利用温度示踪方法探测基坑渗漏

1、第 23卷 第 12期岩石力学与工程学报 23(12:208520902004年 6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June , 2004 2003年 7月 2日收到初稿, 2003年 9月 1日收到修改稿。* 国家自然科学基金重点项目 (50139030与国家自然科学基金 (50179009资助课题。作者 董海洲 简介:男, 1976年生,现为河海大学在读博士研究生,主要从事地下水渗流方面的研究工作。利用温度示踪方法探测基坑渗漏*董海洲 陈建生(河海大学岩土工程研究所 南京 210098摘要 建筑基坑的降水、防渗和支护工

2、作需要了解地下水渗流场的分布、补给与排泄等规律,以便于作出有针对 性的处理。温度是地下水运动的天然示踪剂,正常地层温度的分布是连续且规律的,在季节气温影响点 (如钻孔温 度曲线上的拐点 以下深部地层的温度将随着深度的增加而上升。但由于地下水的运动影响,会产生温度分布的异 常现象。 分析了钻孔中由于地下水流动对温度曲线的影响, 根据地层中温度的异常变化判定地层渗流的分布情况, 利用温深曲线的异常来提取地下水渗流场的有关信息,如确定地层的渗透性,强渗漏带,集中渗漏通道以及地下 水的补给关系等。对南京地铁三山街站基坑进行了地下水温度示踪探测分析,发现地下连续墙深度不够,存在裂 缝,隔水效果差,是基坑

3、渗水的主要原因,由此造成了基坑周围地面的沉降,并提出了相应的处理措施。 关键词 水文地质,温度示踪,基坑,渗流场,强渗漏带分类号 TU 46+3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(200412-2085-06STUDY ON GROUNDWATER LEAKAGE OF FOUNDATION PIT WITHTEMPERATURE TRACER METHODDong Haizhou, Chen Jiansheng(Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098 China Abstrac

4、t During the construction of foundation pit, some characteristic factors about groundwater seepage field, should be investigated for the dewatering, antiseepage and supporting works. Temperature is a natural tracer of groundwater movement. Normal temperature distribution of strata is continuous and

5、regular. Under the influence point of seasonal temperature, strata temperature will increase with depth, but groundwater movement will bring abnormality to this distribution. This abnormality of temperature curve can be used to study the permeability of strata and locate the concentrated leakage pas

6、sage. Related information about groundwater seepage field is provided by the abnormality of the curve of temperature vs. depth, such as the location of strong leakage layer and the relation of groundwater recharge. As an example, ground water temperature tracer detection is performed in the foundati

7、on pit of Sanshanjie Subway Station in Nanjing. The case study shows that the major reason of leakage of foundation pit is the inadequate depth of underground continuous wall and the existence of faults on the wall. Deep confined water is drained out and then this will cause the ground settlement ar

8、ound the foundation pit. Corresponding countermeases are proposed accordingly.Key words hydrogeology , temperature tracer, foundation pit, seepage field, strong leakage layer1 引 言近年来,由于基坑开挖深度大,地下水位高,地层地质条件不好等原因,而且基坑开挖支护技术 的不成熟,导致许多基坑工程的失事,造成了很大 的损失。而有的工程为了解决这个问题,进行大量 抽水,结果造成了周围环境的较大沉降和侧向位移, 2086 岩石力

9、学与工程学报 2004年 所以一味抽水的方法是行不通的。因此,在基坑工程的建设中,水文地质勘察工作十分重要,只有查 清了地下水渗流场的分布规律、埋藏条件、补给与 排泄条件等因素,才能做好基坑的降水、防渗和支 护工作。温度可以通过介质传递,在地层中的变化是连 续的,这就为我们除直接测定地下水流速之外提供 了另一种了解渗流场的物理量。在许多工程问题 中需要研究地下水运动和温度场分布之间的关 系 13,利用温度分布状况判断研究区域内地下水 运动及其分布已得到广泛应用 46。文 7分析了河 流峡谷区地下水温度异常特征,定性研究了区域地 下水的渗流状况。文 8根据盆地地温场分布特征与 地下流体活动规律的

