戚海博 顧 凱② 張 博 姜 霖 董家君 施 斌 姜月華

(①地球科學與工程學院，自然資源部地裂縫地質災害重點實驗室，南京大學，南京 210023，中國)(②關鍵地球物質循環(huán)前沿科學中心，南京大學，南京 210023，中國)(③中國地質調查局南京地質調查中心，南京 210016，中國)

0 引 言

我國現(xiàn)有江河干堤總長約6萬公里，其中僅長江中下游就有共計1500km堤防邊坡存在崩岸的風險，對防汛安全、供水安全、生態(tài)安全及航行安全造成了嚴重威脅(陳祖煜等，2000)。近年來，堤防工程中由地下水滲流引起的工程地質災害(崩岸、管涌等)頻發(fā)，使得地下水滲流場評價成為當前的緊迫任務之一。有學者指出，地下水滲流是影響堤防穩(wěn)定性的主要因素之一(嚴文群等，2009)。松散沉積物為主的堤防土質邊坡，在地表水與地下水的共同作用下易發(fā)生岸坡滲透變形、邊坡失穩(wěn)，從而形成崩岸。

地下水滲流場評價的手段包括利用滲壓計等的直接監(jiān)測方法和以同位素示蹤法、溫度示蹤法、探地雷達等為代表的間接反演方法兩類(Anderson，2005；Constantz et al.，2006；Bayless et al.，2011；王東東等，2020)。在這些方法中，滲壓計、測壓管以及探針法為點式測試，監(jiān)測范圍有限，布設困難且需要將昂貴的傳感器埋于地下，難以回收利用且維修困難，監(jiān)測成本高；同位素示蹤方法存在污染環(huán)境的風險，此外探地雷達在監(jiān)測的過程中易受到電磁信號干擾，影響監(jiān)測結果(戴傳山等，2018；利振彬，2019；蔡征龍等，2021；秦臻等，2021)。而溫度示蹤法具有理論簡明、環(huán)境友好、數(shù)據(jù)采集方便等特點，在滲流場評價中具有廣闊的應用潛力。

溫度信息作為研究地下水的天然示蹤劑，最早被研究人員引入到水文地質學領域的研究中(Flynn，1985；Anderson，2005；Constantz et al.，2006)。溫度示蹤法的研究始于20世紀60年代，研究人員利用地溫剖面或地溫正弦變化揭示地下水滲流規(guī)律(Bredehoeft et al.，1965；Stallman，1965)。Hare et al.(2015)利用河床底部的溫度異常揭示了地下水滲漏區(qū)域；Schuetz et al.(2011)利用熱紅外技術定量研究了河流局部地下水涌入量。利用溫度示蹤法既能研究地表水-地下水交互過程，又可以定性識別地下水流速大小。飽和的近地表地層中溫度場的變化規(guī)律已被廣泛用于定量研究地下水滲流(Cox et al.，2007；Rau et al.，2014)。此外，基于線狀加熱電阻和熱電偶溫度傳感技術的探針方法自20世紀90年代開始被用于測定土樣的熱物性(Ren et al.，1999)。隨后他們利用探針估算飽和土體中的流速大小，發(fā)現(xiàn)上下游位置兩個溫度傳感器之間的最大溫升與流速大小呈線性關系(Ren et al.，2000)。

