王文雙，江曉益

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

土壩壩體注水試驗(yàn)的影響因素

王文雙，江曉益

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

針對目前病險(xiǎn)土壩地質(zhì)勘察中選取壩體土滲透系數(shù)較難的問題，采用適合土壩壩體注水試驗(yàn)的滲透系數(shù)計(jì)算公式，分析了注水試驗(yàn)參數(shù)對滲透系數(shù)的影響，并對常水頭與降水頭室內(nèi)滲透試驗(yàn)與現(xiàn)場注水試驗(yàn)成果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:土壩壩體注水試驗(yàn)水頭和初始水位對試驗(yàn)結(jié)果影響最大，注水試驗(yàn)水頭過高易產(chǎn)生壩體水力劈裂，造成壩體土滲透系數(shù)偏大的假象;大壩壩體填土均適合進(jìn)行常水頭及降水頭注水試驗(yàn);土壩壩體土滲透系數(shù)的確定應(yīng)綜合注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)的成果。

病險(xiǎn)土壩;注水試驗(yàn);滲透系數(shù);臨界水頭;水力劈裂

病險(xiǎn)土壩工程地質(zhì)勘察是大壩安全鑒定及除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)的主要工作之一，其中壩體土的滲透系數(shù)大小將直接關(guān)系到病險(xiǎn)土壩的安全性評價(jià)及除險(xiǎn)加固方案的確定。勘察實(shí)踐表明，壩體注水試驗(yàn)測定的滲透系數(shù)一般均大于取樣室內(nèi)滲透試驗(yàn)測定的滲透系數(shù)，如果壩體土填筑質(zhì)量差，甚至?xí)嗖钜粌蓚€數(shù)量級。如何客觀評價(jià)壩體土的滲透系數(shù)，對地質(zhì)工程師來說相當(dāng)困惑。水庫大壩安全鑒定或除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)審查時，不同專家對使用壩體注水試驗(yàn)成果存在不同的認(rèn)識，甚至部分專家不贊成壩體注水試驗(yàn)，注水試驗(yàn)是否對土壩壩體造成破壞以及其成果與室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果的偏差太大往往成為爭議的焦點(diǎn)。筆者認(rèn)為，SL 345—2007《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》［1］比較適合于天然沉積地層，對于土壩這種應(yīng)力分布特殊的“地質(zhì)體”，注水試驗(yàn)的適用性尚需要研究。應(yīng)該說，鉆孔注水試驗(yàn)是野外測定巖土層滲透性的一種比較實(shí)用且有效的方法，其原理與抽水試驗(yàn)相似，但其與室內(nèi)的滲透試驗(yàn)及抽水試驗(yàn)還是有較大差別的，適用條件及邊界條件均有所不同，特別是對于土壩這種特殊“地質(zhì)體”，分析研究壩體注水試驗(yàn)的相關(guān)影響因素，對于解決目前病險(xiǎn)水庫地質(zhì)勘察中壩體土滲透性評價(jià)的難題有著極為重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 土壩壩體注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式

1.1 注水試驗(yàn)邊界條件

鉆孔注水試驗(yàn)的原理與抽水試驗(yàn)類似，但注水試驗(yàn)理論研究相對滯后，不同學(xué)者根據(jù)不同假定邊界條件和流態(tài)推導(dǎo)出不同的滲透系數(shù)計(jì)算公式，且現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范及部分參考手冊中對注水試驗(yàn)的分析也僅適用于天然沉積地層，其邊界條件是半無限空間地質(zhì)體和水平的地下水位，對于土壩這種特殊的、孤立的人工填筑“地質(zhì)體”，其浸潤線是傾斜的，同時其分層填筑特征、特殊的應(yīng)力分布及累積效應(yīng)(如心墻拱效應(yīng)等)對常規(guī)注水試驗(yàn)均存在一定影響［2］。