10、关系,利用井温资料估算出地 下水的运移速度。地层中温度场的异常分布通常可以指示出地层 中地下水的强渗漏带, 以便于做出有针对性的处理。 本文利用这一原理,分析了南京三山街地铁站建设 过程中的渗漏问题。2 地层温度的分布地球表面温度的波动一般影响深度较浅,只有 在考虑长周期的地球气候变化时,才对地球深部的 温度产生影响。根据地温测量数据,正常情况下地 壳浅层 7 km以内,其温度分布状态可以分为变温 带、常温带、增温带 9。根据太阳辐射热的周期变化,地壳浅层变温带 又可分为日变温带、年变温带和多年变温带。其温 度变化幅度按一定规律随深度递减。根据实测资料 表明:日变温带深度为 12 m;年变温带

11、深度为 1530 m。多年变温带主要是受世纪性古气候变化 的影响,这种变化周期可长达几千年,温度的变幅 可达 10, 温度变化波及地下的深度远远超过年温 度变化的影响深度,可达几百米甚至千米以上。 变温带以下即为常温带,常温带实际上是一个 均匀分布的温度场。在地壳某一深度处,由于太阳 辐射热影响减弱,地球内部热量和变温带影响在这 一带达到相对热平衡,温度不再发生多大变化,因 此成为恒温带。恒温带以下,越向深处温度越高, 其温度分布和热状态主要受地球内部的热量所控 制,这就是增温带。增温带中温度稳定地向着地球 中心方向递增,它不随时间变化,增温带是一个稳 定的温度场。 3 由钻孔温度曲线判断地下

12、水运动 的原理在地层中,地下水是一种良好的热载体,在不 同地层之间的热量传递中起着主要作用。由地下水 传递的热量可以大于正常传导热流量的几倍甚至几 十倍。地球内部的热量,通过对流、传导和辐射等 多种形式,传导至地壳而形成不同性质的水温场。 水温场与地温场的温度, 在地壳浅部一般相差 1 3,在深部,两种温度接近一致 10。地层中地下水热传递方程 8为tTcTVcT=(02(1式中:T 为温度, c和 c 为流体和围岩的比热, 0和 为流体和围岩的密度, 为热导率, V 为地下水速度矢量, t 为时间。3.1根据钻孔中温度分布进行垂向流的判断若地下水作稳定垂向运动,则式 (1可以简化 为 10d

13、ddd22=ZTvcZTz(2 地下水上涌或下渗时对岩层温度场的影响可以 概括为一个简单的模型 11。该模型由 3种不同热导 率的水平岩层构成,参见图 1。第 1, 2, 3岩层的 热导率分别为 1, 2, 3,地温梯度分别为 G 1, G 2, G 3。 模型中地表和岩层边界上的温度分别为 T 1, T 2, T 3。图 1(a为热传导模型,无地下水干扰;图 1(b表示第 1渗透岩层内有地下水的上涌,温度与深度回归直线所推算的地表温度T 大于地表温度T , 地温梯度 G1减小; 图 1(c表示第 2个渗透岩层内有地下水的上涌,第 1, 2岩层界面的温度由 *1T 增加至 T 1,从而使第 1

14、岩层内的地温梯度增加,第 2岩层 内的地温梯度减小;图 1(d表示第 1个渗透岩层内 有地下水的下渗, 致使第 1, 2岩层界面上的温度由*1T 减小至 T 1, 第 1岩层内的地温梯度减小, 第 2岩 层内的地温梯度增加;图 1(e表示第 2个渗透岩层 内有地下水的下渗时, 第 2, 3岩层界面上的温度由*1T 减小至 T 2, 致使第 2岩层内的地温梯度减小, 第 3岩层内的地温梯度增加。所以,在没有地下水活动干扰时钻孔的温度曲 线为传导型,温度与深度直线相关;在有地下水运 动干扰时钻孔的温度曲线为对流型。若地下水向上 运动,则温深曲线为上凸型,地下水向下运动则为 下凹型,甚至有时会出现地

