第23卷 第12期
岩石力学与工程学报 23(12)：2091～2095
2004年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2004
2003年6月2日收到初稿，2003年7月27日收到修改稿。
* 国家自然科学基金重点项目(50139030)和湖北省“十五”科技攻关项目资助课题。
作者 陈建生 简介：男，1955年生，博士，现任教授、博士生导师，主要从事同位素探测地下水参数方面的研究工作。E-mail ：jschen@bhu.edu 。 ＊
陈建生1 杨松堂2 刘建刚1 陈 亮1
(1河海大学岩土工程究所 南京 210098) (2
南京市水利规划设计院 南京 210008)
摘要 首先分析了环境同位素和水化学在堤坝渗漏分析研究中的基本原理，作为天然示踪剂，环境同位素和水化学标记着地下水、河水和降水。通过对比地下水与河水、雨水的同位素和化学成分，确定这几类水之间的水力联系，从而判别地下水的补给源、渗漏区的位置与范围、地层的性质等。在3个实例中，运用环境同位素和水化学得出了许多有益的结论，并且这些结论也通过其它方法得到了验证。在堤坝的渗漏研究中，环境同位素和水化学是一个很有价值的工具，运用它可以得出许多直观的结论，并最终对防渗加固有一定的指导作用。 关键词 水文地质，渗漏，环境同位素，水化学
分类号 TV 698.2+33 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)12-2091-05
APPLICATION OF ENVIRONMENTAL ISOTOPE AND HYDROCHEMISTRY TO LEAKAGE STUDY
Cheng Jiansheng 1，Yang Songtang 2，Liu Jiangang 1，Cheng Liang 1
(1Institution of Geotechnical Engineering ，Hohai University ， Nanjing 210098 China )
(2Nanjing Municipal Water Conservancy Planning and Designing Institution ， Nanjing 210008 China )
Abstract The theory of environmental isotope and hydrochemistry applied to leakage study is described. As natural tracers ，environmental isotope and hydrochemistry mark groundwater ，river
water and precipitation. By contrast of the composition of environment isotope and water chemistry in water ，the relation between them can be determined to distinguish the replenishment resource of groundwater ，the position and range of leakage ，the stratum formation and and so on. Some conclusions are drawn and also proved by other methods in three examples. So it can be concluded that environmental isotope and hydrochemistry can be used as a useful measure for dike leakage study and a guidance for dike reinforcement.
项目成本管理论文Key words hydrogeology ，leakage ，environment isotope ，water chemistry
1 理论依据
1.1 环境同位素[1]
天然水中氢有两种环境同位素：氘和氕，氧常见的有3种同位素：16O ，17O ，18O ，它们都是环境同位素，这些原子通过不同的组合方式，它们可以
形成不同的同位素水分子，如182H O ，HD 18
O 和HD 16O 等。由于它们之间存在质量差，质量大的水分子如HD 18O 优先在液相(水相)中富集，质量小的
水分子162H 则趋于残留在气相水(水蒸汽)中，在液相和气相之间就产生了同位素分馏，即产生同位素组成的不均匀性。分馏程度处决于温度、蒸发、地形以及距海洋远近等因素。当水处于长期蒸发的条件