首先應(yīng)對土壩壩體鉆孔注水試驗(yàn)的邊界條件進(jìn)行簡化分析。根據(jù)常規(guī)注水試驗(yàn)實(shí)踐，試驗(yàn)的影響邊界寬度一般認(rèn)為是試驗(yàn)段長度的1～2倍［3］，若按試驗(yàn)段長5 m考慮，試驗(yàn)影響范圍也就5～10 m，相對于土壩的防滲體(心墻)寬度，其滲流比降不大，因此局部浸潤線(壩內(nèi)水位)可視為水平，近似符合常規(guī)注水試驗(yàn)邊界條件。土壩注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式目前可采用 YS 5214—2000《注水試驗(yàn)規(guī)程》［4］、SL345—2007《水利水電注水試驗(yàn)規(guī)程》及工程地質(zhì)手冊提供的公式。

1.2 滲透系數(shù)計(jì)算公式

當(dāng)采用常水頭注水試驗(yàn)時，規(guī)程及手冊提供的注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式對于飽和土滲流時(試驗(yàn)段位于地下水位以下)差別主要體現(xiàn)在傳導(dǎo)比的取值，而非飽和土滲流時(試驗(yàn)段位于地下水位以上)公式差別較大。

1.2.1 地下水位以下試驗(yàn)段

a.常水頭注水試驗(yàn)。滲透系數(shù)計(jì)算公式為

式中:K為滲透系數(shù)，cm/s;Q為穩(wěn)定注水量，cm3/s;H為試驗(yàn)水頭，cm;l為試驗(yàn)段長度，cm;r為試驗(yàn)段內(nèi)半徑，cm;m為傳導(dǎo)比;Kh、Kv分別為水平、垂直滲透系數(shù)，cm/s。

在實(shí)際應(yīng)用中，傳導(dǎo)比m并非定值，要求試驗(yàn)前進(jìn)行估算，工程地質(zhì)手冊針對巨厚且水平分布寬的含水層建議取m=2［5］，抽水試驗(yàn)中一般取m=0.66～1.6［6］。土壩壩體填筑采用分層碾壓，壩體土一般多表現(xiàn)為各相異性特征，其水平滲透系數(shù)大多比垂直滲透系數(shù)大。對浙江省千庫保安工程中部分水庫大壩防滲體室內(nèi)水平及垂直滲透系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，心墻壩m=1.2～1.8，均質(zhì)壩m=1.1～1.2，因此筆者計(jì)算滲透系數(shù)時，一般心墻壩取m=1.4，均質(zhì)壩取m=1.1。

b.降水頭注水試驗(yàn)。滲透系數(shù)計(jì)算公式可采用SL 345—2007《水利水電注水試驗(yàn)規(guī)程》推薦公式:

式中:t1、t2為注水試驗(yàn)的持續(xù)時間，min;H1、H2為t1、t2對應(yīng)的試驗(yàn)水頭，cm。

另外還可根據(jù)ln(Ht/H0)與t的關(guān)系求得注水試驗(yàn)特征時間T0，其中Ht為試驗(yàn)?zāi)硶r刻t的試驗(yàn)水頭，H0為試驗(yàn)初始水頭，T0為Ht/H0=0.37時所對應(yīng)的t值，可在ln(Ht/H0)與t的關(guān)系曲線上確定，則滲透系數(shù)計(jì)算公式為

1.2.2 地下水位以上試驗(yàn)段

a.常水頭注水試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位以上時，理論上屬非飽和土滲流問題，應(yīng)考慮土層毛細(xì)力影響，滲流不符合達(dá)西定律［1］，一般推薦采用納斯別爾格公式:

該公式要同時滿足50＜H/r＜200和H≤l，由于條件苛刻，試驗(yàn)時水頭控制難度極大。

b.降水頭注水試驗(yàn)?，F(xiàn)行規(guī)程建議采用美國雙栓塞注水試驗(yàn)公式計(jì)算滲透系數(shù)，由于該公式極其復(fù)雜，需要提供土層的最終飽和度及試驗(yàn)土層孔隙度，誤差也相當(dāng)大，且試驗(yàn)裝置條件苛刻，不具現(xiàn)場操作性。

