鄭偉強(qiáng) 戴阿福 杜國(guó)平

(1.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210005; 2.南京市建設(shè)工程審查管理中心，江蘇 南京 210000; 3.南京帝壩工程科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

“三維流速矢量聲納測(cè)量?jī)x”是集聲納探測(cè)技術(shù)、航空定向技術(shù)、壓力傳導(dǎo)技術(shù)、水文地質(zhì)計(jì)算、GPS定位、計(jì)算機(jī)模擬顯示、存儲(chǔ)、打印于一身的水流質(zhì)點(diǎn)速度和矢量的高科技PCT專(zhuān)利產(chǎn)品。該技術(shù)是國(guó)家科學(xué)技術(shù)部重點(diǎn)科技成果項(xiàng)目，旨在通過(guò)PCT專(zhuān)利的高科技水文地質(zhì)測(cè)量技術(shù)與世界先進(jìn)的測(cè)井技術(shù)接軌，使我國(guó)水文地質(zhì)測(cè)井技術(shù)的研究與應(yīng)用水平跨入世界先進(jìn)行列[1,2]。

本文以南京地鐵某站為背景，對(duì)其三個(gè)水文地質(zhì)測(cè)試孔，進(jìn)行了天然流場(chǎng)下的地下水滲流測(cè)量，旨在為地鐵站的設(shè)計(jì)、開(kāi)挖和施工提供科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 工程概況

南京地鐵該線一期工程沿線共設(shè)置17座車(chē)站，包括換乘站9處。

擬建車(chē)站起止里程約為AK10+579～AK11+109，計(jì)算站臺(tái)中心里程AK11+034。車(chē)站型式為地下兩層島式，基坑開(kāi)挖方式為半蓋挖形式(設(shè)施工棧橋板)，車(chē)站主體底板埋深約18.5 m，端頭井底板埋深約20.5 m，擬采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2 聲納探測(cè)

2.1 聲納探測(cè)原理

聲波滲流探測(cè)技術(shù)，是利用聲波在水中的優(yōu)異傳導(dǎo)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度場(chǎng)的測(cè)量。如果被測(cè)水體存在滲流，則必然在測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生滲流場(chǎng)，聲納探測(cè)器能夠精細(xì)地測(cè)量出聲波在流體中傳播的大小，順流方向聲波傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播速度之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系，建立連續(xù)的滲流場(chǎng)的水流質(zhì)點(diǎn)流速方程。

三維流速矢量?jī)x原理圖見(jiàn)圖1。

2.2 聲納探測(cè)計(jì)算公式

根據(jù)聲納探測(cè)原理，其計(jì)算公式為：

(1)

其中，L為聲波在傳感器之間傳播路徑的長(zhǎng)度，m;X為傳播路徑的軸向分量，m;T12,T21分別為從傳感器T12到傳感器T21和從傳感器T21到傳感器T12的傳播時(shí)間，s;U為流體通過(guò)傳感器T12,T21之間聲道上平均流速，m/s；D為探頭半徑。

3 基本數(shù)據(jù)

測(cè)量孔的成孔孔深55 m，測(cè)孔直徑70 mm；3號(hào)在交叉路口的東南角，成孔深度71 m，孔徑90 mm；2號(hào)位于交叉路口的中央，成孔深度61 m，孔徑70 mm?？傆行y(cè)量深度181 m。測(cè)量時(shí)的水文邊界條件：2011年冬季枯水期的12月20日～26日期間，滲流場(chǎng)的地面水系，西有長(zhǎng)江，東北面有秦淮河環(huán)繞的天然滲流狀態(tài)下，通過(guò)3個(gè)水文地質(zhì)鉆孔測(cè)量出中保站的地下水滲流場(chǎng)的流速、流向、滲透系數(shù)、滲流量、基坑排水量、溫度場(chǎng)和電導(dǎo)率等地下工程需要的各種水文地質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

