盛 林

(臺(tái)州市靈江工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

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常水頭注水試驗(yàn)不同水頭對(duì)滲透系數(shù)的影響

盛 林

(臺(tái)州市靈江工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

鉆孔常水頭注水試驗(yàn)是土體工程勘察中野外測(cè)定巖土層滲透系數(shù)的一種簡(jiǎn)便的原位測(cè)試方法。針對(duì)同一巖土層采用不同水頭進(jìn)行試驗(yàn)，分析得出在一定范圍內(nèi)改變?cè)囼?yàn)水頭不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，超出范圍則影響較大。圖2幅，表2個(gè)。

滲透系數(shù)；常水頭注水試驗(yàn)；試驗(yàn)水頭；穩(wěn)定地下水位；相對(duì)地下水位

1 概 述

隨著大量水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的實(shí)施，在眾多水庫(kù)的安全鑒定和勘察設(shè)計(jì)以及質(zhì)量驗(yàn)收階段，都需要測(cè)試壩身、壩基巖土層的滲透系數(shù)。目前測(cè)定滲透系數(shù)的方法有兩類(lèi)：室內(nèi)試驗(yàn)方法和原位試驗(yàn)方法。室內(nèi)試驗(yàn)方法具有工作強(qiáng)度小、快速便捷、試驗(yàn)條件可控穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在著土樣易被擾動(dòng)、尺寸較小、代表性差等缺點(diǎn)。原位試驗(yàn)方法測(cè)得的滲透系數(shù)為較大范圍的滲流區(qū)內(nèi)土體的平均值，可以較為真實(shí)地反映天然狀態(tài)下的土體滲透性質(zhì)。如果不考慮勞動(dòng)強(qiáng)度和造價(jià)因素，筆者較傾向于選擇原位試驗(yàn)方法，在平時(shí)的檢測(cè)工作中，也經(jīng)常采用鉆孔注水試驗(yàn)來(lái)確定巖土層的滲透系數(shù)。

根據(jù)試驗(yàn)方法和適用巖土層條件不同，鉆孔注水試驗(yàn)分為常水頭注水試驗(yàn)和降水頭注水試驗(yàn)兩種方法。依據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 345—2007)(簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)[1]，鉆孔降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下粉土、黏性土層或滲透系數(shù)較小的巖層。抬高鉆孔水頭至一定高度，停止向孔內(nèi)供水，記錄孔內(nèi)水頭隨時(shí)間而下降的變化過(guò)程，按相應(yīng)的計(jì)算公式求出滲透系數(shù)。對(duì)于在地下水位以上包氣帶進(jìn)行的降水頭注水試驗(yàn)，由于包氣帶邊界條件復(fù)雜，以及因其飽和度、孔隙比、毛細(xì)水作用差異等，會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生較多不確定影響，所以目前該方法采用較少，僅作為累計(jì)資料分析觀察[2]。鉆孔常水頭注水試驗(yàn)適用于滲透性較大的巖土層，試驗(yàn)中需保持穩(wěn)定的水頭高度，記錄下向孔內(nèi)注水的流量，根據(jù)不同試驗(yàn)條件，選擇相應(yīng)的計(jì)算公式來(lái)求出滲透系數(shù)。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，降水頭注水試驗(yàn)在試驗(yàn)條件上具有局限性，只能應(yīng)用在地下水位以下的試段。在《規(guī)程》條文說(shuō)明里指出，對(duì)于滲透系數(shù)較小的巖土層試驗(yàn)，降水頭注水試驗(yàn)對(duì)比常水頭注水試驗(yàn)，可縮短試驗(yàn)時(shí)間。筆者認(rèn)為在時(shí)間充足的情況下，采用常水頭注水試驗(yàn)也未嘗不可，特別是對(duì)于滲透性較大的土層，抬高水頭后水位下降速度快，觀測(cè)較難且存在一定誤差。筆者根據(jù)在粉質(zhì)土均質(zhì)土壩壩體注水試驗(yàn)的實(shí)踐，總結(jié)出常水頭注水試驗(yàn)在不同水頭條件下的試驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行比較分析，通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果論證《規(guī)程》中關(guān)于常水頭注水試驗(yàn)須滿(mǎn)足的適用條件。