精確確定非飽和土的滲透系數(shù)十分困難，應(yīng)盡量確保在誤差不大的情況下選擇簡便可行的試驗(yàn)方法。圖1為某水庫壩體心墻填土的天然含水率、飽和度與填土深度的關(guān)系，填土天然含水率一般在20% ～30%之間，飽和度在75% ～100%之間，它們與浸潤線及填土深度并無相關(guān)關(guān)系，并且填土飽和度平均約為86%，大多并未達(dá)到95%以上的飽和標(biāo)準(zhǔn)。可見壩體填土的非飽和問題是存在的，但由于目前對非飽和土的滲流問題研究并不深入，在當(dāng)前技術(shù)條件下，用飽和滲流理論進(jìn)行壩體注水試驗(yàn)分析盡管有一定偏差，但至少是可以理解的。

圖1 某水庫壩體心墻填土天然含水率、飽和度與填土深度的關(guān)系

2 土壩壩體注水試驗(yàn)成果分析

2.1 注水試驗(yàn)參數(shù)選擇

土壩壩體注水試驗(yàn)參數(shù)主要包括試驗(yàn)段長度、水頭、初始水位、穩(wěn)定注水量、試驗(yàn)段孔徑、注水試驗(yàn)持續(xù)時間、特征時間及傳導(dǎo)比等。

對于試驗(yàn)段長度l的選取，SL 345—2007《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定同一試驗(yàn)不宜跨越透水性相差懸殊的兩種巖土層，對于均一巖土層，l不宜大于5 m，且l＞8r;YS 5214—2000《注水試驗(yàn)規(guī)程》要求ml＞8r;工程地質(zhì)手冊要求l＞4r。抽水試驗(yàn)規(guī)定當(dāng)含水層厚度不大于15 m時，宜采用完整孔抽水，當(dāng)含水層厚度大于15 m時，可采用非完整孔抽水，此時l＜0.3H［6］。在壓水試驗(yàn)中國外有關(guān)規(guī)程規(guī)定l為3～6 m，多數(shù)為5 m，因此現(xiàn)行壓水試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定l宜為5 m，過長則影響成果精度，過短又會增加試驗(yàn)次數(shù)和費(fèi)用［7］。綜上所述，土壩壩體注水試驗(yàn)的試驗(yàn)段長度可取3～5 m，若遇特殊情況(如壩體裂縫、夾層等)，應(yīng)根據(jù)具體情況確定試驗(yàn)的位置和長度。

注水試驗(yàn)水頭H的計(jì)算與壩體內(nèi)浸潤線即初始水位有關(guān)，傳統(tǒng)方法是利用鉆孔揭露初始水位，由于鉆孔孔徑較大，孔內(nèi)充水將耗費(fèi)相當(dāng)長時間，同時由于持續(xù)鉆進(jìn)孔深的變化以及鋼管護(hù)壁影響，孔內(nèi)初始水位的判定相當(dāng)困難。合理確定初始水位對試驗(yàn)結(jié)果影響較大，同時初始水位將直接影響到臨界水頭的確定，而臨界水頭是影響壩體水力劈裂與否的關(guān)鍵［8］。一般大中型水庫壩體內(nèi)均埋設(shè)測壓管，可根據(jù)勘探期間壩體浸潤線擬合確定鉆孔初始水位，而大多數(shù)小型水庫無觀測設(shè)施，可以結(jié)合鉆探采取的壩體填土柱狀樣的目測濕度判定，但壩體土防滲性能較好時難以判斷，此時可以根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)推測壩體浸潤線，并在推測浸潤線上下段壩體附近要求盡量控制鉆探進(jìn)度，延長壩體土鉆探時間，隔天進(jìn)行孔內(nèi)水位觀測，若壩體土較軟易縮徑應(yīng)提前下花管護(hù)壁，若土體強(qiáng)度較高應(yīng)預(yù)留3～5 m進(jìn)水段，以此判斷孔內(nèi)初始水位。試驗(yàn)段壓力零線計(jì)算可參考壓水試驗(yàn)壓力零線計(jì)算方法［7］。

注水試驗(yàn)的穩(wěn)定注水量與注水試驗(yàn)水頭成正比，注水量太大會抬高注水試驗(yàn)水頭，易造成壩體局部水力劈裂，所以應(yīng)盡量選擇較為適中的注水量。連續(xù)2次量測的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10%時流量穩(wěn)定，試驗(yàn)即可結(jié)束，取最后一次流量作為計(jì)算值。

