工程科学与技术   2019, Vol. 51 Issue (4): 30-36
荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性研究
孟永东1,2, 万秒2, 田斌1,2, 朱伟玺2, 卢伟平2     
1. 三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北 宜昌 443002;
2. 三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1501100);国家自然科学基金项目(51679129)
摘要: 以单孔稀释数学模型为理论依据,建立荧光光电流与坡体地下渗透流速的数学关系模型,设计开发适用于库岸坡体观测孔的地下渗透流速的荧光光电监测探头及测试系统。通过开展室内试验,研究不同浓度荧光溶液的光电流特性,以及环境水温、酸碱度、浑浊度等地下水环境因素对荧光光电流强度的影响,进而论证荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性。结果表明:5~25 ℃温度范围内,光电流强度随荧光溶液浓度增大而增大,在0~0.006 5%的低浓度范围内存在显著的线性关系,满足应用荧光光电测速法进行坡体地下渗透流速监测的理论条件要求;在荧光溶液浓度一定的条件下,光电流强度随温度升高而逐渐减小,线性规律明显,且不同浓度的拟合直线呈近似平行分布,斜率不大。温度对光电流强度的影响远低于浓度变化带来的影响,但实际应用时起始量测温度与结束量测温度基本相等,温度对坡体地下渗透流速的监测结果产生的影响可忽略不计。强酸性条件下会降低荧光剂的分子活性,使光电流强度明显下降,但加入碱中和后荧光溶液活性恢复,选用的Luyor–6200荧光试剂可满足常规酸性和碱性地下水环境下渗透流速的监测。浑浊度对光电流影响较大,但浑浊荧光溶液经历长时间静置后,光电流强度可恢复至正常荧光溶液的光电流强度值;依据试验可知,开展现场应用时,测孔成孔后至少需静置4 d以上才能达到观测要求。最后,给出了应用荧光光电测速法开展滑坡体渗透流速现场监测的实施方案。
关键词: 滑坡    岩土体    地下水    渗透流速    单孔稀释    荧光光电法    
Study on the Suitability of Fluorescence Photoelectric Method in Monitoring Underground Seepage of Reservoir Bank Landslide
MENG Yongdong1,2, WAN Miao2, TIAN Bin1,2, ZHU Weixi2, LU Weiping2     
1. National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges of Yangtze River, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China;
2. College of Water Conservancy and Environment, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China
Abstract: Based on the single hole dilution mathematical model, the mathematical relationship model between fluorescence photocurrent and seepage velocity of landslide slopes was established, and the fluorescence photoelectric monitoring probe and measuring system for seepage velocity of slope observation hole were designed and developed. Through laboratory experiments, the characteristics of photoelectric current of fluorescent solution with different concentration and the influence of groundwater environmental factors such as water temperature, turbidity, acidity and alkalinity on the intensity of fluorescent photoelectric current were studied, and the suitability of fluorescent photoelectric method in monitoring underground seepage of reservoir bank landslide was demonstrated. The results showed that the photocurrent intensity increases with the increase of fluorescent solution concentration in the temperature range of 5~25 ℃ and there is a significant linear relationship between the low concentration range of 0~0.006 5%, which meets the theoretical requirements of the application of fluorescent photoelectric velocimetry to the monitoring of seepage velocity in landslide slopes. At the same time, when the concentration of fluorescent solution is constant, the photocurrent intensity decreases gradually with the increase of temperature, and the linear law is obvious, and the fitting lines of different concentrations are approximately parallel distribution, with little slope. The influence of temperature on light current intensity is much lower than that of concentration change, but in practical application, the initial temperature and the end temperature are basically the same, and the influence of temperature on the monitoring results of seepage velocity can be neglected. Under strong acidic conditions, the molecular activity of fluorescent agent will be reduced, and the photocurrent intensity will be decreased obviously. However, the activity of fluorescent solution will be restored after alkali neutralization. The selected Luyor–6200 fluorescent reagent can satisfy the monitoring of seepage velocity in conventional acidic and alkaline groundwater environment. The turbidity has a great influence on the photocurrent, but the photocurrent intensity of the turbid fluorescent solution can be restored to that of the normal fluorescent solution after a long time of stationary. Therefore, it takes at least 4 days for the hole to be stationary for field application. Finally, the implementation scheme of on-site monitoring of seepage velocity of landslides by fluorescence photoelectric velocimetry was given
Key words: landslide    rock and soil    groundwater    seepage velocity    single hole dilution    fluorescence photoelectric method    