4 測(cè)量結(jié)果及分析

4.1 滲透流速測(cè)量結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，1號(hào)孔中地下水平均滲透流速0.001 66 m/d，其滲流方向?yàn)镹N15°～105°。3號(hào)孔為三個(gè)測(cè)控中最深的，該孔的平均滲透流速0.001 44 m/d，滲流方向NN50°～100°。2號(hào)孔地下水平均滲透流速0.001 53 m/d,其滲流方向?yàn)镹N50°～100°；上層潛水產(chǎn)生的滲流量在46 m左右形成了4.57 m/h向下的垂向流速，因此由上層的潛水補(bǔ)給下層的含水層，其下層的微承壓水的靜水頭高度是0.54 m，即下層承壓水的高度比井孔中的混合地下水位的高度低0.54 m。

4.2 滲透系數(shù)顯示結(jié)果

1)1號(hào)孔。滲透系數(shù)是工程地質(zhì)應(yīng)用中非常重要的水文參數(shù)，圖2是1號(hào)孔的滲透系數(shù)沿孔深分布曲線，該孔最大滲透系數(shù)是1.47 m/d，最小的滲透系數(shù)是0.033 m/d，孔中的平均滲透系數(shù)是0.561 m/d。2)2號(hào)孔。圖3是2號(hào)孔的滲透系數(shù)沿孔深分布曲線，該孔最大滲透系數(shù)是2.266 m/d，最小的滲透系數(shù)是0.02 m/d，孔中的平均滲透系數(shù)是0.556 m/d。3)3號(hào)孔。圖4是3號(hào)孔的滲透系數(shù)沿孔深分布曲線，該孔最大滲透系數(shù)是2.13 m/d，最小的滲透系數(shù)是0.015 m/d，孔中的平均滲透系數(shù)是0.55 m/d。

4.3 電導(dǎo)、溫度測(cè)量結(jié)果

1)電導(dǎo)測(cè)量結(jié)果。圖5是3個(gè)孔的電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果曲線，從圖中看出，三孔的平均電導(dǎo)值按1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)的排序分別是344 ms，396 ms和352 ms，1號(hào)的電導(dǎo)值最低，3號(hào)居中，2號(hào)孔的電導(dǎo)值較高。但是，它們均屬于同一個(gè)級(jí)別的水質(zhì)，在縱剖面上看下部的水質(zhì)比上部的要好。

2)溫度測(cè)量結(jié)果。從圖6中的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，反映出3 m～15 m間的溫度值變化較大，變化區(qū)間在18.5 ℃～21.4 ℃，以下的溫度比較穩(wěn)定，它們的變化曲線基本處于一個(gè)同步的變化過(guò)程中。3號(hào)孔的平均孔溫稍低于另外兩孔，可能是受重復(fù)洗孔的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

將三維流速矢量聲納技術(shù)應(yīng)用于地鐵車(chē)站，得出以下結(jié)論：1)從現(xiàn)場(chǎng)三孔測(cè)量的流速場(chǎng)顯示，各孔的地下水滲流場(chǎng)都是自西向東的滲流過(guò)程，各孔的斷面單寬滲流量均為0.09 m2/d～0.1 m2/d左右，且其方向與三孔滲透流速大小的排序是一致的。2)三孔的平均滲透系數(shù)均在0.55 m/d～0.56 m/d左右，可根據(jù)該數(shù)據(jù)計(jì)算出基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)各土層的疏干單寬流量，綜合基坑規(guī)模(200×30 m)，因此該站的基坑疏干水量為16 100 m3/d。3)電導(dǎo)率的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，三孔的電導(dǎo)平均值較接近，但下部的電導(dǎo)值比上部低，下部的水質(zhì)比上部的好。4)溫度測(cè)量結(jié)果反映出三孔在3 m～13 m之間的溫度變化較大，而在13 m以下溫度變化趨于穩(wěn)定，并且處于同步的變化之中。5)該地鐵站的東西走向與地下水滲流的方向基本一致，即為平行于水流方向的地下建筑物，其南北兩側(cè)的水頭差相對(duì)較小，主要是受動(dòng)態(tài)水流的作用相對(duì)較大。