試驗(yàn)段孔徑的選取一般為標(biāo)準(zhǔn)的鉆具口徑，壩體土層鉆進(jìn)一般采用直徑為 110 mm、130 mm及150 mm的3種鉆具。由于孔徑相差不大，因此它不是注水試驗(yàn)成果的主要影響因素。

對于常水頭注水試驗(yàn)的持續(xù)時間應(yīng)從兩方面考慮:對于地下水位以下試驗(yàn)段，試驗(yàn)持續(xù)時間可相對較短，對于地下水位以上試驗(yàn)段，為提高土層飽和度，試驗(yàn)持續(xù)時間應(yīng)相對長一些，但總的注水試驗(yàn)持續(xù)時間也不宜過長?？紤]到土壩特殊的應(yīng)力特征及局部可能存在的裂縫等缺陷，注水持續(xù)時間不宜遵照現(xiàn)行規(guī)程主要針對天然沉積地層要求的1～2 h，筆者認(rèn)為應(yīng)盡量在半小時內(nèi)完成，以免造成壩體不必要的損傷。對于降水頭注水試驗(yàn)，注水試驗(yàn)持續(xù)時間應(yīng)根據(jù)水位下降幅度而定，開始觀測時間間隔應(yīng)盡量短，后期觀測時間間隔可適當(dāng)延長，當(dāng)試驗(yàn)水頭下降到初始水頭的0.3倍或連續(xù)觀測值達(dá)到10個以上時，可結(jié)束試驗(yàn)，其特征時間T0可由ln(Ht/H0)-t曲線確定。

傳導(dǎo)比m的選取可利用室內(nèi)水平及垂直滲透系數(shù)進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳導(dǎo)比m=1.1～1.8，說明大壩防滲體水平滲透系數(shù)一般是垂直滲透系數(shù)的1.2～3.2倍。如果以段長為5 m、孔徑為110 mm試驗(yàn)段進(jìn)行分析，其他條件相同，僅由于傳導(dǎo)比的不同導(dǎo)致兩者滲透系數(shù)計(jì)算值相差10%左右，影響不大。

2.2 水力劈裂現(xiàn)象分析

水力劈裂通常是指巖土體在高水壓作用下產(chǎn)生裂縫并發(fā)展的過程。SL 345—2007《水利水電注水試驗(yàn)規(guī)程》建議注水試驗(yàn)水頭選擇控制水位至孔口，主要考慮觀測水位方便，但并未考慮到高水頭對土體易產(chǎn)生水力劈裂的可能，特別是對于土壩這種應(yīng)力分布特殊的“地質(zhì)體”，注水試驗(yàn)造成壩體水力劈裂的風(fēng)險(xiǎn)大大增加［8］。

筆者在病險(xiǎn)土壩壩體鉆孔注水試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)注水水頭過高或水位接近孔口時，漏水量有突然增大的現(xiàn)象。如圖2所示，某水庫在心墻深度30.2～35.0 m試驗(yàn)段進(jìn)行注水試驗(yàn)時壩體土在高水頭作用下存在明顯水力劈裂現(xiàn)象。第1次以15 L/min的穩(wěn)定流量注水時，水位上升后緩慢下降，水力劈裂強(qiáng)度較低;第2次調(diào)整流量至90 L/min時，孔內(nèi)水位快速上升，當(dāng)水位升至距孔口1 m左右時，水位快速下降，水力劈裂強(qiáng)度大。經(jīng)計(jì)算，心墻深度30.2～35.0m試驗(yàn)段發(fā)生第1次水力劈裂的臨界水頭約為22.4 m。心墻深度34.8～39.8 m試驗(yàn)段在兩種不同的注水量下未發(fā)生明顯水力劈裂現(xiàn)象。

圖2 某水庫心墻深度30.2～39.8 m分段注水試驗(yàn)水位變化曲線

土石壩心墻的水力劈裂問題是一個非常重要且極其復(fù)雜的問題，目前尚無很好的方法對劈裂的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測和計(jì)算模擬，其發(fā)生條件并不十分清楚。

