楊建坤

【摘 要】土壩壩體滲透系數(shù)是評定大壩安全的重要指標(biāo)，土壩滲透系數(shù)測定分為室內(nèi)試驗(yàn)測定和野外原位試驗(yàn)測定，壩體滲透系數(shù)測定主要采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場鉆孔注水試驗(yàn)。由于對測定滲透系數(shù)計算公式原理和邊界條件的認(rèn)識不清，在現(xiàn)場試驗(yàn)時，試驗(yàn)人員采用不同的測試方法、設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)，造成滲透系數(shù)計算結(jié)果存在較大偏差。文章對鉆孔注水試驗(yàn)計算公式的適用條件、參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了解釋和討論，并對采用不同的測試方法取得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比和討論，對試驗(yàn)人員理解鉆孔注水試驗(yàn)測定滲透系數(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】TV223.4；TV641.2【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2017）05-0133-03

0 前言

壩體滲透系數(shù)是土壩安全評價的一項(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。如何通過注水試驗(yàn)得到準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對工程安全來講是一項(xiàng)重要的工作，土壩滲透系數(shù)測定分為室內(nèi)試驗(yàn)測定和原位試驗(yàn)測定，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)前一段時期較常用的測試手段。由于試驗(yàn)人員對計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，計算結(jié)果存在較大偏差，給試驗(yàn)人員帶來困惑。筆者對影響滲透系數(shù)的因素進(jìn)行了深入的研究，對試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、計算公式原理及不同的測試方法進(jìn)行了探討和對比分析。

1 滲透系數(shù)測定公式

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

試驗(yàn)段位于水位以下時，對于均質(zhì)土體，水的滲透符合達(dá)西定律，常水頭注水試驗(yàn)計算公式通過達(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

試驗(yàn)如圖1所示，對于均質(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)的計算公式（公式2），由于該工況屬于無壓流，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l，cm），其余符號同公式（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

試驗(yàn)段位于水位以下時，對于均質(zhì)土體，水的滲透符合達(dá)西定律，常水頭注水試驗(yàn)計算公式通過達(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）計算。

K=■■（3）

公式（3）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。

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。

K=■（4）

2.2.2 注水試驗(yàn)段位于地下水位以上時

地下水位以上試驗(yàn)段存在包氣帶，對于在包氣帶內(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)行對比，可采用飽和帶注水試驗(yàn)公式（3）和中國有色金屬工業(yè)協(xié)會頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YS5214—2000（注水試驗(yàn)規(guī)程）推薦的公式（5）計算滲透系數(shù)：

K=■（5）

公式（5）中：H1、H2為t1、t2對應(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。由于目前對非飽和土的滲流問題的研究還不完善，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)測試壩體滲透系數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)選取如下：試驗(yàn)段長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，試驗(yàn)水頭均控制在5.0 m，消除了水頭對試驗(yàn)成果的影響，保證了測試結(jié)果的統(tǒng)一性，便于對比研究。此外，研究成果表明，水頭過高，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)測定，kh、kV在1.08～1.82，以L=5.0 m，r=5.5 cm計算，傳導(dǎo)比m造成的偏差在7%以內(nèi)，現(xiàn)場測試時，可根據(jù)需要忽略均質(zhì)壩體各項(xiàng)異性對滲透系數(shù)的影響。

（5）常水頭試驗(yàn)時，地下水位以上土層滲透系數(shù)測試宜取L=h，滿足全段無壓流的邊界條件，符合計算公式推導(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；由于相關(guān)規(guī)范沒有對此進(jìn)行詳細(xì)說明，所以應(yīng)用時，很多試驗(yàn)人員誤認(rèn)為h為壓力水頭，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差較大。

4 結(jié)論

（1）對于滲透系數(shù)比較小的巖土層，常水頭注水試驗(yàn)耗費(fèi)時間較長，變水頭注水試驗(yàn)較為省時。對于滲透系數(shù)較大的巖土層，采用變水頭注水試驗(yàn)時，動水位下降較快，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)，采用水表測量穩(wěn)定注水量較準(zhǔn)確，計算結(jié)果也更為可靠。

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

（3）試驗(yàn)時，試驗(yàn)段長度宜為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，地下水位以上土層滲透系數(shù)測試宜取L=H，滿足全段無壓流的邊界條件，公式中的H為水柱高度，在試驗(yàn)中等于試驗(yàn)段長。

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稱滲流問題的分析[J].巖土工程學(xué)報，2008（4）：581-583.

[3]江曉益，孫伯永，陳星.病險土石壩水力劈裂現(xiàn)象的注水試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2010（6）：143-149.

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

[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（13）：113-114.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]