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以工程实例分析同位素在环境工程中的应用

时间:2011-12-11 9:09:34 点击:1833

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    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。
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