因?yàn)閴误w不是無限體，理論計(jì)算和實(shí)踐都證明土壩壩體的小主應(yīng)力σ3垂直壩軸線方向，σ3方向的壩體橫斷面為有限斷面，壩坡可以自由位移，故在壩體中，尤其是在壩軸線附近σ3比地基中的側(cè)壓力小得多。所以在沿壩軸線進(jìn)行壩體鉆孔注水試驗(yàn)時，水壓力首先最容易劈開的是小主應(yīng)力面，即σ3的作用面，形成沿壩軸線方向的縱向縫［9］。

理論計(jì)算表明，壩體橫向側(cè)壓力系數(shù)K3沿壩高方向呈曲線分布，即當(dāng)壩體深度與壩高之比為0.3～0.7時，K3值較小，為0.2～0.3，其中壩體深度與壩高之比為0.5時K3最小，約為0.2［9］。說明現(xiàn)場壩體鉆孔注水試驗(yàn)時當(dāng)試驗(yàn)段在1/3～2/3倍壩高處，如果注水水頭過大，則易造成壩體局部水力劈裂。

在病險(xiǎn)土石壩工程地質(zhì)勘察實(shí)踐中，應(yīng)盡量避免壩體鉆孔注水試驗(yàn)引起水力劈裂，臨界水頭值的選擇至關(guān)重要。在當(dāng)前注水試驗(yàn)引起水力劈裂的機(jī)理及過程未完全清楚的情況下，應(yīng)盡量選擇較低的水頭進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法可參照抽水試驗(yàn)，采用分級注水，即選擇3個不同水頭，取3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)值，其中1/3～2/3倍壩高處應(yīng)特別注意不能采用高水頭。試驗(yàn)時估算臨界水頭，在臨界水頭值以內(nèi)采用3個不同的試驗(yàn)水頭進(jìn)行注水試驗(yàn)。如果3次試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大差別，應(yīng)分析原因進(jìn)行甄別，從試驗(yàn)段套管腳止水、壩體結(jié)構(gòu)、原生裂縫或水力劈裂等方面進(jìn)行綜合分析。

3 常水頭與降水頭注水試驗(yàn)結(jié)果對比分析

采用常水頭分級注水試驗(yàn)，每級試驗(yàn)結(jié)果均有一定差別，當(dāng)某級滲透系數(shù)計(jì)算值與最小值之比(K/Kmin)大于5時應(yīng)考慮有可能試驗(yàn)段局部已產(chǎn)生水力劈裂，造成試驗(yàn)段滲透系數(shù)偏大。當(dāng)發(fā)生水力劈裂后，計(jì)算的壩體土滲透系數(shù)一般都大于1.0×10－4cm/s，呈中等透水性。

降水頭注水試驗(yàn)一般采用連續(xù)水頭比(公式(2))及特征時間(公式(3))兩種方法計(jì)算，宜利用水頭比與時間關(guān)系曲線對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初檢，當(dāng)該關(guān)系不呈直線狀態(tài)時，應(yīng)查找原因。一般來說，開始時間段由于水頭下降速率較快而引起讀數(shù)誤差，水頭比與時間關(guān)系稍具曲線狀，隨著時間延長，基本都呈直線。利用特征時間計(jì)算滲透系數(shù)時，宜將初始水頭與不同時間段水頭計(jì)算的滲透系數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，作為最終推薦的滲透系數(shù)，以消除部分讀數(shù)誤差。同時兩種計(jì)算方法之間的對比綜合分析也能夠判定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

表1所示的對比結(jié)果表明:當(dāng)試驗(yàn)段的滲透系數(shù)K＜1.0×10－4cm/s時為弱透水性，常水頭注水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)一般比降水頭注水試驗(yàn)的結(jié)果小，K常/K降在0.23～0.79之間，平均值為0.45。當(dāng)試驗(yàn)段的K＞1.0×10－4cm/s時為中等透水性，一般常水頭注水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)比降水頭注水試驗(yàn)的結(jié)果大，K常/K降在1.94～13.58之間。從偏安全角度考慮，當(dāng)試驗(yàn)段為弱透水性時，宜采用降水頭注水試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)段為中等及以上透水性時，宜采用常水頭注水試驗(yàn)，且同時輔以降水頭注水試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果對比，根據(jù)兩種試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行綜合分析。

