用

1 引言

随着城市经济的发展，城市由原来的平面开发逐渐向三维方向发展，地下空间的开发已被许多大、中城市重视。由于城市的市政建设处于人口密集的市区，各项工程的建设都必须考虑到对周围建筑物、环境的影响。而地下工程的施工势必引起地下渗流场的改变，地下水水位的分布在地下工程的施工中扮演着重要的角色。因此如何做到在准确测量地下含水层中各层的水位的同时，尽量减少对周围建筑物的影响将显得十分必要。而利用同位素示踪方法能够准确测量出含水层中各层的水位、地下水流速、流向，同时施工造价低、对周围的环境影响小等优点。自20世纪60年代开始，对于裂隙岩体的渗流研究，已有30年的历史，并建立了许多裂隙岩体渗流模型以及一些裂隙岩体渗流理论。但对于同位素在松散层中应用的研究相对滞后，这主要是因为松散层情况比较复杂，在层与层之间有越流作用，即各含水层之间存在着垂向流作用。

2同位素示踪原理分析

2.1 同位素示踪单孔稀释法测定岩体渗流场原理

同位素示踪单孔稀释法测定岩体渗流场基本原理是将微量的放射性同位素溶液均匀地标记在被测量的井孔水中，示踪同位素浓度随地下水运动而逐渐减少，井中同位素的浓度与分布将发生变化，通过这些变化过程的测定，可以得到与之相关的地下水的流速、流向、渗透系数、裂隙隙宽、垂向流、裂隙含水层分布以及渗漏层分布等参数。

2.1.1同位素单孔稀释法测定渗透流速原理

单孔稀释法测定渗透流速原理:孔中不存在垂向流，示踪同位素在孔中与井水混合均匀，示踪剂随着地下水进行水平方向的流动，放射性示踪剂活度的减少与渗透流速Vf有关，通过理论推倒可证明计数率N的对数与渗透流速成正比。

2.1.2同位素示踪单孔测定水平流向

示踪同位素随地下水运动进入到含水层中，同位素在井四周的浓度分布逐渐呈不均匀性。地下水流方向的浓度最高，补给方向的浓度最低。通过装有6支G-M计数器的流向探头在井中进行放射性强度测定。用电罗盘测定探头在井中的方位。计算机随时算出结果并打印出方位角、相对流向、实际流向、每个计数管的计数率以及总计数率。

2.1.3 同位素示踪测定垂向流

钻孔揭露多组裂隙(含水层)后，由于各裂隙(含水层)地下水的补给源不同，在库区坝后地下水的补给源通常为库水与地下水及表层水，孔中各组裂隙层的静水位也不一样，孔中可能有垂向流产生。我们通常采用峰峰法来测定井中地下水的垂向流。将四支串联探头方置在井中被测井段，将同位素投放在2～3号探头的中间，仪表分别记录下各自在不同时刻的计数率变化。假设垂向流向上，我们可得到两条变化曲线，找出两条曲线的峰值所对应的时间TB与TA，设两探头之间的距离为L，则垂向流速V为：Vv

2.1.4 存在垂向流时的测量

如果孔中存在垂向流，我们在测定渗透流速时应使用带止水栓塞装置的同位素示踪探头，同时我们还须进行孔中垂向流的探测。我们采用多组探测器的同位素示踪仪进行垂向流的探测，计算出孔中垂向流量的分布，从而准确划分出含水层的吸水与涌水性质，确定出同一性质含水层的埋深厚度。在基坑附近存在垂向流的钻孔中，为了测定出不同含水层的渗透性，我们必须进行稀释方法测定渗透流速与孔中垂向流两种同位素示踪试验。我们研究其中任一含水层的渗透性。

2.1.5 钻孔揭露的含水层中存在垂向流时的渗流场分析

当第i含水层中存在垂向流时，孔周围的含水层中可能存在三种情况的渗流。第一种情况，第i含水层中的静水头Si低于混合水位S0，钻孔中的水向含水层中补给;第二种情况，第i含水层中的静水头Si稍低于混合水位S0，第i含水层中上游一侧的地下水补给到钻孔之中，而钻孔中的一部分水有补给到下游一侧的第i含水层中;第三种情况，第i含水层中的静水头Si高于混合水位S0，第i含水层中的地下水向钻孔中补给。

3工程实例

3.1工程简介

该车站位于升州路南铜作坊地段。车站长250.0m，宽22.0m，开挖深度15.0m。车站的连续墙及其盖板已于2000年施工完成，主体结构采用地下连续墙逆作法施工。该地段地面标高12.0m左右，平行车站轴线方向的连续墙(东西两侧)插入土层27.0m，底面标高-15.0m左右，车站南北两端插入地下30.0m，底面标高-18.0m。车站采用逆作法开挖施工。目前施工作业以达标高0.0左右，预计需达到-3.0，局部达到-6.0以下。据施工单位介绍，施工单位实施降水800m3/d，车站附近地面沉降速率较大，不易控制;现采用500m3/d的方案，仅能维持当前作业面无积水。而且在施工过程中，发生管涌现象，经调查，施工过程暴露的主要问题是施工降水与底面沉降控制之间的矛盾，其主要原因是场地地质条件复杂，地下水流场分布不清楚。因此进行了同位素示踪实验，其目的是查清地下水的渗透性和流向分布，为后期施工提供科学依据。

3.2 野外实验及成果分析

为了准确探测地下渗流场的分布，在基坑四周钻了13个同位素示踪井，井径15cm左右，然后在井中投放微量同位素，由于该实验不需要进行抽水实验就能判定出地下水的流向、土的渗透性等参数，因此不会对周围的建筑物造成不良影响。经过实验，得到一系列数据，仅以T6#为例进行分析。该孔位于区党校内，在该孔中探测到的渗透流速最大为1.4m/d，深度为12-16m之间，比其他几个孔中同层的渗透系数大一个数量级。该地层的渗漏层位在12-18m之间，孔中流向N240°-270°之间，为强补给渗漏通道。孔中存在向下的垂向流，下部的压力小于上部。根据资料记载，党校址下部的基础为古河道，根据深层水的等水位线分布我们推测在金沙井一带河道变宽，延伸至现在的中山南路。党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(根据T5#与T6#的对比)，由于这种地层渗透性的差异，深层降水引起的水力梯度的变化较大，在金沙井一带深层地下水的水力梯度变化较大，引起了地面的不均匀沉降，河床部分的沉降大，而河岸部分的沉降小，造成房屋西侧的沉降小而东侧的沉降大。在实验过程中发现，在该深基坑施工过程中所抽的地下水是深层地下水，由于该处的深层地下水具有承压性质，其水头大于混合水头，在地层薄弱处能顶破上层土的压力，而造成管涌。运用同位素示踪方法，找到了发生管涌的原因，及时进行了灌浆处理，避免了由于细颗粒的带走而造成的地面不均匀沉降。

4结束语

城市地区的地下水水位一般比较浅，市政建设中有时必须对地下水进行处理，在深基坑开挖过程中地下水的问题显得十分突出，常用的地基处理方法有:深层搅拌法、地下连续墙，但有时由于施工缘故，隔水效果并不太好，基坑内的抽水会引起周围的不均匀沉降，因此如何判别基坑内地下水的来源，地下连续墙的完整性以及进行补墙将显得十分关键。运用同位素示踪方法能够很好地解决这些问题，对周围居民和地下水的影响极小，同时该方法在不抽水的情况下，可以测量地基土的渗透系数、地下水的流速、流向等参数，从而避免了传统的抽水试验而造成的不均匀沉降。由于该方法的施工费用较少，是非常好的一种工程监测方法。