近年來，基于分布式光纖測溫(Distributed Temperature Sensing，簡稱DTS)技術的溫度示蹤法憑借其高時空分辨率監(jiān)測的特點被廣泛應用于水文地質研究(Banks et al.，2014；Shanafield et al.，2018；Selker et al.，2018)。當含水層中存在地下水滲流時，可以根據(jù)DTS記錄到的滲流引起的溫度異常評價堤壩坡面滲流情況或定位堤壩中的滲漏通道(董海洲等，2004；萇坡等，2014；段珣，2014；王新建等，2015)。此外，DTS還被用于裂隙巖體地下水滲流場特征的評價(符韻梅等，2022)。這種觀測自然溫度信息變化的方法需要地下水和巖土體之間存在一定的溫度梯度，這一定程度上限制了該方法對地下水流速的識別。通過向地層中注入一定熱量的主動溫度信息方法可以人為地提高地下水和巖土體之間的溫度梯度，有效建立溫度和滲流之間的聯(lián)系(甘孝清等，2013)。肖衡林等(2009)、嚴珺凡等(2015)在物理模型試驗中初步驗證了主動溫度信息法估算地下水流速的可行性，提出了流速與光纜穩(wěn)定溫升的半理論公式。上述工作通常關注滲流事件的識別，鮮有在原位場地開展基于主動溫度信息法的地下水滲流場評價研究。近年來，主動加熱光纖熱響應測試(Actively Heated Fiber Optics Based Thermal Response Test，簡稱ATRT)方法被用于實施單孔熱響應測試。ATRT方法符合現(xiàn)有傳熱理論，可以獲取高時空分辨率的溫度數(shù)據(jù)(空間采樣間隔可達0.25m、采樣時間間隔30s、溫度分辨率0.01K)，這使得其成為一種可靠的地下水滲流評價方法(des Tombe et al.，2019；Zhang et al.，2020；Simon et al.，2021)，為地下水滲流場的精細化評價提供了可能。

本文以揚中指南村崩岸場地為研究對象，探索了單孔熱響應測試在地下水滲流場精細化評價方面的潛力。在指南村崩岸場地的地層中布設了4個80m深的測試鉆孔(JD-1～JD-4)，基于ATRT方法分別開展了單孔熱響應測試。利用DTS解調設備獲取的高精度、高時空分辨率的光纜溫度響應數(shù)據(jù)，結合地層資料，對該崩岸場地地下水滲流場特征進行研究，得到了該崩岸場地不同位置，不同深度地下水滲流情況。

圖1 指南村崩岸場地：(a)區(qū)域概況；(b)指南村崩岸場地測試孔分布圖；(c)崩岸場地剖面圖Fig.1 Zhinan village bank collapse site：(a) Regional overview；(b) The location of testing boreholes；(c) Section of bank collapse site

1 現(xiàn)場試驗

1.1 研究場地

研究場地位于江蘇省揚中市指南村，長江嘶馬彎道出口段鎮(zhèn)江一側(圖1a)。揚中市四面環(huán)江，為長江中的沙洲，屬長江沖積平原。測試場地上部以漫灘相、河流相沉積的黏性土為主，下部以沖洪積相沉積的砂性土為主，具有典型的二元結構特征(圖1c)。2017年11月8日凌晨5時左右，該處發(fā)生較大規(guī)模崩岸，崩岸從外灘向長江干堤迅速延伸，最大進深190m，坍失主江堤440m，形成的窩崩呈“Ω”形狀，斷面上窩塘近岸邊坡較陡，坡比一般在 1︰1.5～1︰2，局部陡于1︰1(欒華龍等，2019)。布設了JD-1～JD-4 4個鉆孔開展單孔熱響應測試，以探究崩岸發(fā)生后地下水滲流場特征。其中：JD-1鉆孔位于堤壩內側，JD-2～JD-4鉆孔位于堤壩外側(圖1b)。

1.2 單孔熱響應測試

圖2 單孔熱響應測試裝置Fig.2 Setup of the single-borehole thermal response test

表 1 單孔熱響應測試參數(shù)設置Table1 Parameter setting of the single-borehole thermal response tests

2 結 果

在單孔熱響應測試中，主動加熱光纜的溫升受周圍地層熱物性及地下水流速控制，光纜溫升與地下水流速呈負相關。因此同一巖性地層中溫升差異可以反映地層中地下水滲流大小的差異(Banks et al.，2014)。為了直觀地描述單孔地下水滲流場在相同地層條件下的變化特征，本文提出了評價地下水滲流變化特征的新方法，即相對溫度系數(shù)(Relative Temperature Coefficient，簡稱RTC)：

(1)

2.1 ATRT加熱時間的選擇

圖3 JD-1不同加熱時間下的RTC-深度曲線Fig.3 RTC-depth curves under different heating duration of JD-1

圖4 JD-1單孔熱響應測試監(jiān)測結果：(a)溫升-深度曲線隨時間變化云圖；(b)加熱6h溫升-深度曲線；(c)、(d)6h 溫升計算得到的RTC-深度曲線Fig.4 Single-borehole thermal response test results of JD-1：(a) Temperature rise-depth profile plot with time；(b) Temperature rise-depth curve with 6h heating duration；(c)，(d) RTC-depth curve calculated by 6h temperature rise