地下水是诱发滑坡的主要因素[13],探究水库库岸滑坡体地下渗流的时空变化,对于揭示降雨、库水变动影响下滑坡体地下水响应规律至关重要[45]。滑坡体内渗透空间复杂多变,不同地质单元、不同层序的岩土体都具有各自的渗透空间结构特色,地下渗流的运动极其复杂[6]。渗透流速是表征滑坡体地下渗流的关键参数,然而常规的岩土体渗透参数测量方法(如压水试验和抽水试验)对地层原始状况扰动较大,且观测范围有限,无法满足复杂滑坡岩土体内渗透流速的分层、高精度、连续观测。现有的无扰动流速测量仪器和探测方法,如电磁测速仪[7]、声学多普勒测速仪[8]、热线热膜测速仪[9]、激光多普勒测速仪[10]、粒子成像测速技术[11]等,由于其量程限制,主要用于地下潜水层和陆地开放水体较大流速的测定,无法应对坡体内微流速的量测。人工放射性同位素示踪稀释测速技术[12]可满足微流速的量测,但使用放射性同位素示踪剂对环境会造成放射污染,且衰变期短,量测结果不稳定。

荧光分析法[13]具有灵敏度高、选择性好、分析方法简单快速、试样量少等优点,已广泛应用于医学健康诊断[14]、环境污染物含量的测定[15]、工业循环冷却水处理剂的浓度监测[16]、油田井间连通性及储量评估[17]、坝体渗漏检测[18]等领域。

荧光分子因其具有自然本底值低、区分度高、无污染、稳定性好,以及光电元件可捕获荧光溶液的微小浓度变化的特点[13],可用于岩土体渗透流速的快速、精准量测。

研究首先依据单测孔点稀释模型推导了光电流强度与坡体地下渗透流速的数学关系模型,分析了荧光光电测速法的基本原理。随后,设计开发了适用于滑坡岩土体测孔内渗透流速量测的荧光光电监测探头及测试系统。通过开展相关室内试验,研究不同浓度荧光溶液的光电流特性;考虑滑坡体测孔内地下水环境因素,研究测孔地下水温、浑浊度、酸碱度对荧光光电流的影响,进而论证荧光光电法用于滑坡体渗流监测的适宜性,获得现场监测时荧光溶液的投放浓度和稀释过程中最佳观测的浓度范围;初步设计了应用荧光光电测速法开展滑坡体渗透流速现场监测的实施方案。研究成果可为荧光测速法在滑坡体渗流监测中的应用提供理论依据和实践指导。

1 荧光光电测速原理

荧光剂的分子能吸收能量而发射出荧光,根据荧光的光谱和荧光强度,可对荧光物质进行定量分析。光电元件能高区分度捕获荧光剂浓度的0.000 1 μg/mL微小变化量引起的荧光强度的变化[13],依据此放大原理可实现滑坡岩土体渗透流速的高灵敏度、高精度、大量程的监测,如图1所示。

图1 渗透流速荧光监测基本原理 Fig. 1 Principle of fluorescence monitoring of seepage flow velocity

图1中,滑坡岩土体内渗水按一定渗透流速 ${V_{\rm{f}}}$ 从测孔壁渗入测孔内,不断稀释荧光溶液,使其浓度不断降低,伴随着由激发光激发荧光溶液产生的荧光强度不断减弱,光电元件所产生的光电流随之变化。荧光溶液通过特定波长的激发光源激发,产生的光信号经过透镜聚焦,滤光片滤除激发光,聚集的荧光信号由光电元件接收并转换成电流信号。

Moser等[19]基于测孔内无垂向流、不发生溶剂弥散吸附且溶剂混合均匀、地下水平流不可压缩等假设,建立了单测孔点稀释模型:

