楊建坤

【摘 要】土壩壩體滲透系數(shù)是評(píng)定大壩安全的重要指標(biāo)，土壩滲透系數(shù)測(cè)定分為室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定和野外原位試驗(yàn)測(cè)定，壩體滲透系數(shù)測(cè)定主要采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)。由于對(duì)測(cè)定滲透系數(shù)計(jì)算公式原理和邊界條件的認(rèn)識(shí)不清，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員采用不同的測(cè)試方法、設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)，造成滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果存在較大偏差。文章對(duì)鉆孔注水試驗(yàn)計(jì)算公式的適用條件、參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了解釋和討論，并對(duì)采用不同的測(cè)試方法取得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和討論，對(duì)試驗(yàn)人員理解鉆孔注水試驗(yàn)測(cè)定滲透系數(shù)有較好的幫助。

【關(guān)鍵詞】滲透系數(shù)；注水試驗(yàn)；常水頭；降水頭

【中圖分類號(hào)】TV223.4；TV641.2【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0133-03

0 前言

壩體滲透系數(shù)是土壩安全評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，土壩壩體的滲透系數(shù)大小直接關(guān)系到土壩的安全性能。如何通過(guò)注水試驗(yàn)得到準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)工程安全來(lái)講是一項(xiàng)重要的工作，土壩滲透系數(shù)測(cè)定分為室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定和原位試驗(yàn)測(cè)定，原位試驗(yàn)主要采用抽水試驗(yàn)和鉆孔注水試驗(yàn)，由于壩體不滿足抽水試驗(yàn)場(chǎng)地條件，壩體滲透系數(shù)主要采用鉆孔注水試驗(yàn)，鉆孔注水試驗(yàn)分為常水頭試驗(yàn)和變水頭試驗(yàn)，這2種試驗(yàn)是當(dāng)前一段時(shí)期較常用的測(cè)試手段。由于試驗(yàn)人員對(duì)計(jì)算公式的原理理解不清，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定不合理，導(dǎo)致試驗(yàn)異常，計(jì)算結(jié)果存在較大偏差，給試驗(yàn)人員帶來(lái)困惑。筆者對(duì)影響滲透系數(shù)的因素進(jìn)行了深入的研究，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、計(jì)算公式原理及不同的測(cè)試方法進(jìn)行了探討和對(duì)比分析。

1 滲透系數(shù)測(cè)定公式

1.1 常水頭注水試驗(yàn)

1.1.1 注水試驗(yàn)段位于地下水位以上時(shí)

試驗(yàn)段位于水位以下時(shí)，對(duì)于均質(zhì)土體，水的滲透符合達(dá)西定律，常水頭注水試驗(yàn)計(jì)算公式通過(guò)達(dá)西定律試驗(yàn)條件推導(dǎo)得出[2]，均質(zhì)土壩試驗(yàn)段位于水位以下，采用公式（1）計(jì)算，《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 345—2007）[1]常水頭試段位于水位以下采用公式（1）計(jì)算。

K=■ln■（1）

m=■

公式（1）中：K為滲透系數(shù)，cm/s；Q為穩(wěn)定注水量，L/min；H為試驗(yàn)水頭，cm；l為試驗(yàn)段長(zhǎng)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。

1.1.2 注水試驗(yàn)段位于地下水位以上時(shí)

試驗(yàn)如圖1所示，對(duì)于均質(zhì)各向同性土層，運(yùn)用納斯別克應(yīng)用圖解法，并略去毛管水頭的影響，推導(dǎo)出該工況下滲透系數(shù)的計(jì)算公式（公式2），由于該工況屬于無(wú)壓流，試驗(yàn)參數(shù)須滿足50K=■lg■（2）

公式（2）中：H為孔中水柱高度（等于試驗(yàn)段長(zhǎng)l，cm），其余符號(hào)同公式（1）。

2.2 變水頭注水試驗(yàn)

2.2.1 注水試驗(yàn)段位于地下水位以上時(shí)

試驗(yàn)段位于水位以下時(shí)，對(duì)于均質(zhì)土體，水的滲透符合達(dá)西定律，常水頭注水試驗(yàn)計(jì)算公式通過(guò)達(dá)西定律試驗(yàn)條件推導(dǎo)得出[2]，均質(zhì)土壩試驗(yàn)段位于水位以下，采用公式（3）計(jì)算， 《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》（SL 345—2007）[1]常水頭試段位于水位以下采用公式（3）計(jì)算。

K=■■（3）

公式（3）中：t1、t2為注水試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間，min；H1、H2為t1、t2對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)水頭，cm。

此外，還可根據(jù)ln（Ht/H0）與t的關(guān)系求得注水試驗(yàn)特征時(shí)間T0，其中Ht為試驗(yàn)?zāi)硶r(shí)刻t的試驗(yàn)水頭，H0為試驗(yàn)初始水頭，T0為Ht/H0=0.37時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值，可在ln（Ht/H0）與t的關(guān)系曲線上確定。

K=■（4）

2.2.2 注水試驗(yàn)段位于地下水位以上時(shí)