2 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

2.1 成孔

采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆穿填土層，用套管隔開(kāi)上部填土層，可采用栓塞或套管腳黏土等方法止水，繼續(xù)鉆進(jìn)至所選定的試驗(yàn)土層深度(干鉆一般沉渣較少，孔深準(zhǔn)確；水鉆可多鉆0.5～1.0 m進(jìn)尺用以沉淀浮土)，試段不能采用泥漿鉆進(jìn)。套管止水段以下至鉆孔有效深度底部的距離為試驗(yàn)段長(zhǎng)度l。

2.2 穩(wěn)定水位與試驗(yàn)水頭

《規(guī)程》中地下水位的測(cè)定方法是每5 min測(cè)1次水位，當(dāng)連續(xù)兩次觀測(cè)結(jié)果變幅小于10 cm時(shí)，取最后一次觀測(cè)值作為地下水位計(jì)算值。關(guān)于試驗(yàn)水頭H的取值，《規(guī)程》中對(duì)于地下水位下的試段，采用的是試驗(yàn)水位與地下水位之差作為試驗(yàn)水頭，這個(gè)較為明確。可是對(duì)于地下水位以上的試段，《規(guī)程》中對(duì)于公式符號(hào)說(shuō)明和地下水位以下試段計(jì)算符號(hào)說(shuō)明相同，對(duì)于試驗(yàn)條件則增加了“50

3 試驗(yàn)及計(jì)算

常水頭注水試驗(yàn)依據(jù)試驗(yàn)段與地下水位相對(duì)位置關(guān)系可分為試驗(yàn)段在地下水位以上、試驗(yàn)段在地下水位以下兩種情況，由于地下水位對(duì)土層飽和度、孔隙比產(chǎn)生的影響，兩種情況所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法和計(jì)算公式均有區(qū)別。

3.1 試驗(yàn)段在地下水位以上

當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位以上時(shí)，試驗(yàn)水頭按照試驗(yàn)段中部至注水面距離計(jì)算(見(jiàn)圖1)。

在該種條件下，《規(guī)程》推薦的計(jì)算公式為：

(1)

式中，K為試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)(cm/s)；Q為注入流量(L/min)；H為試驗(yàn)水頭(cm)；r為鉆孔內(nèi)半徑(cm)；l為試段長(zhǎng)度(cm)。

試驗(yàn)條件：50

3.2 試驗(yàn)段在地下水位以下

當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位之下時(shí)，試驗(yàn)水頭按照地下水位至注水面距離計(jì)算(見(jiàn)圖2)。

圖1 試段位于地下水位以上注水試驗(yàn)鉆孔結(jié)構(gòu)

圖2 試段位于地下水位以下注水試驗(yàn)鉆孔結(jié)構(gòu)

在該種條件下，《規(guī)程》推薦的計(jì)算公式為：

(2)

式中，A為形狀系數(shù)(cm)，按《規(guī)程》附錄B選用；其余符號(hào)意義同式(1)。

采用(2)式計(jì)算滲透系數(shù)時(shí)，試驗(yàn)孔結(jié)構(gòu)符合《規(guī)程》中附錄B的第三、四狀況，即水可從孔壁孔底向四周同時(shí)滲透，鉆孔結(jié)構(gòu)條件應(yīng)滿(mǎn)足l/r>8；尤其第三種情況更符合均質(zhì)土壩注水試驗(yàn)的鉆孔結(jié)構(gòu)。

4 試驗(yàn)實(shí)例

4.1 工程概況

綠化水庫(kù)位于浙江省臨海市大洋街道綠化村，是1座以灌溉為主的小(2)型水庫(kù)，壩型為粘土心墻壩，基礎(chǔ)為巖基，最大壩高17.5 m，壩頂長(zhǎng)度116 m。2013年對(duì)壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固施工，在壩體套井回填單元工程完工后進(jìn)行了土體填筑質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中2個(gè)檢測(cè)孔增加了幾次試驗(yàn)，采用不同水頭進(jìn)行注水試驗(yàn)，得到幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)以供分析。套井回填土以含礫砂粉質(zhì)粘土為主，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)工程尚處于套井施工階段，水庫(kù)也處于長(zhǎng)期干庫(kù)狀態(tài)。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，用全站儀實(shí)測(cè)庫(kù)內(nèi)水面至套井施工平臺(tái)鉆孔口垂直高差為11 m。