$V = \frac{{{\text{π}}r}}{{2\alpha t}}\ln\frac{{{C_{\rm{0}}}}}{{{C_t}}}$ (1)

式中, $V$ 为坡体地下渗透流速, $\alpha $ 为流场畸变系数, $r$ 为溶液柱体半径, $t$ 为稀释时间, ${C_0}$ 为溶液初始浓度, ${C_t}$ 为时间 $t$ 对应的溶液稀释浓度。

对于某一荧光物质的稀释溶液,在一定波长和一定强度的入射光照射下,当溶液层厚不变时,由恒定激发光所产生的荧光强度 $F$ 和该溶液的浓度 $C$ 成正比。荧光物质的浓度在0.000 05~100 μg/mL时,荧光强度和浓度呈线性关系[13]。光电转换元件具有线性光照特征,即荧光强度 $F$ 与光电流强度 $I$ 具有线性正比关系。由此可得:

$\frac{{{C_{\rm{0}}}}}{{{C_t}}}{\rm{ = }}\frac{{{F_{\rm{0}}}}}{{{F_t}}}{\rm{ = }}\frac{{{I_{\rm{0}}} - {I_{\rm{b}}}}}{{{I_t} - {I_{\rm{b}}}}}$ (2)

式中, ${F_0}$ 为初始浓度对应荧光强度, ${F_t}$ 为经过稀释时间 $t$ 后的荧光强度, ${I_0}$ 为初始浓度对应光电流强度, ${I_t}$ 为经过稀释时间 $t$ 后的光电流强度, ${I_{\rm{b}}}$ 为未投放荧光溶液时的本底光电流强度。

据此可基于点稀释原理得到光电流强度与坡体地下渗透流速的数学关系模型[20]

$V = \frac{{{\text{π}}r}}{{2\alpha t}}\ln\frac{{{I_{\rm{0}}} - {I_{\rm{b}}}}}{{{I_t} - {I_{\rm{b}}}}}$ (3)

因此,以水基型荧光物质作为岩土体渗透流速测量的介质,利用光电元件将荧光的光强转化为电信号,并通过微电流表量测获得,以此反馈所投放荧光溶液在一定时间内被地下渗流稀释的程度。应用光电流与渗透流速的数学关系模型可得到测孔特定深度的岩土层内平均渗透流速。

荧光光电测速法适用于库岸滑坡地下渗流监测的必要条件是所选荧光剂应满足式(2)的线性比例关系,这将在后面通过试验证明。

2 试验装置设计

基于荧光光电测速基本原理设计了荧光光电特性试验装置,其核心组件是光电监测探头,主要由LED激发光源、平凸透镜、窄带滤光片、硅光电二极管等部分组成,如图2所示。

图2 光电监测探头内部结构 Fig. 2 Internal structure of photoelectric monitoring probe

LED激发光源的选择依据试验用荧光剂的感应波长而定,荧光波长应包含在硅光电二极管的波长敏感域内。监测探头的工作原理为激发光源发出稳定且特定波长的激发光,经过平凸透镜折射为平行光束,照射于探头中部开敞的荧光溶液中,荧光分子吸收激发光能量后散发出荧光,再次经平凸透镜折射及窄带滤光片(只透过特定波长的荧光),将荧光束汇聚于硅光电二极管上,最终完成荧光光强信号向可方便量测和传输的电流信号的转换。

依据试验所选荧光剂的特性及试验条件,探头选择中心波长为365 nm的大功率紫外LED激发光源,以及中心感应波长为550 nm的光敏电阻HSPD550–116EMG作为光电转换元件。

试验装置中的微电流表选用Keithley–6487皮安表,选用温度传感器Pt100用于实时监测荧光溶液温度,选用稳压恒流源为光敏电阻和激发光源提供恒定电流。荧光光电流特性试验装置如图3所示。

图3 荧光光电流特性试验装置 Fig. 3 Testing system of fluorescent photoelectric current characteristic

光敏电阻的光照特性在大多数情况下为非线性的,其电阻值有较大离散性,只有在微小的范围内呈线性。前期研究表明[21],激发光源供电电流取0.3 A时的激发光强度可满足激发光源的稳定性,保证光敏电阻的线性光照特性。