15、温梯度为 0的孔段。第 23卷 第 12期 董海洲等 . 利用温度示踪方法探测基坑渗漏 2087 图 1 地下水垂向运动对不同岩层温度分布的影响Fig.1 Temperature distribution influenced by vertical flow of groundwater对于同一岩层中,钻孔温度曲线有无尖峰状突 变的情况,可以根据地温梯度的变化来进行判断。 当钻孔的温度不受地下水干扰,且围岩的岩性均一 和各向同性时, 温 -深关系曲线为直线, 直线的斜率 为该区域的背景地温梯度 (单一的传导型 ,直线与 温度坐标 T 的截距 T 0应近似等于地表多年的平均气 温。当钻孔有下渗

16、为主的地下水垂向流时,钻孔各 点的原始地温将受下渗水流的影响而降低,其降低 的程度随距离地下水入渗点以下的深度的增加而减 小。3.2 根据钻孔中温度曲线“尖峰状”异常判断地下水水平运动地层表面的温度与环境温度有关,随季节发生 周期变化。这主要是因为:地表面的温度受地表附 近的大气温度影响,还受到太阳照射的影响,因此 地表的温度是有季节性的。地表水补给地下水后将 直接影响地层的温度场,由于地表水的温度是随着 地表大气环境温度变化的,地表水补给到地下后, 将影响地层中的温度,影响的程度与补给量和距离 等有关。 在季节温度影响点 (如钻孔温度曲线上的拐 点 以下深部地层的温度将随着深度的增加而上升。

17、 所以根据地层中温度的变化就可以准确地判定地层 渗流的分布情况,从而确定地层的渗透性以及集中 渗漏等。当钻孔穿过裂隙或地层中强渗漏带时,由于受 地下水水平流动的影响,温度分布曲线会出现“尖 峰状” 异常。 根据裂隙或强渗漏层水流温度的高低, 可将其分为正异常和负异常两种类型,见图 2。图 2(a为地层中无强渗漏带时,钻孔中温度分 布的正常曲线,此时温度分布只与深度有关,随深 度增加而线性增加,反映正常的地层温度分布;图2(b为钻孔穿过地层中的强渗漏带,且渗漏水的温(a(b(c图 2 钻孔中温度分布“尖峰状 ” 异常示意图Fig.2 Sketch of peak abnormality of t

18、emperaturedistribution in borehole度较高,形成了温度分布曲线向上突起的正异常; 图 2(c为渗漏水的温度较低,形成温度分布曲线向 下凹进的负异常,这种强渗漏带的水流扰乱了正常 的钻孔温度分布。从以上这些曲线的异常可以得到 2088 岩石力学与工程学报 2004年关于地层中强渗漏带的信息。4 南京三山街地铁站探测实例三山街地铁站位于三山街铜作坊地段,呈大致 南北方向展布,为居民密集分布区。地下水位高, 基坑施工难度大,在施工过程暴露的主要问题是施 工降水与地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 进行了温度示踪的实验,其

19、目的是查清地层薄弱部 位和地下水流向分布,为后期施工提供科学依据。 4.1地质条件基坑长 250 m,宽 22 m,开挖深度 15 m。三山 街车站的地下连续墙采用逆作法施工。该地段地面 标高 12.00 m左右,平行车站轴线方向的连续墙 (东 西两侧 插入土层 27 m,底面标高 -15.00 m左右, 车站南北两端插入地下 30 m,底面标高 -18.00 m。 根据勘察资料,在勘探深度内,岩土体由上往 下分别为:填土 (厚度一般 6.0 m左右,底部标高 6.07.5 m、粉土、细粉砂、淤泥质土。沉积物具 有明显的河流及边滩相沉积特征:多具层理、互层 状。 在标高 -5.51.6 m处,