• 2092 • 岩石力学与工程学报 2004年
下，许多环境的轻水分子如162H O 容易逸出水体，较重的环境同位素水分子留在水中，并得到相对富集。同位素分馏作用是导致上述“效应”的主要原因。
氚是氢的另一种放射性同位素，它在大气层中形成氚水后遍布整个大气层，对水起着标记作用。一般来说，河水中氚的含量主要取决于它的补给来源，由大气降水补给的河水氚的含量较高，而由地下水补给的河水氚含量较低。并且地下水中的氚值含量还取决于含水层的补给来源、埋藏及径流条件。一般潜水和浅层承压水属于现代循环水，其氚值含量高，深层承压水一般属于停滞水，含氚量低。因此，通过对氚的分析可以研究地下水的补给、排泄、径流条件，探索地下水的成因，确定地下水与地表水之间的水力联系，确定水文地质参数等。 1.2 水化学分析[2]
在自然界中，各类天然水所含的化学成分差别很大，雨、雪等大气降水，河水、湖水等地表水以及地下水各不相同，即使是同类水体，水中的各种成分也不尽相同，这都是由于水体所处的环境来决定的。水中化学成分的形成是水与地层间长期相互作用的结果，它包含了地下水的历史以及地层等方面
的诸多信息，是分析地下水补排的重要依据。由河、湖或水库逃逸出来的水进入地层后化学成分的变化可以知道水渗漏过的一些地层的天然性质，在许多情况下对下游钻孔或泉水中的化学成分进行测量可以探明已存在的渗漏路径。通过水化学分析可以知道钻孔与泉水是来自于地下水还是库水，因而在堤基渗漏评价时，可以利用地下水化学成分特征分析堤基渗漏的部位、强度等。
2 工程实例
2.1 环境同位素和水化学表明黑鱼塘水与运河水
没有补给关系
南水北调京杭大运河堤防自从修建以来许多堤段都存在着堤防渗漏，运河河堤背后存在许多湖泊、河流、水塘等，无法对堤段的渗漏强度进行评价，
因此也就无法确定具体的加固措施。利用环境同位素和水化学数据并结合人工示踪探测得到的结果，对其中认为存在强渗漏的6段进行了分析，确定是否存在渗漏通道的隐患，对下一步的加固工作有了指导作用。这里选了黑鱼塘段进行分析。
在这段堤坝脚下有一水塘，如图1所示，据当地村民反映，他们曾试图抽干塘水，但始终没有达到目的，因而，他们怀疑水塘这一位置的堤坝渗漏最为严重，为了验证这个塘中的水是否直接由河水补给
的，我们就在水塘中取其水样，表1列出了环境同位素和水化学的分析结果。通过环境同位素分析发现，塘水中氚值含量是所有水样中最低的，只有8.46‰，与降水接近，塘水中δD ＝－32.83‰，O 18δ= －3.13‰，远高于河水的含量，这只有长期蒸发才能出现这种情况，因而水塘的水来自大气降雨补给，与河水无关。从水化学成分来看，水中的溶解总固体为385.7 mg/l ，比河水高了一些，因此，水中其
它离子也有所增加，钻孔中的−24SO 和−
3NO 含量却比
河水要低，这主要是由于硫酸盐还原菌的作用，这
些细菌在缺氧的条件下和有机物存在时，−
24SO 被还原成H 2S ，水中氧的含量低说明水流运动十分缓慢，且主要为上部水流的渗入，这更证明了河水补给的塘水是极其微小的。同时，在堤坝上钻设了3个孔(孔号为3#，4#，5#)进行水平渗透流速测试，流速分
别为 1.66×10－
3 m/d ，2.58×10－3 m/d ，0.69×10－3 m/d ，流速在所有孔中是最小的，显然，这与环境同位素和水化学分析出来的结论是极为一致的。
图1 黑鱼塘取样点位置
Fig.1 Location of sampling point at Heiyutang
硅酸盐通报表1 环境同位素和水化学的分析结果
Table 1 Analysis result by environmental isotope and hydrochemistry
位置 K + /mg ・l －1 Na + /mg ・l － Ca 2+ /mg ・l －1 Mg 2+ /mg ・l －1 HCO 3- /mg ・l －1 Cl - /mg ・l －1 SO 42- /mg ・l －1 NO 3- /mg ・l －1 溶解总固体 /mg·l －1
曲率驱动
δD /‰
δ18O /‰
T /TU 黑鱼塘塘水
11.66 25.43 47.82 17.16 206.74 33.82 28.07 5.87 385.7 －32.83 －3.13
8.46
河水 2.37
11.79
40.01
10.06
129.95
16.02
42.1
7.61
269.3
－54.11 －8.66 22.32
运
河
公
δD =－32.83‰
δ18O =－3.13‰ T = 8.46 TU
路
黑
鱼 塘
5#
4
#
3# 流速测量孔
第23卷第12期陈建生等. 环境同位素和水化学在堤坝渗漏研究中的应用 • 2093 • 2.2运用水化学和环境同位素推测北江大堤石角