3 试验方案

针对荧光光电法用于库岸滑坡地下渗流监测的适宜性问题,以及考虑坡体地下渗流环境因素(测孔地下水温度、酸碱度和浑浊度)对光电流强度的影响,采用控制变量法的单一变量原则开展相关室内试验。经过比选[22],试验用荧光剂选择Luyor–6200环保型水基荧光剂。

1)高浓度的荧光剂可能会发生荧光自淬灭现象。试验配制0~0.015 5%范围内不同浓度的荧光溶液,在遮光条件下,检测获得荧光溶液浓度与光电流强度的相互关系,论证基于点稀释原理的光电流强度与渗透流速的数学关系模型的适用性(即荧光溶液浓度与光电流的数学关系中是否存在线性段)。

2)温度可能对光敏电阻、LED激发光源、荧光剂分子活性均有较大影响,从而影响光电流强度的量测精度。光电流强度是光电流与坡体地下渗透流速的数学关系模型的核心物理量,需通过试验对温度对光电流强度及地下渗透流速监测结果的影响进行分析。根据坡体地下渗流的观测深度范围及探明的地温分布特征,试验用荧光溶液温度取值为5~25 ℃,进行不同浓度荧光溶液在不同温度条件下的光电流检测试验,研究地下渗流环境温度对光电流强度的影响。

3)所选荧光剂偏碱性,是一种含有碱性基团的芳香族化合物,对于溶剂的pH和氢键非常敏感。依据《地下水环境质量标准》(GB/T14848—2017)地下水呈弱酸弱碱性的特点,通常pH值在5.5~9.0范围内;为论证荧光光电测速法的酸碱度适宜范围,试验时将pH值的范围扩大至2~12,配制不同pH值的不同浓度的荧光溶液,在相同温度条件下测定光电流强度的变化,研究坡体酸性和碱性渗流环境对荧光光电流强度的影响。

4)荧光分子所发射出的荧光在稀释溶液里发生散射,由光电元件探测获得。若溶液因含有颗粒物及絮状物而浑浊,则这些位于光线传播路径上的物质会发生反射、折射,甚至阻挡部分荧光,从而使得光电流值明显偏小。为模拟野外钻孔中混入泥沙等形成浑浊状态,在4 L不同浓度的荧光稀释液中分别加入图4筛分的土颗粒,搅拌混合后分组静置并测试光电流强度变化,研究荧光溶液浑浊度的变化特点及其对光电流强度的影响,为荧光光电测速法应用于现场监测的孔内观测条件的评估提供依据。

图4 浑浊度试验所用筛分土颗粒 Fig. 4 Screened soil particles for testing turbidity effect

4 结果与分析 4.1 光电流强度与荧光溶液浓度的关系

试验配制浓度为0.015 5%的荧光溶液,分别在5、10、15、20、25 ℃的温度条件下,测定激发光所获得的荧光光电流强度值,然后不断加水稀释荧光溶液,获得相同温度组的不同稀释浓度的荧光光电流强度,试验结果如图5所示。

图5 不同温度荧光溶液稀释过程中光电流强度的变化 Fig. 5 Changes of photocurrent intensity during dilution of fluorescent solution at different temperatures

图5可知,在荧光溶液浓度大于0.006 5%的区间,光电流强度的增速较之前减小,且出现非线性特征,不同温度下的光电流强度值出现较大的离散。当溶液浓度低于0.006 5%时,该区段的光电流强度与荧光溶液浓度呈显著的正比线性关系( ${R^2=0.990\;9}$ ),满足式(2)所要求的荧光光电测速法适宜性的必要条件。

在线性段内,温度对光电流强度影响较非线性段小,该浓度区间可作为现场监测荧光溶液在稀释过程中光电流强度变化的最佳观测范围。

4.2 温度对荧光光电测速结果的影响

由第4.1节可知,温度会对光电流强度的量测精度产生影响。取上述试验中浓度为0.000 5%、0.002 0%、0.003 5%、0.005 0%、0.006 5%的5组荧光溶液,分析5、10、15、20、25 ℃温度条件下荧光溶液的光电流强度变化规律,见图6