表1 壩體常水頭與降水頭注水試驗(yàn)結(jié)果對比

SL 345—2007《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定常水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以上或以下滲透性比較大的砂性土或砂卵石層，降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下的粉土、黏性土等滲透性比較小的土層。YS 5214—2000《注水試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定常水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下滲透性較強(qiáng)的地層，降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以上或以下的粉土、砂土及滲透性不大的碎石土層。由于大壩防滲體一般由黏性土分層填筑而成，盡管壓實(shí)土質(zhì)為低滲透性，但其填筑質(zhì)量、層面或裂縫等缺陷不可避免，因此防滲體局部多表現(xiàn)為弱至中等透水性，應(yīng)該說這種滲透性特征均適合進(jìn)行常水頭及降水頭注水試驗(yàn)，而實(shí)踐也證明兩種方法計(jì)算出的滲透系數(shù)結(jié)果相近。由于降水頭注水試驗(yàn)工藝簡單、省時，故工程實(shí)踐中多推薦采用降水頭注水試驗(yàn)。不過降水頭注水試驗(yàn)也有其局限性，國內(nèi)病險(xiǎn)水庫大部分建于20世紀(jì)五六十年代，多數(shù)為邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工的“三邊”工程，某些大壩防滲體填筑料及填筑質(zhì)量差，大壩壩體局部有空洞、裂隙、砂及碎塊石等，這種壩體土的滲透性一般較強(qiáng)，降水頭注水試驗(yàn)成果誤差較大。常水頭注水試驗(yàn)時采用分級注水有利于發(fā)現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象，而降水頭注水試驗(yàn)一般水頭到孔口，極易瞬間發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象。因此建議注水試驗(yàn)時一定要控制水頭上升速度，并實(shí)時監(jiān)測水頭與流量的變化，并盡量采用低水頭，尤其是對降水頭注水試驗(yàn)。當(dāng)然，如果工期許可，建議兩種注水方法都采用，對試驗(yàn)段原位滲透成果進(jìn)行綜合分析。

4 現(xiàn)場注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果對比分析

注水試驗(yàn)可視為以水平向?yàn)橹鞯臐B透試驗(yàn)。根據(jù)表2所示對比成果，土壩鉆孔注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)測定的滲透系數(shù)確實(shí)存在一定的偏差，一般中型水庫由于施工質(zhì)量相對有所保證，前者與后者的比值一般為5～10;而小型水庫施工質(zhì)量一般相對較差，成果偏差基本都在100倍以上。至于兩種試驗(yàn)方法存在的差異，筆者認(rèn)為原因是多方面的，拋開設(shè)備誤差及一些人為因素影響而言，兩者產(chǎn)生差別的最主要原因是由于土壩壩體的非均質(zhì)性及壩體填筑時的層面和不可避免的裂縫等缺陷造成的滲透系數(shù)的尺度效應(yīng)［10］。

表2 現(xiàn)場注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果對比

碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定心墻填筑土的滲透系數(shù)小于1.0×10－5cm/s，均質(zhì)壩的滲透系數(shù)小于1.0×10－4cm/s［11］。若勘察結(jié)果不能滿足以上要求，大壩防滲體的防滲性能是不合格的。結(jié)合已有研究成果及工程實(shí)踐，壩體滲透系數(shù)的選取可以從以下幾方面考慮［12］:

a.對于大壩黏性土防滲體，應(yīng)對現(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析整理，將現(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)小值平均值與室內(nèi)滲透試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)大值平均值進(jìn)行算術(shù)平均，作為防滲體滲透系數(shù)的建議值。

b.大壩防滲體外側(cè)的過渡段或砂性壩殼，由于室內(nèi)無法進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)直接采用現(xiàn)場注水試驗(yàn)成果，將試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)大值平均值作為該分區(qū)滲透系數(shù)的建議值。

c.當(dāng)現(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)分別統(tǒng)計(jì)后的滲透系數(shù)平均值基本接近時，可直接采用兩者的算術(shù)平均值。