2.2 垂向滲流變化特征

圖4～圖7分別展示了JD-1～JD-4的單孔熱響應測試結果。由2.1可知，JD-1加熱時間為6h即可滿足地下水滲流監(jiān)測要求，同時，為了方便與另外3個鉆孔熱響應測試結果進行對比，JD-1同樣選擇加熱時間6h數(shù)據(jù)進行分析。

根據(jù)圖4 可知，加熱6h后，最大溫升出現(xiàn)在地表以下30m左右的粉細砂層，最低溫升出現(xiàn)在80m左右的礫砂層中；JD-1在粉細砂層內的溫升隨著深度的增加，溫升呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；礫砂層內，溫升發(fā)生了陡降，說明此處地層中的地下水滲流條件發(fā)生了顯著變化。由圖4c、圖4d中的 RTC-深度曲線可知，在粉細砂層中，地下水流速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，地表以下30m左右地下水流速最小，5m左右地下水流速最大。此外，地表以下20m、35m、45m附近的地下水流速較相鄰地層大；礫砂層中，RTC在地表以下70～75m明顯降低，由此推斷礫砂層在該深度范圍內地下水流速增大，49～70m地下水流速則相對較小。地表以下68m左右地下水流速最小，鉆孔底部(80m)地下水流速最大。此外，在49m、63m左右的地下水流速較相鄰地層較大。

由圖5a、圖5b可知，加熱6h后，JD-2各深度點光纜溫升接近，最低溫升出現(xiàn)在鉆孔底部(80m)。由RTC反應的地層地下水流速來看，粉細砂層中，地表以下42m左右地下水流速最小，10m左右地下水流速最大，除了35m、55m左右地下水流速較臨近地層大，其余深度地下水流速接近。說明JD-2粉細砂層中的地下水流速在垂向上變化不大，地下水滲流場穩(wěn)定；礫砂層中，地表以下62m左右地下水流速最小，80m左右地下水流速最大，75～80m地下水流速顯著增大，這與JD-1礫砂層中地下水流速的變化基本一致。

圖5 JD-2單孔熱響應測試監(jiān)測結果：(a)溫升-深度曲線隨時間變化云圖；(b)加熱6h溫升-深度曲線；(c)、(d)6h 溫升計算得到的RTC-深度曲線Fig.5 Single-borehole thermal response test results of JD-2：(a) Temperature rise-depth profile plot with time；(b) Temperature rise-depth curve with 6h heating duration；(c)，(d) RTC-depth curve calculated by 6h temperature rise

圖6 JD-3單孔熱響應測試監(jiān)測結果：(a)溫升-深度曲線隨時間變化云圖；(b)加熱6h溫升-深度曲線；(c)、(d)6h 溫升計算得到的RTC-深度曲線Fig.6 Single-borehole thermal response test results of JD-3：(a) Temperature rise-depth profile plot with time；(b) Temperature rise-depth curve with 6h heating duration；(c)，(d) RTC-depth curve calculated by 6h temperature rise

由圖6a、圖6b可知，JD-3光纜溫升在地表以下30～45m較高，最低溫升位置在鉆孔底部(80m)。根據(jù)圖6c、圖6d RTC-深度曲線可知，粉細砂層中，地表以下37m左右地下水流速最小，12m左右地下水流速最大。地下水流速在垂向上的變化趨勢為10～30m地下水流速變化幅度小，30～45m地下水流速先減小后增大且變化幅度明顯，45～57m地下水流速波動小，保持穩(wěn)定；礫砂層中，地表以下68～71m地下水流速最小，鉆孔底部(80m)地下水流速最大，且從77～80m，地下水流速同樣出現(xiàn)了顯著增大。此外，61～66m地下水流速較臨近地層大。