图6 不同浓度荧光溶液光电流强度随温度的变化 Fig. 6 Changes of photocurrent intensity in different concentration of fluorescent solutions with different temperature

图6可知,在荧光溶液浓度一定的条件下,光电流强度随温度升高而逐渐减小,线性规律明显,且变化趋势线的斜率不大,不同浓度的拟合直线呈近似平行分布。表1列出了各组试验的光电流强度与温度的线性拟合参数。

表1 光电流强度 ${ I}$ 与温度 ${ T}$ 的线性拟合参数 Tab. 1 Linear fitting parameters of photocurrent intensity ${ I}$ and temperature ${ T}$

表1数据可知,各组荧光溶液的光电流强度随温度的变幅在10–2 μA/℃范围内,远低于浓度变化对光电流强度的影响。考虑到监测过程中地下水温度的变化,为消除温度对光电流强度量测精度的影响,可对光电流强度的测量结果以15 ℃温度标准进行修正。假设温度引起的光电流强度的偏差值为 $\Delta I$ ,则满足:

$\Delta I = k\left( {T - 15} \right)$ (4)

式中: $k$ 为温度修正系数,依据表1的光电流强度与温度的拟合关系, $k$ 可取–0.006 26; $T$ 为监测时测孔的水温。

结合式(3)~(4)可知,假如单次监测的起始量测温度与结束量测温度无变化,由于起始光电流强度 ${I_0}$ 、结束监测时光电流强度 ${I_t}$ 与本底光电流强度 ${I_{\rm b}}$ 的互减运算,由温度引起的光电流强度的偏差 $\Delta I$ 将被消除,温度不会对坡体地下渗透流速的监测结果产生影响。

4.3 酸碱度对光电流强度的影响

在pH值取2~12的范围内配制0.002 5%、0.004 5%、0.006 5%这3种浓度的荧光溶液。在酸性和碱性条件下配制荧光溶液时发现:酸性条件下,荧光剂的水溶性发生变化较明显,随着酸性减弱,荧光剂的溶解速度加快,最终溶解后的颜色由清淡的荧光黄变为正常的荧光绿;碱性条件下,荧光剂的溶解速度和溶液颜色与中性条件基本一致。可初步判断在地下水的弱酸弱碱性条件下,Luyor–6200荧光剂的水溶性和荧光分子活性稳定。在15 ℃温度条件下,测得不同浓度荧光溶液光电流强度随pH值的变化规律,结果如图7所示。

图7 不同浓度荧光溶液光电流强度随pH值的变化 Fig. 7 Changes of photoelectric current intensity of fluorescent solutions with different concentrations and pH value

图7可知:在强酸性条件下(pH≤3),光电流强度有明显下降;当pH≥4时,光电流强度基本稳定,与中性条件下结果基本一致。据此,选用的Luyor–6200荧光试剂在pH>4的环境下具有较好的稳定性,在工程应用中可适用于pH>4的酸性和碱性地下水环境。水库库岸坡体地下水一般为偏弱酸弱碱性环境,因此荧光光电测速法现场应用时可忽略地下水酸碱度的影响。

另外,试验时将pH=2的酸性荧光稀释剂中尝试加入等量碱性溶液中和,发现碱液滴加后荧光溶液颜色恢复为正常的荧光绿,试验测得光电流强度明显增大,基本与中性和碱性条件下光电流强度大小一致,由此说明荧光剂的荧光活性在酸碱中和反应中具有可逆性。在实际工程应用时,通过配制呈一定碱性的荧光剂投放液,可对强酸性的地下水进行中和,使荧光光电测速法的应用范围进一步扩大,如地下水污染扩散监测等领域。

4.4 浑浊度对光电流强度的影响

考虑到试验的可操作性,这里以浑浊溶液的静置时间作为浑浊度变化的量化指标。试验取等体积的4组浓度为0.006 5%的荧光溶液中分别加入<0.075 mm、0.075~0.5 mm、0.5~1 mm、1~2 mm共4种粒径的土颗粒,配制成2 g/L的泥沙悬混溶液,搅拌均匀静置并进行分组试验,模拟含不同土质的库岸坡体钻孔情况。在15 ℃温度条件下,测定荧光溶液在0~96 h时间段内从浑浊到澄清过程中光电流强度变化,结果如图8所示。