4.2 試驗(yàn)經(jīng)過(guò)

本次試驗(yàn)布置了注水試驗(yàn)孔2個(gè)，均位于壩軸線，鉆孔樁號(hào)ZK1(0+030)，ZK2(0+060)，采用常水頭注水試驗(yàn)。鉆進(jìn)用108 mm合金鉆頭成孔，0～4 m用同徑套管止水，4.0～8.5 m為試驗(yàn)段。試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間以5 min為間隔，于注水管處加裝15 mm口徑的旋翼式水表，讀數(shù)可精確至0.1 L，并在水表上游用三通閥門(mén)控制出水流量大小。試驗(yàn)時(shí)分別在計(jì)時(shí)前和計(jì)時(shí)后記錄下水表上的2次讀數(shù)，得出5 min內(nèi)注水量并且計(jì)算平均流量。當(dāng)所測(cè)平均流量小于0.5 L/min時(shí)，此時(shí)流量低于15 mm旋翼式水表最小流量工作范圍，采用1 000 ml量筒倒水，計(jì)算注入水量，量筒讀數(shù)可精確至0.01 L。觀測(cè)穩(wěn)定結(jié)果依據(jù)《規(guī)程》5.2.5要求。試驗(yàn)中使用電測(cè)水位計(jì)控制孔內(nèi)水位高度，常水頭注水試驗(yàn)時(shí)水頭高度應(yīng)根據(jù)預(yù)先放置的電測(cè)水位計(jì)探頭水平面控制，保持試驗(yàn)時(shí)水位穩(wěn)定在該平面。根據(jù)電測(cè)水位計(jì)放置的5個(gè)不同深度，同一試段可取得5種水頭下的不同滲透系數(shù)數(shù)值；另一個(gè)鉆孔采用同樣的布置和試驗(yàn)方式，提供數(shù)據(jù)比對(duì)。因庫(kù)內(nèi)水位低于試段底部較多，采用干鉆鉆進(jìn)方式時(shí)，孔內(nèi)為干孔，且參考套井施工過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)井內(nèi)滲水，說(shuō)明現(xiàn)階段該處地下水位低于套井施工底部標(biāo)高，本次試驗(yàn)的試段位于地下水位以上(見(jiàn)表1、表2)。

表1 ZK1注水試驗(yàn)成果

表2 ZK2注水試驗(yàn)成果

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上表不同試驗(yàn)水頭條件下注水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，在進(jìn)行注水試驗(yàn)時(shí)，同一試段在不同水頭條件下試驗(yàn)結(jié)果也不同，流量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，滲透系數(shù)也略有差別。根據(jù)《規(guī)程》要求，在試段位于地下水位以上時(shí)，進(jìn)行注水試驗(yàn)時(shí)水頭條件須滿(mǎn)足：50

5 結(jié) 論

常水頭注水試驗(yàn)特別是現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜的巖土層，較易受環(huán)境影響造成精度偏差，不同條件適用不同的計(jì)算方法，這些不利影響都需要在試驗(yàn)中盡量避免；特別是試驗(yàn)水頭會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成直接影響，不合理的試驗(yàn)水頭甚至?xí)斐稍囼?yàn)結(jié)果出現(xiàn)極大偏差。對(duì)于勘察、檢測(cè)工作，試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系到壩體加固后續(xù)工程量和代表施工質(zhì)量，因此尤為重要；在試驗(yàn)時(shí)要依據(jù)合理的取值范圍，所得土體滲透系數(shù)才較為準(zhǔn)確，必要時(shí)還可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)取原狀土樣至室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的方法來(lái)比對(duì)校正，或者增加試驗(yàn)組數(shù)利用多組數(shù)據(jù)綜合分析，得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

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

[2] 張貽火，鉆孔注水試驗(yàn)方法淺析[J].資源環(huán)境與工程，2008(22)：203_206.

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

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-10-28

盛 林(1987-)，男，助理工程師，主要從事水利工程質(zhì)量檢測(cè)工作。E_mail：hysl_5283@qq.com