段深层基岩渗漏通道
北江大堤石角堤段历史上曾发生过多次严重的管涌和流土(下统称“管涌”)，甚至溃堤。也是北江大堤最严重的险段。1991～1993年间，对石角段内的5.3 km堤坝进行了高喷灌浆处理，处理深度为基岩下1 m。但在1994年6月的50 a一遇和1997年7月的20 a一遇洪水时在距堤脚近140和150 m 的莲藕塘和啤酒厂一带发生严重的喷水、冒砂现象，1994年冒砂250 m3，1997年冒砂120 m3。
在1999～2000年对莲藕塘和啤酒厂一带从堤脚至“管涌”区进行了大面积压砂(厚度1 m左右)，并建立了52个减压井用于降低松散层中的水压力。在2001年4月、6月和7月北江石角段的3次在近12 m的高水位情况下，啤酒厂“管涌”区附近地表又出现了冒水现象，但在距离冒水点仅几米的减压井中却没有排水，减压井比地表高程低1.5 m。为了证实“管涌”渗漏通道，我们做了大量的现场试验工作，包括：环境同位素D，18O和主要水化学成分，最终确定了地表涌水来自深部基岩的断裂渗漏通道，并排除了其他的可能性。测试过程详述如下：
(1) 石角段“管涌”区氘氧同位素分析
在2001年7月上旬出现的12 m的高水位情况下，我们在石角段“管涌”区及其附近的涌水点、观测孔、塘水、江水、村民水井等取了水样，取样地点、深度、时间及测试结果参见表2。
将δD值分布绘制在北江大堤石角段“管涌”区的平面图上，如图2所示，图中的小方块为1997年7月的“管涌”发生处。从图2中可以清楚地看到，仅在被圈定的区域的水样的δD与江水的δD值接近。表明该区域地下水为江水补给，而其他的水样均为局部降水，也就是说，涌水不可能来自基岩上部的砂砾石层，因为所有堤顶观测孔中的水样分析都为局部降水。如果“管涌”附近的地表涌水是来自砂砾石层，堤顶观测孔为江水入侵的必经之路，它的水样应该为江水而不是现在的局部降水。大多数深孔如T26#，BT7#，T21#，T16#和T17#中的地下水表现为本地降雨的渗透，与江水没有关系。δD分布还排除了地表涌水来自其他渗漏通道的可能性。
(2) 连通示踪试验验证存在深部基岩断裂渗漏通道
为了查清“管涌”等集中渗漏通道以及渗漏产生的原因，还在T10#与T19#观测孔之间进行孔间的连通试验。方法是在渗透流速很强的T10#孔中投放
表2 北江大堤石角段“管涌”区水样中δD及δ18
O
分析
Table 2 Analyses of δD and δ18
O
at piping area of Shijiao section of Beijiang Dyke
位置取样深度/m 时间/年・月・日δ18
O
/‰δD/‰
T9#孔北5 m处涌水0 2001.7.11 －8.11 －57.6 T9#孔北排水沟出水0 2001.7.11 －8.42 －54.8 江水0 2001.7.11 －8.95 －61.6 T26#50 2001.7.11 －6.64 －43.3 BT7#48 2001.7.12 －6.47 －42.8 T21#55 2001.7.12 －6.62 －46.0 T16#75 2001.7.13 －6.39 －41.4 T12#15 2001.7.13 －9.03 －66.3 T11#40 2001.7.13 －6.76 －42.5 BB1#51 2001.7.13 －6.21 －41.2 T12#37 2001.7.13 －9.39 －63.2 T14#38 2001.7.13 －6.06 －36.9 T1#35 2001.7.14 －6.33 －43.3 T2#35 2001.7.14 －6.62 －43.8 T3#35 2001.7.14 －6.3 －39.6 T8#35 2001.7.14 －6.03 －43.3 T5#35 2001.7.14 －6.49 －37.2 T6#35 2001.
7.14 －6.22 －42.8 A5#孔东附近井水2001.7.16 －8.04 －52.5 T13#西附近井水2001.7.14 －6.45 －42.3 T15#35 2001.7.15 －5.84 －32.5 附近塘水2001.7.15 －6.27 －36.0 T13#35 2001.7.14 －5.85 －37.6 T4#35 2001.7.14 －5.84 －37.0 T17#50 2001.7.15 －6.13 －40.4 示踪剂，在T10#孔周围的观测孔中进行连续的测量，记录下示踪剂浓度的连续变化曲线，从而确定出渗漏通道。多孔示踪试验的示踪剂在此处可选用食盐水，采用电导仪测定浓度。星星知我心续集
在2000年6月27日进行了一次多孔示踪试验，
• 2094 • 岩石力学与工程学报 2004年