20、 以砂性土为主, 车站北 半部, 砂性土厚度达 1314 m左右, 地板为粘性土, 标高一般为 -15.0 m左右;车站南半部砂性土厚度 较大,一般为 2022 m,地板标高为 26.50 m左右。 据区域地质资料,地铁站位于秦淮河古河道范 围内,土质软弱,水文地质条件极为复杂。标高约 0.0 m处有 1层厚度不均的粉土夹淤泥质粘土, 有良 好的透水性。标高 -6.0 m以下的 2层砂性土,对工 程极为不利,该层渗透系数大,透水性强,与整个 古河道有较好的水力联系,而地铁车站底板的大部 分在该 2层砂土层中。这 3层地质层构成了潜水 -浅承压水 (组 。该区的地下水埋深为 1.01.10 m,

21、 接受大气降水和地表水入渗补给。由于地铁施工影响,地下水的等水位线分布会 由于基坑抽水的影响而发生变化,因此地下水水位 的分布只能说明在特定施工环境下的水位分布情 况。总体上由于坑内抽水,在以抽水井为中心形成 降落漏斗,基坑外的地下水有可能从连续墙的裂缝 处及下部绕过连续墙向基坑渗流。4.2地下水温度场总体分布经过多次测量,得到各个孔的不同深度的温度, 我们取深度 17 m(标高 -5 m处的温度绘成区域温度 分布场进行分析,参见图 3。地下水的温度场应该 是连续的,但是由于地下连续墙的存在,墙内和墙 外对应区域的温度可能在图上反映出不连续的现 象。其实若考虑连续墙体本身的温度分布,则总体 温

22、度场仍是连续的。由于基坑内抽水,坑内观测孔 的水位比连续墙外的水位都低,形成抽水漏斗,从 等温度分布图上看,由于部分地方的连续墙没有插 入粉质粘土层,隔水效果不太理想。在 27#孔附近形成一低温带,温度为 20.2左 右,四周温度较高,形成以 27#孔为中心的漏斗。 在连续墙外 CJ6, CX17孔附近温度也较低, 这说明 地下水是从 CX17孔附近通过地下连续墙的裂缝及 连续墙底部渗漏过来的; 20#, 22#孔的温度较 Fig.3 Groundwater temperature distribution at depth of 17 m around Sanshanjie Subway S

23、tation第 23卷 第 12期 董海洲等 . 利用温度示踪方法探测基坑渗漏 2089 28#孔高,主要是因为 CX3孔附近的温度较高,地 下水由此渗漏过来。 从图上还可以看出:以 11#孔为 中心形成一低温带。形成该低温带的原因是,连续 墙外 CX15孔附近的低温水的补给。 在 23#孔附近有 一低温带,在该孔附近连续墙外的水温也较高,这 说明该孔附近的低温带不是由连续墙外渗漏过来 的;从 23#孔的底部温度看,在标高 -9 m处温度仅 为 19.9,这说明该低温带主要是由于深部低温的 微承压水向上补给而造成的。3#孔的上部温度低而下部温度较高,这说明 3#孔的底部受到外来的热水补给,该处

24、的地下连续墙 没有插入到粘土层中,隔水效果很差。该孔的底部 标高为 -22 m,低于连续墙的底面标高,由于井中 抽水,地下水绕过地下连续墙向井中渗流。 5#, 7#, 9#, 11#, 12#, 13#, 15#降水孔的温度分布规律基本 上与 3#孔相同,形成这种现象的原因也是由于降水 孔的底部标高低于连续墙的底部标高,连续墙没有 插入粘土层中,隔水效果差,地下水绕过连续墙向 基坑渗流。 17#孔的温度分布比较均匀, 从该处的地 下连续墙看,已插入到粘土层中,该处的连续墙的 隔水效果较好。 23#孔的上部温度较高, 而下部温度 较低,但其周围孔的温度较高,这说明 23#孔主要 不是受连续墙外的

