降水頭注水試驗在天津地區的應用分析

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的快速發展，地下空間的開發深度不斷加大，深大基坑數量劇增，在深基坑設計、施工中，滲透系數是計算深基坑滲流和基坑降水設計的重要參數之一，其準確性尤為重要。傳統的計算滲透系數的方法為室內試驗及現場抽水試驗。室內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場抽水試驗，由于周期較長、經濟投入大等原因，對工程建設產生較大影響。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、經濟投入少、操作簡便的特點，在上海地區得到了廣泛的應用，且已總結出當地注水試驗計算土層滲透系數的公式，獲得了良好的經濟效益與社會效益。

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

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定水量形成穩定水頭，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計算公式是基于達西定律推導得到的。依據達西定律在dt時間內流過土樣的水量:

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K:

式中:K——滲透系數，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——立管內徑，cm;

D——滲透段直徑，cm;

r——立管內半徑，cm;

a——立管內面積，cm2;

M——滲透段面積，cm2;

l——滲透段長度，cm;

A——滲透段形狀系數，cm，其與滲透段面積和水流邊界條件有關。

1.2 圖解法

通過試驗記錄繪制ln(Ht/H0)—t關系曲線，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:

其中，T0為注水試驗的特征時間，min;即Ht/H0=0.37時所對應的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行分析。本場地埋深30 m以上主要以粉質粘土及粉土為主，本次主要針對埋深約27.9 m～30.0 m段上更新統第五組陸相沖積層粉土(地層編號⑨2)進行試驗。

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。成井后采用空壓機進行洗井。試驗井示意圖見圖1，井身結構參數見表1。

表1 井身結構參數表

采用公式法按式(1)計算⑨2層滲透系數，計算結果見表2。

根據實驗數據繪制的ln(Ht/H0)—t關系曲線見圖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為 2.09 m/d。

表2 公式法滲透系數計算參數及結果表

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承壓含水層進行抽水試驗，試驗結果見表3。通過兩種試驗結果的對比可以看出，兩種方法測得的數據較為接近，也就是說，通過“簡單”的注水試驗即可獲得“復雜”的抽水試驗才能獲得的滲透系數。

3 結語

通過降水頭注水試驗計算滲透系數在天津地區是可行的，與抽水試驗相比，降水頭注水試驗操作簡便、易于實現，結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的實際應用目前還相對較少，對于地區經驗的總結及進一步提高試驗準確性方面的技術要求尚需進行后續研究。

表3 抽水試驗成果表

影響注水試驗成果精度的因數較多，實際工作中應根據地層條件、地下水位、試驗條件等選取適當的鉆探設備和成孔工藝，過程中要保證有足夠的穩定注水時間，同時需要做好試驗段的止水隔離工作。

［1］ 陳南祥.水文地質學［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

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

［3］ SL 345-2007，水利水電工程注水試驗規程［S］.