图2 石角段环境同位素δD 值(‰)证实存在一条深层基岩断裂渗漏通道 Fig.2 Deep rock leakage passage verified by analyses of δD (‰) at Shijiao Section
江水位处于下降过程，内江地下水流向外江。选择T10#孔中投源，6月27日10时共投放了20 kg 的NaCl ，此时的江水位为6.67 m 。投源的方法是将20 kg 的细盐直接投入孔中，这样做主要是考虑到T10#孔底部55～60 m 的砂岩中出现过3次30～70 cm 的跌钻，注水示踪试验发现90％以上的注水量都是从孔底附近这3个跌钻空洞中流走的。
投源之前对T10#孔周围的T19#，T20#，T21#，T22#，BB1#，T16#，T17#，T12#，T7#，B3#，T7#，T8#，T9#孔等诸孔中进行了水中电导本底测定，投源后进行了定时巡测，约1 h 测定一轮。在投源后最初的6 h 内在T19#孔没有发现任何异常，电导值都是在235～270 ms 内变化，在砂层和砾石层中没有测定到电导明显增加的现象；投源6 h 后在T19#孔的96～100 m 深度接收到了示踪剂。T12#孔位于T10#孔与T19#孔之间，距离T10#孔约35 m ，在23 h 后在T12#孔中也探测到了示踪剂，说明这两个孔之间也存在水力联系。T12#孔比T19#孔离T10#孔更近，反而接收到示踪剂的时间更长。其原因在于T19#孔和T10#孔之间存在深部集中渗漏通道，其水力联系更好。连通试验证实在T10#与T19#孔之间存
在一条渗漏通道，它们之间倾角为30°～35°，将两
者之间的通道延长便可到达“管涌”区域。深部断裂造成的渗漏通道示意图参见图3。
图3 深部断裂造成的渗漏通道示意图 Fig.3 Sketch of leakage passage caused by deep fissure
2.3 环境同位素和水化学预测某工程左坝肩岩溶
发育区
该工程位于湖北省境内，两岸均为石灰岩地层，水文地质条件十分复杂，为达到防渗帷幕优化设计的目的，我们采用环境同位素和水化学分析手段，探明了左岸ZW6#孔附近的溶洞发育区。
左岸帷幕线附近探测孔的布置如图4所示。除进行环境同位素和水化学分析外，还进行了流速、
19#高喷防渗帷幕
江水位 深部基岩断裂空洞图例
粘土层 砂层 砾石层 基岩
9#
10#
12#
第23卷第12期陈建生等. 环境同位素和水化学在堤坝渗漏研究中的应用 • 2095 •企业内部控制基本规范
流向和温度测试，测试结果也在图中表示，但对岩溶发育区的位置和范围分析判断的主要依据是环境同位素和水化学结果。预测在ZW6#孔附近存在溶洞发育的依据如下：
图4 左坝肩地层温度、分水岭及溶洞预测位置示踪图Fig.4 Predicted distribution of strata temperature，watershed and solution cavern in left abutment
(1) 环境同位素分析。该地区大气降水中的氚值含量为24 TU，江水中的氚值为14 TU，ZW6#孔底部地下水的氚为12.47 TU，是所有探测孔中的最高的，不仅与江水样接近，而且也与其它溶岩管道出口水样的氚值接近，对同一补给源同一地区的地下水，氚值的高低反映了地下水的活跃情况，ZW6#孔深部的地下水径流活跃，且与其它岩溶管道出水口相通，环境同位素δD值为－66.4‰，也与江水样的δD值67.6‰接近，进一步证实了ZW6#孔深部与附近其他岩溶管道相通。
(2) 水化学分析。因为地层岩性单一，水化学分析也比较简单，但地下水动态变化与水中Ca2+含量相关性很好。ZW6#孔底部随季节变化明显，8月份为151.3 mg/l，11月份为89.02 mg/l，反映了8月份雨量的影响。另外ZW6#孔的溶解总固体在所有孔中是最高的，说明该孔所在位置本身不存在与外界相通的岩溶管道。
(3) 其他示踪依据。ZW6#孔中水的温度较其它孔低，地下水的流速也较其它孔小，同样证明该孔本身不在岩溶管道上。
3 结语
环境同位素和水化学方法可以解决很多堤坝渗漏中遇到的疑难工程问题，对工程的正确决策起到了关键的作用。在堤坝加固建设中，由于没有查清堤坝渗透破坏产生的原因而造成的浪费在整个堤坝的工程中占有相当的比例。很多试验证实，将环境同位素方法应用于堤坝“管涌”中的基岩渗漏通道研究具有重要的意义。将环境同位素和水化学方法应用于堤坝渗漏原因的调查研究中，与人工示踪方法相结合解决堤坝的渗漏问题是十分有效的，具有良好的应用前景。
参考文献
1 刘存富，王恒纯. 环境同位素与水文地质学基础[M]. 武汉：武汉
地质学院出版社，1984
2 肖艾兰. 普通化学和水化学[M]. 北京：水利电力出版社，1992
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