地下水位以上試驗(yàn)段存在包氣帶，對(duì)于在包氣帶內(nèi)進(jìn)行的降水頭注水試驗(yàn)，與包氣帶的飽和度和孔隙度有關(guān)，目前水利水電勘察中缺少資料進(jìn)行對(duì)比，可采用飽和帶注水試驗(yàn)公式（3）和中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS5214—2000（注水試驗(yàn)規(guī)程）推薦的公式（5）計(jì)算滲透系數(shù)：

K=■（5）

公式（5）中：H1、H2為t1、t2對(duì)應(yīng)的管內(nèi)水柱高度（從孔底算起），cm；Sr試驗(yàn)土層最終飽和度；n試驗(yàn)土層孔隙度。

由于公式（5）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，不具現(xiàn)場(chǎng)操作性。準(zhǔn)確確定非飽和土的滲透系數(shù)較為麻煩。由于目前對(duì)非飽和土的滲流問(wèn)題的研究還不完善，在當(dāng)前條件下，采用水位以下的飽和滲流理論進(jìn)行試驗(yàn)分析盡管有一定的偏差，但至少是可以理解的。

3 注水試驗(yàn)實(shí)例分析

3.1 注水試驗(yàn)

某水庫(kù)為均質(zhì)土壩，最大壩高42.2 m，分別采用常水頭、降水頭試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試壩體滲透系數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)選取如下：試驗(yàn)段長(zhǎng)3.0～5.0 m，鉆孔直徑為110 cm，常水頭試驗(yàn)壓力水頭控制在4.0～6.0 m。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

3.2 成果分析

（1）表1的結(jié)果表明：均質(zhì)土壩地下水位以上的試驗(yàn)段，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1.16～2.28；均質(zhì)土壩地下水位以下的試段，常水頭注水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)與降水頭注水試驗(yàn)的結(jié)果較接近，且常水頭注水試驗(yàn)結(jié)果較小，K常/K降在0.75～0.91。

（2）表2的結(jié)果表明：均質(zhì)土壩常水頭注水試驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)比室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果偏大，K常/K室在4.02～10.22；筆者認(rèn)為除人員操作和設(shè)備影響外，主要在于土壩壩體填筑層面及土體裂縫等缺陷。

（3）試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)水頭均控制在5.0 m，消除了水頭對(duì)試驗(yàn)成果的影響，保證了測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)一性，便于對(duì)比研究。此外，研究成果表明，水頭過(guò)高，容易導(dǎo)致試驗(yàn)段土體劈裂，造成滲透系數(shù)失真[3]。

（4）均質(zhì)壩體土層滲透系數(shù)kh、kV值采用室內(nèi)滲透試驗(yàn)測(cè)定，kh、kV在1.08～1.82，以L=5.0 m，r=5.5 cm計(jì)算，傳導(dǎo)比m造成的偏差在7%以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，可根據(jù)需要忽略均質(zhì)壩體各項(xiàng)異性對(duì)滲透系數(shù)的影響。

（5）常水頭試驗(yàn)時(shí)，地下水位以上土層滲透系數(shù)測(cè)試宜取L=h，滿足全段無(wú)壓流的邊界條件，符合計(jì)算公式推導(dǎo)條件；公式中的h為水柱高度，在試驗(yàn)中等于試驗(yàn)段長(zhǎng)；由于相關(guān)規(guī)范沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，所以應(yīng)用時(shí)，很多試驗(yàn)人員誤認(rèn)為h為壓力水頭，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于滲透系數(shù)比較小的巖土層，常水頭注水試驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，變水頭注水試驗(yàn)較為省時(shí)。對(duì)于滲透系數(shù)較大的巖土層，采用變水頭注水試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)水位下降較快，記錄數(shù)據(jù)不易把握，容易產(chǎn)生較大偏差，繪制的擬合直線不具備代表性；此種情況采用常水頭注水試驗(yàn)，采用水表測(cè)量穩(wěn)定注水量較準(zhǔn)確，計(jì)算結(jié)果也更為可靠。

（2）對(duì)于均質(zhì)土壩，室內(nèi)測(cè)試與原位試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有一定偏差，其原因主要在于現(xiàn)場(chǎng)土體的層面、裂縫等缺陷及相對(duì)于室內(nèi)試樣的尺度效應(yīng)，因此現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)測(cè)試的滲透系數(shù)較室內(nèi)試驗(yàn)大。

（3）試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)段長(zhǎng)度宜為3.0～5.0 m，水頭應(yīng)控制在5.0 m左右，防止水頭過(guò)大引起試驗(yàn)段土體劈裂，造成滲透偏大的假象。

（4）常水頭試驗(yàn)時(shí)，地下水位以上土層滲透系數(shù)測(cè)試宜取L=H，滿足全段無(wú)壓流的邊界條件，公式中的H為水柱高度，在試驗(yàn)中等于試驗(yàn)段長(zhǎng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]吳世余，李宏.均質(zhì)各向異性土層中軸對(duì)稱滲流問(wèn)題的分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008（4）：581-583.

[3]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(guó)農(nóng)村水利水電，2010（6）：143-149.

[4]滿志強(qiáng).淺析水利工程中高噴灌漿防滲墻質(zhì)量檢測(cè)方法

[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（13）：113-114.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]