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，JD-1～JD-3，粉細砂層中地下水流速最大位置均在靠近粉細砂層頂部位置；礫砂層中地下水流速最大位置均位于鉆孔底部。對于JD-4，由圖7a、圖7b可知，粉細砂層中，地表以下10～40m光纜溫升接近，40～47m光纜溫升顯著增大，47～57m溫升逐漸下降，下降幅度為0.4 K；礫砂層中，地表以下57～70m溫升接近，70～80m光纜溫升逐漸升高，升溫幅度為0.7 K。根據(jù)圖7c、圖7d可判斷，粉細砂層中，與前3個鉆孔不同，JD-4地下水流速最大位置不在粉細砂層頂部，而位于粉細砂層底部。地表以下43m左右地下水流速最小，10～40m左右地下水流速保持相對穩(wěn)定，40～47m地下水流速先減小后增大，47～57m地下水流速逐漸增加，變化幅度較?。坏[砂層中，地表以下79m左右地下水流速最小，71m左右地下水流速最大。57～73m地下水流速保持相對穩(wěn)定，僅73～80m地下水流速緩慢增大，但變化幅度較小。

2.3 地下水滲流的空間變化特征

由JD-1～JD-4單孔垂向滲流變化特征可知，在研究場地內，粉細砂層局部深度(地表以下30～40m)、礫砂層局部深度(地表以下70～80m)的地下水流速均存在較大波動，說明該深度范圍地下水動力條件復雜且具有代表性，因此選取粉細砂層30m、40m，礫砂層70m、80m共4個深度點附近的溫升數(shù)據(jù)，通過插值方法得到了該場地特定深度的水平向溫升變化云圖，如圖8所示。

圖8 研究區(qū)水平向溫升變化云圖：(a)～(d)分別表示粉細砂層30m、40m，礫砂層70m、80m的水平向溫升 變化云圖(單位：K)Fig.8 Horizontal temperature rise in the study area：(a)～(d) represents the horizontal temperature rise of 30m and 40m in fine sand and 70m and 80m in gravel sand respectively(unit：K)

由圖8可知，不同深度的地層水平向地下水流速變化存在以下特征，具體表現(xiàn)為：(1)同一巖性地層中，不同深度的地下水流速存在顯著差異。粉細砂層中，地表以下30m左右深度的地下水流速整體大于40m，礫砂層中，地表以下80m左右深度的地下水流速整體大于70m；(2)由圖8a～圖8c可以明顯看到JD-2所在位置溫升最低，可知該位置的地下水流速在水平方向上是最大的并且3個深度點附近的水平向地下水流速均呈現(xiàn)出隨著離岸距離增加而逐漸減弱的趨勢，由此推斷地下水滲流場與地表水聯(lián)系密切。值得注意的是，地表以下80m左右水平向滲流場的變化特征顯著區(qū)別于其他深度點，地下水流速不隨離岸距離的增加而減小，而是表現(xiàn)為地下水流速沿著西南方向逐漸減弱；(3)由圖8b～圖8d可以看出，JD-3所在位置溫升較周圍地層高，推斷此處地下水流速較小。

3 結 論

本文通過對揚中指南村崩岸場地地下水滲流場的研究，利用單孔熱響應測試方法，結合溫升—深度剖面，提出了一種地下水滲流場評價新方法，即相對溫度系數(shù)(RTC)，揭示了崩岸發(fā)生后地下水滲流場特征，主要得到以下結論：

(1)地下水滲流場垂向變化明顯。根據(jù)單孔RTC-深度曲線，JD-1～JD-3粉細砂層地下水流速最大位置均位于粉細砂層頂部，礫砂層中地下水流速最大位置均位于鉆孔底部。JD-4粉細砂層地下水流速最大位置位于粉細砂層底部，礫砂層中地下水流速最大位置位于地表以下71m左右。

(2)研究區(qū)特定深度位置的水平向溫升變化云圖揭示了崩岸場地地下水滲流場的水平向空間分布模式：地下水流速整體表現(xiàn)出“近岸大，離岸小”的特點，在鉆孔底部地下水流速則沿著西南方向逐漸減弱。

(3)本文利用單孔熱響應測試方法，實現(xiàn)了揚中指南村崩岸場地地下水滲流場特征的定性識別，揭示了該崩岸場地地下水滲流的空間變化規(guī)律，對堤防穩(wěn)定性研究等實際問題具有指導意義。

致 謝衷心感謝南京大學魏壯、向伏林，中國地質調查局南京地質調查中心周權平、楊國強、梅世嘉等對本研究工作的支持和幫助。