25、地下水绕渗补给,而是受深层地 下水向上的补给。 23#孔附近的连续墙已插入到粘土 层中,隔水效果较好,这一点也说明了 23#孔主要 是受深层地下水的影响。4.3典型孔温度分析图 4为 CX10孔的温度曲线,可以推测在此孔 周围的环境变化,随大气温度的下降, CX10孔从 孔上部到下部温度逐渐降低, 上部温度下降比较快, 而从上到下曲线基本均匀, 这符合温度场变化规律, 证明在 CX10孔孔周围不存在大的异常。然而在 11月 7日曲线中从 1114 m深度上可以明显发现温度 异常跳跃, 后经查实在 11月 7日前 CX10孔附近进 行钻孔注浆引起温度场变化,与渗流场无关。 CX17孔温度曲线参见

26、图 5。在 12月 12日大气 温度陡降时,在孔底部发现低温度区域,这种情况 与正常温度场在地层中的分布不符合, 说明在 CX17孔附近存在较大渗流异常。 CJ6孔在 CX17孔附近, 仅隔 0.5 m, 其温度场与 CX17孔有较好的联系, 变 化趋势相似。 CX17孔的水位较其余孔水位低 1 m左右,充分说明此区域基坑内的涌水由 CX17孔附 近渗透路径补给;而且 CX17孔附近连续墙存在裂 缝,经两次同位素示踪实验可以充分证实这一点。 后来在 CX17孔附近进行注浆加固后测量的温度曲 图 4 CX10孔温度分布Fig.4 Temperature distribution in hole

27、CX10 图 5 CX17孔温度分布Fig.5 Temperature distribution in hole CX17线恢复了上层随环境温度变化大、下层变化小的正 常趋势。在 12月大气温度降低的过程中, 发现 CJ2, CJ3孔的温度曲线在较大深度范围内也存在随环境温度 下降的低温度段。在如此深度的地下水受地面温度 的影响理应较小,参见图 6, 7。温度呈快速下降的 原因只能是在 CJ2, CJ3孔存在较大渗流速度区域, 显然受上层与低温结合较紧密的水层补给。这 2孔 附近发现大量渗漏水,温度与这 2孔较近有联系, 是由这两孔附近的连续墙不完整造成的。 2090 岩石力学与工程学报 20

28、04 年 深层地下水水位没有得到真正的提高。 5 结束语 Fig.6 图 6 CJ2 孔温度分布 Temperature distribution in hole CJ2 土木工程基础引起了地层环境的变化，主要是 改变了地层原始分布状态，从而引起水文地质条件 的改变，改变了地下水径流的路线，破坏了原有的 补给关系，从而改变了地下水渗流场的分布形式与 赋存状态，这为地下水渗流监测带来了困难。温度 是地下水渗流场良好的 “天然示踪剂” 地层中的温 。 度异常提供了有关地下水渗流场的特定信息。通过 温度场可以准确地探测出地下水的补给渗漏通道， 这是由于地层温度的升高或降低不但来自地层中流 动的地下水带来的能量，而且还与热传导有关。尤 其在地下水位较高的地区开挖基坑时，由于切断了 含水层，地下水会不断渗入到基坑之中，因此必须 对地下水进行防渗处理， 提供地下工程作业的条件。 对于位于沿海、沿江的大城市来说，深基坑开挖中 的降水问题显得尤为重要。而采取降水、支护措施 前需要对地下水渗流场有深入的了解，温度示踪探 测方法以其操作简便、经济、准确的特点，具有良 好的应用前景。 参 考 文 献 1 汪集旸，熊亮萍，黄少鹏. 沉积盆地中热的传递和地下水活动J. 第四纪研究，1996，(2：147158 2 张发旺，