5 結(jié)論

a.鉆孔注水試驗(yàn)中的初始水位(壓力零點(diǎn))及注水試驗(yàn)水頭對注水試驗(yàn)結(jié)果影響最大。注水試驗(yàn)水頭過高易產(chǎn)生壩體水力劈裂，造成壩體土滲透系數(shù)偏大的假象，注水試驗(yàn)時應(yīng)盡量選擇較低的水頭進(jìn)行試驗(yàn)，并采取分級注水，取合理結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)值。

b.大壩壩體填土均適合進(jìn)行常水頭及降水頭注水試驗(yàn)，從偏安全角度考慮，當(dāng)試驗(yàn)段為弱透水性時，宜采用降水頭注水試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)段為中等及以上透水性時，宜采用常水頭注水試驗(yàn)，且同時輔以降水頭注水試驗(yàn)進(jìn)行對比。

c.土壩壩體滲透系數(shù)具有明顯的尺度效應(yīng)，目前大壩的滲流穩(wěn)定評價(jià)仍然屬于相對大尺度的模擬，土壩防滲體滲透系數(shù)的確定應(yīng)綜合注水試驗(yàn)及室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果。

［1］SL 345—2007 水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］韋港，閆宇.關(guān)于注水試驗(yàn)不適合均質(zhì)土壩壩體滲透性測試的討論［J］.水利水電科技進(jìn)展，2009，29(4):18-20.(WEI Gang，YAN Yu.Discussion on water injection testin applicability to the permeability test for homogeneous earth dam［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(4):18-20.(in Chinese))

［3］毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［4］YS 5214—2000 注水試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊［M］.4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］SL 320—2005 水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［7］SL 31—2003 水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［8］江曉益，孫伯永，陳星.病險(xiǎn)土石壩水力劈裂現(xiàn)象的注水試驗(yàn)研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010(6):143-146.(JIANG Xiaoyi，SUN Boyong，CHEN Xing.Research on hydraulic fracturing caused by water injection tests in dangerous earth-rockfill dams［J］.China Rural Water and Hydropower，2010(6):143-146.(in Chinese))

［9］白永年，吳士寧，王洪恩，等.土石壩加固［M］.北京:水力電力出版社，1992.

［10］LURDES M，JESUS C.An analysis ofhydraulic conductivity scale effects in granite(full-scale engineered barrier experiment(FEBEX)，grimsel，Switzerland)［J］.Water Resources Research，2005，41(3):1-13.

［11］SL 271—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［12］徐峰，梁章清.水庫大壩質(zhì)檢鉆孔野外注水試驗(yàn)及參數(shù)選取的探討［J］.江西水利科技，2005，31(增刊2):73-74.(XU Feng，LIANG Zhangqing.Discussion of field water injection test of drilling holes and its parameter selection of the dams of reservoirs［J］.Jiangxi Hydraulic Science and Technology，2005，31(Sup2):73-74.(in Chinese))

Influencing factor analysis of water injection test in earthfill dam

WANG Wenshuang，JIANG Xiaoyi(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou310020，China)

Considering the difficulty of determining the hydraulic conductivity of a dangerous earthfill dam during geological investigations，the influence of a water injection test on hydraulic conductivity was analyzed using the hydraulic conductivity calculation formula which is suitable for a water injection test in an earthfill dam.The results of stable-water-flow and flexible-water-flow laboratory permeability tests were analyzed and compared with those of field water injection tests.The results show that the water head and initial water level of the water injection test have the largest influence on the test results.Hydraulic fracturing in the dam occurs easily under high-head water in water injection tests，leading to a larger permeability than the real one.The filled soil of the dam is suitable for stable-water-flow and flexible-water-flow water injection tests.The hydraulic conductivity can be determined through water injection tests and laboratory permeability tests.

dangerous earthfill dam;water injection test;hydraulic conductivity;critical water head;hydraulic fracturing

TV221.2

A

1006-7647(2013)01-0053-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.012

浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC0733)

王文雙(1970—)，男，浙江安吉人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)及巖土工程設(shè)計(jì)工作。E-mail:wangws007@hotmail.com

2012-05-03 編輯:周紅梅)