强迫流示踪法探测岩溶洞穴体积的研究探讨

余鹏

摘  要：我国碳酸盐岩分布广泛，岩溶十分发育，由岩溶而引发的工程地质问题往往成为工程建设的重点和难点，因而获得岩溶洞穴的体积具有重要的意义。尽管岩溶探测的技术不断前进，但是由于岩溶发育的复杂性，至今仍难以准确探测岩溶洞穴。示踪实验是一种较为经济准确和快捷的探测方法，该文希望结合钻探以及地下水示踪实验两方面的优势，探讨运用强迫流示踪法研究根据回收历时浓度曲线以确定岩溶洞穴的体积。

关键词：封闭洞穴  強迫流示踪  洞穴体积

中图分类号：P642.3                                 文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0059-02

我国碳酸盐岩分布广泛[1，2]，岩溶区内岩溶塌陷的发生，既使工程设施遭到破坏，又造成了严重的水土流失、经济损失和社会影响。岩溶塌陷与岩溶发育程度密切相关，一般情况下，岩溶越发育，洞穴的规模越大，则岩溶地面塌陷越严重，因此探测岩溶洞穴的大小是解决岩溶塌陷问题的前提和关键。尽管岩溶探测的技术不断前进，推陈出新，但是由于岩溶发育的复杂性，至今仍难以准确探测岩溶洞穴体积，因此亟待研究出一种能够准确获取岩溶洞穴体积的方法。

1  溶洞的分类

岩溶介质类型在我国北方主要以溶孔、溶隙为主，在南方则是溶管、溶洞和溶隙并存[3]，随不同的岩溶发育过程还会出现不同的组合与变化的情况。工程上根据地质结构和溶洞的发育情况，将溶洞按4个依据进行分类，见表1。

2  岩溶探测的研究现状

隐伏岩溶的存在是岩溶地基病害发育的基础条件，隐伏岩溶发育带的探测一直是一个极具挑战性的问题。探测岩溶既有直接方法，也有间接方法。直接方法有水文地质钻探、水文地质实验、平硐追索等。间接方法有地面电法勘探、地球物理测井、地下电磁波勘探、地震勘探、声波探测、微重力勘探、管波探测法等物理勘查方法及各种场论。

直接方法中，可以直接触及溶洞的掘探和钻探方法直观性比较强，但掘探费工费力、劳动强度大。钻探不仅成本高，而且因钻孔密度不可能太大，钻孔所在位置又不可能恰好就是溶洞所在的位置，因此不宜在大范围内使用。

3  强迫流示踪试验方法

3.1 洞穴类型

为了便于研究在不同类型岩溶洞穴条件下示踪曲线的规律，在前人研究的基础上，结合工程实际情况，该文将岩溶洞穴按以下几个因素分类。

（1）按连通性分。

孤立洞穴和贯通性洞穴。孤立洞穴是指与周围其他洞穴几乎没有水力联系的洞穴，一般体积比较小。贯通性洞穴是指与周围其他洞穴之间存在明显水力联系的洞穴，洞穴体积可以很大。

（2）按洞穴形状分。

岩溶洞穴形状复杂无规律，为便于研究，将洞穴形状概化为3种类型，见图1。

一维洞穴是指呈管道状延伸的洞穴，延伸长度有限，与周围洞穴的水力联系微弱。二维洞穴是指呈扁平状延伸，可能存在向外延伸的分支管道但直径较小的洞穴。三维洞穴是指洞穴体积较小，或体积虽大，但在各方向上尺寸变化不大，可能存在向外延伸的分支管道但直径较小的洞穴。洞穴系统是指延伸很长的管道或洞穴体积大，存在向外延伸的各种管道且管径较大的洞穴。

（3）按充填情况分。

岩溶洞穴往往有第四系松散层堆积，按充填程度分为：全充填洞穴、部分充填洞穴和无充填洞穴，见图2。

3.2 强迫流示踪法

3.2.1 强迫流示踪法及相应的洞穴体积

地下水示踪实验是在某一点投源，然后在其他点接收示踪剂，根据接收点的浓度曲线特征来判断地下水流的各种参数和地下岩溶结构特征的实验。一般来说，岩溶水文地质示踪实验的水流都是天然的流动，几乎没有人工的干预，但是在该文中，为了使示踪剂扩散的速度更快，更高效地对岩溶的体积进行探测，因此增加了强迫流的因素。所谓强迫流，就是指示踪剂的扩散不再是单纯地靠地下水的流动所引起，而是人为地施加外部驱动力，引入搅拌的方法，在投源点处增加搅拌桨，驱动示踪剂快速地向外扩散，达到更快地获得示踪信息、计算岩溶洞穴体积的目的。

3.2.2 影响体积计算的主要因素

（1）岩石吸附。

岩石对示踪剂的吸附，将使计算结果偏高。岩石的吸附主要是洞穴壁面上以及洞穴内堆积物颗粒对示踪剂的吸附，不同岩石对不同示踪剂的吸附量和吸附规律不同。实验表明，只要选择被吸附能力很弱的示踪剂（例如钼酸铵），岩石对示踪剂的总吸附量是十分有限的。

（2）强迫流扩散方向浓度梯度。

理论上，洞穴实际饱和水空间体积计算公式中的示踪剂浓度是强迫流中示踪剂浓度完全均匀时的浓度，但实际上投源处与洞穴壁之间会存在一定的浓度梯度，用投源处最终的浓度代替均匀的示踪剂浓度将使洞穴实际饱和水空间体积计算结果偏低。

（3）地下水天然流速。

示踪剂在天然水流作用下会向地下水流的下游方向扩散，导致示踪剂浓度上的差异。但由于天然地下水的流速十分小，尤其是平原区，一般不超过3m/d，远小于强迫流的运动速度，且强迫流实验时间很短，因此天然地下水流速对洞穴实际饱和水空间体积计算结果的影响几乎忽略不计。

（4）钻孔垂向流。

强迫流运动时，会在钻孔内产生垂向流，使极少量的示踪剂通过钻孔垂向流向洞穴外扩散流失，导致洞穴实际饱和水空间体积计算结果偏高。

以上4个影响因素的综合效果将使计算结果的误差降低。因此，强迫流示踪法计算洞穴实际饱和水空间体积是可行和可信的。

4  封闭洞穴体积计算方法

强迫流示踪法所确定的洞穴体积是指不包括充填物体积在内的洞穴的实际饱和水空间体积。在实际工程应用中，可以依据搅拌均匀后的示踪剂浓度计算洞穴的体积，封闭洞穴体积（V）可按以下公式计算。

式中：△m为投放到洞穴中的示踪剂质量;n0为示踪剂的浓度背景值;n1是搅拌均匀后的示踪剂浓度。

5  结语

该文只是探讨研究了封闭洞穴的体积，而实际情况中，绝大部分岩溶洞穴是连通的，与外界存在水力交换，所以该文的研究具有一定局限性，在今后的工作中，可以对洞穴系统进行研究，从而更好地为工程服务。同时，该文求得的只是岩溶洞穴充水部分的体积，对于淤泥部分及未充水部分体积的取得仍然存在困难，因而如何找到一种方法可以探求岩溶洞穴完整体积，仍任重而道远。

参考文献

[1] 石祥锋.岩溶区桩基荷载下隐伏溶洞顶板稳定性研究[D].中国科学院武汉岩土力学研究所，2005.

[2] 张英骏.应用岩溶学及洞穴学[M].贵阳：贵州人民出版社，1985.

[3] 郭纯青，李文兴.岩溶多重介质环境与岩溶地下水系统[M].北京：化学工业出版社，2006.

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2019-12-02