陳潤橋 溫偉光 何緒升 劉建剛

(天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

近幾年隨著天津市城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)深度不斷加大，深大基坑數(shù)量劇增，在深基坑設(shè)計、施工中，滲透系數(shù)是計算深基坑滲流和基坑降水設(shè)計的重要參數(shù)之一，其準(zhǔn)確性尤為重要。傳統(tǒng)的計算滲透系數(shù)的方法為室內(nèi)試驗及現(xiàn)場抽水試驗。室內(nèi)試驗方法由于取樣的代表性、取樣及搬運和制作中的擾動等因素，試驗值與實際偏差較大?，F(xiàn)場抽水試驗，由于周期較長、經(jīng)濟(jì)投入大等原因，對工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響。鉆孔注水試驗作為一種原位試驗方法以其不擾動原土層、試驗周期短、經(jīng)濟(jì)投入少、操作簡便的特點，在上海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，且已總結(jié)出當(dāng)?shù)刈⑺囼炗嬎阃翆訚B透系數(shù)的公式，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

天津地區(qū)土層分布情況與上海地區(qū)土層分布情況相似，然而對鉆孔降水頭注水試驗方面理論研究較少，技術(shù)尚不成熟，實踐經(jīng)驗也相對不足，目前該方法在天津地區(qū)應(yīng)用相對較少。

1 降水頭注水試驗的計算方法

注水試驗是向鉆孔中注入穩(wěn)定水量形成穩(wěn)定水頭，原理及過程與抽水試驗相類似。降水頭注水試驗主要適用于地下水位以下滲透性較小的巖土層，如粉土、粘性土等。在注水過程中，水流外滲以水平向外滲為主，在實際應(yīng)用中，為簡化計算過程，一般采用二維滲流計算模型，模型中土體被假定為半無限空間體，承壓含水層土層是均質(zhì)的，地下水滲流為層流且天然水位是水平的。降水頭注水試驗計算滲透系數(shù)通常采用公式法及圖解法。

1.1 公式法

降水頭注水試驗滲透系數(shù)計算公式是基于達(dá)西定律推導(dǎo)得到的。依據(jù)達(dá)西定律在dt時間內(nèi)流過土樣的水量:

此水量可通過立管水位下降度量，即:

在時間t1和t2間積分，此時水頭H從H1降至H2，得:

最終可得滲透系數(shù)K:

式中:K——滲透系數(shù)，cm/s;

H1——觀測時間t1時的試驗水頭高度，cm;

H2——觀測時間t2時的試驗水頭高度，cm;

d——立管內(nèi)徑，cm;

D——滲透段直徑，cm;

r——立管內(nèi)半徑，cm;

a——立管內(nèi)面積，cm2;

M——滲透段面積，cm2;

l——滲透段長度，cm;

A——滲透段形狀系數(shù)，cm，其與滲透段面積和水流邊界條件有關(guān)。

1.2 圖解法

通過試驗記錄繪制ln(Ht/H0)—t關(guān)系曲線，求得注水試驗特征時間T0，采用式(2)計算試驗巖土層的滲透系數(shù):

其中，T0為注水試驗的特征時間，min;即Ht/H0=0.37時所對應(yīng)的t值，可在ln(Ht/H0)—t曲線上確定，Ht為注水時間為t時的水頭值，cm;H0為注水試驗的初始水頭值，cm;其余符號意義同式(1)。

2 工程實例

本次研究以天津地鐵5號線某站點降水頭注水試驗案例進(jìn)行分析。本場地埋深30 m以上主要以粉質(zhì)粘土及粉土為主，本次主要針對埋深約27.9 m～30.0 m段上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層粉土(地層編號⑨2)進(jìn)行試驗。

本次試驗的試驗井井深為29.0 m，井壁管采用無縫鋼管，濾水管長度為1.10 m，周圍填級配較好的2 mm～4 mm水洗礫料，填入部位從井底向上1.0 m，在礫料的圍填面以上填入粘土球止水封隔，以防上下含水層連通。成井后采用空壓機(jī)進(jìn)行洗井。試驗井示意圖見圖1，井身結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)參數(shù)表

采用公式法按式(1)計算⑨2層滲透系數(shù)，計算結(jié)果見表2。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制的ln(Ht/H0)—t關(guān)系曲線見圖2，從圖中可知本次注水試驗特征時間T0=2.85 min，采用圖解法滲透系數(shù)為 2.09 m/d。

表2 公式法滲透系數(shù)計算參數(shù)及結(jié)果表

綜合分析，本次降水頭注水試驗測得的⑨2承壓含水層滲透系數(shù)平均值可按2.08 m/d考慮。

圖1 灌水試驗井示意圖

圖 2 ln（Ht/H0）—t曲線

在勘察過程中，本場地對⑨2承壓含水層進(jìn)行抽水試驗，試驗結(jié)果見表3。通過兩種試驗結(jié)果的對比可以看出，兩種方法測得的數(shù)據(jù)較為接近，也就是說，通過“簡單”的注水試驗即可獲得“復(fù)雜”的抽水試驗才能獲得的滲透系數(shù)。

3 結(jié)語

通過降水頭注水試驗計算滲透系數(shù)在天津地區(qū)是可行的，與抽水試驗相比，降水頭注水試驗操作簡便、易于實現(xiàn)，結(jié)果與抽水試驗較為接近，效果較好。由于降水頭注水試驗在天津地區(qū)的實際應(yīng)用目前還相對較少，對于地區(qū)經(jīng)驗的總結(jié)及進(jìn)一步提高試驗準(zhǔn)確性方面的技術(shù)要求尚需進(jìn)行后續(xù)研究。

表3 抽水試驗成果表

影響注水試驗成果精度的因數(shù)較多，實際工作中應(yīng)根據(jù)地層條件、地下水位、試驗條件等選取適當(dāng)?shù)你@探設(shè)備和成孔工藝，過程中要保證有足夠的穩(wěn)定注水時間，同時需要做好試驗段的止水隔離工作。

［1］ 陳南祥.水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［2］ 沈日庚.上海地區(qū)鉆孔降水頭注水試驗公式應(yīng)用探討［J］.上海地質(zhì)，2010，3(3):51-53.

［3］ SL 345-2007，水利水電工程注水試驗規(guī)程［S］.