图8 不同泥沙悬混荧光溶液光电流强度随静置时间的变化 Fig. 8 Changes of photocurrent intensity of suspended fluorescent solution of different sediment with static time

图8可知,浑浊荧光溶液的光电流强度较无泥沙的正常荧光溶液有明显降低,在初始静置的0~200 s时间段内,悬浮的泥沙颗粒迅速下降,光电流强度恢复至0.8~1.2 μA。大粒径的泥沙悬混溶液的光电流强度恢复较快,尤其是1~2 mm粒径泥沙悬混溶液在60 s左右即可恢复至稳定光电流。随着静置时间的延续,光电流强度经历漫长的恢复期,泥沙粒径从大到小各悬混溶液分别经过56、64、72和96 h后,光电流强度才可恢复至同浓度无泥沙的正常荧光溶液对应的光电流水平。由此可知,浑浊度对光电流影响较大,若要开展现场应用,测孔成孔后至少静置4 d时间完成浑浊物沉淀,才能达到观测要求。

5 现场监测实施方案

应用荧光光电测速法进行库岸滑坡地下渗透流速现场监测时,可根据地形、地质、水文等资料确定库岸滑坡的监测范围,然后确定重点监测断面并布置监测孔,可考虑在消落带高程范围布设测孔,以便在低水位时增大滑坡体监测范围。图9为库岸滑坡渗透流速荧光光电法监测的实施方案示意图(1#~5#为监测孔编号)。

图9 库岸滑坡渗透流速荧光光电法监测的实施方案 Fig. 9 Scheme of fluorescence photoelectric monitoring for seepage velocity of reservoir bank landslide

荧光光电测速现场监测孔的结构和施工工艺与常规地下水位观测孔基本相同,但考虑到观测孔会使周围渗流场产生畸变,需通过数值分析和模型试验研究钻孔直径、滤管的开孔率、填砾层厚度等对荧光光电测速法数学模型中流场畸变系数的影响。

6 结 论

分析荧光光电法测速的基本原理,设计了荧光光电监测探头和试验装置,通过开展一系列室内试验,论证了荧光光电法在库岸滑坡地下渗流监测中的适宜性,并给出库岸滑坡渗透流速荧光光电法监测的实施方案。得出如下结论:

1)荧光溶液浓度与光电流强度整体呈非线性关系,但存在线性关系的低浓度区间,满足应用荧光光电测速法进行坡体地下渗透流速监测的理论条件要求。对于选定荧光剂,可通过试验确定这一线性范围,以作为现场监测荧光溶液在稀释过程中光电流强度变化的最佳观测范围。

2)在荧光溶液浓度一定的条件下,光电流强度随温度升高而逐渐减小,线性规律明显,且不同浓度的拟合直线呈近似平行分布,斜率不大。温度对光电流强度的影响远低于浓度变化带来的影响。实际应用时,完成单次监测的时长较短,起始量测温度与结束量测温度基本相等,由光电流强度与坡体地下渗透流速的数学关系模型可知,温度不会对坡体地下渗透流速的监测结果产生影响。

3)强酸性条件下会降低荧光剂的分子活性,使光电流强度明显下降,但加入碱中和后荧光溶液活性恢复。当荧光溶液的pH>4时,光电流强度与中性条件下的量测结果一致。因此,选用Luyor–6200荧光试剂可满足常规酸性和碱性地下水环境下渗透流速的监测,且在此范围内可忽略地下水酸碱度的影响。鉴于所选荧光剂在强酸条件下的可逆性,荧光光电测速法的应用领域将更广。

4)浑浊荧光溶液的光电流强度较无泥沙的正常荧光溶液有明显的降低,但经历长时间静置后,光电流强度可恢复至正常荧光溶液的光电流强度值。由此可知,浑浊度对光电流影响较大,若要开展现场应用,测孔成孔后至少静置4 d时间完成浑浊物沉淀,才能达到观测要求。

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