土壩壩體注水試驗的影響因素

王文雙，江曉益

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

土壩壩體注水試驗的影響因素

王文雙，江曉益

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州 310020)

針對目前病險土壩地質勘察中選取壩體土滲透系數較難的問題，采用適合土壩壩體注水試驗的滲透系數計算公式，分析了注水試驗參數對滲透系數的影響，并對常水頭與降水頭室內滲透試驗與現場注水試驗成果進行對比分析。結果表明:土壩壩體注水試驗水頭和初始水位對試驗結果影響最大，注水試驗水頭過高易產生壩體水力劈裂，造成壩體土滲透系數偏大的假象;大壩壩體填土均適合進行常水頭及降水頭注水試驗;土壩壩體土滲透系數的確定應綜合注水試驗及室內滲透試驗的成果。

病險土壩;注水試驗;滲透系數;臨界水頭;水力劈裂

病險土壩工程地質勘察是大壩安全鑒定及除險加固設計的主要工作之一，其中壩體土的滲透系數大小將直接關系到病險土壩的安全性評價及除險加固方案的確定。勘察實踐表明，壩體注水試驗測定的滲透系數一般均大于取樣室內滲透試驗測定的滲透系數，如果壩體土填筑質量差，甚至會相差一兩個數量級。如何客觀評價壩體土的滲透系數，對地質工程師來說相當困惑。水庫大壩安全鑒定或除險加固設計審查時，不同專家對使用壩體注水試驗成果存在不同的認識，甚至部分專家不贊成壩體注水試驗，注水試驗是否對土壩壩體造成破壞以及其成果與室內滲透試驗成果的偏差太大往往成為爭議的焦點。筆者認為，SL 345—2007《水利水電工程注水試驗規程》［1］比較適合于天然沉積地層，對于土壩這種應力分布特殊的“地質體”，注水試驗的適用性尚需要研究。應該說，鉆孔注水試驗是野外測定巖土層滲透性的一種比較實用且有效的方法，其原理與抽水試驗相似，但其與室內的滲透試驗及抽水試驗還是有較大差別的，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“地質體”，分析研究壩體注水試驗的相關影響因素，對于解決目前病險水庫地質勘察中壩體土滲透性評價的難題有著極為重要的理論及現實意義。

1 土壩壩體注水試驗滲透系數計算公式

1.1 注水試驗邊界條件

鉆孔注水試驗的原理與抽水試驗類似，但注水試驗理論研究相對滯后，不同學者根據不同假定邊界條件和流態推導出不同的滲透系數計算公式，且現行規程規范及部分參考手冊中對注水試驗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“地質體”，其浸潤線是傾斜的，同時其分層填筑特征、特殊的應力分布及累積效應(如心墻拱效應等)對常規注水試驗均存在一定影響［2］。

首先應對土壩壩體鉆孔注水試驗的邊界條件進行簡化分析。根據常規注水試驗實踐，試驗的影響邊界寬度一般認為是試驗段長度的1～2倍［3］，若按試驗段長5 m考慮，試驗影響范圍也就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(壩內水位)可視為水平，近似符合常規注水試驗邊界條件。土壩注水試驗滲透系數計算公式目前可采用 YS 5214—2000《注水試驗規程》［4］、SL345—2007《水利水電注水試驗規程》及工程地質手冊提供的公式。

1.2 滲透系數計算公式

當采用常水頭注水試驗時，規程及手冊提供的注水試驗滲透系數計算公式對于飽和土滲流時(試驗段位于地下水位以下)差別主要體現在傳導比的取值，而非飽和土滲流時(試驗段位于地下水位以上)公式差別較大。

1.2.1 地下水位以下試驗段

a.常水頭注水試驗。滲透系數計算公式為

式中:K為滲透系數，cm/s;Q為穩定注水量，cm3/s;H為試驗水頭，cm;l為試驗段長度，cm;r為試驗段內半徑，cm;m為傳導比;Kh、Kv分別為水平、垂直滲透系數，cm/s。

在實際應用中，傳導比m并非定值，要求試驗前進行估算，工程地質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，壩體土一般多表現為各相異性特征，其水平滲透系數大多比垂直滲透系數大。對浙江省千庫保安工程中部分水庫大壩防滲體室內水平及垂直滲透系數進行統計，心墻壩m=1.2～1.8，均質壩m=1.1～1.2，因此筆者計算滲透系數時，一般心墻壩取m=1.4，均質壩取m=1.1。

b.降水頭注水試驗。滲透系數計算公式可采用SL 345—2007《水利水電注水試驗規程》推薦公式:

式中:t1、t2為注水試驗的持續時間，min;H1、H2為t1、t2對應的試驗水頭，cm。

另外還可根據ln(Ht/H0)與t的關系求得注水試驗特征時間T0，其中Ht為試驗某時刻t的試驗水頭，H0為試驗初始水頭，T0為Ht/H0=0.37時所對應的t值，可在ln(Ht/H0)與t的關系曲線上確定，則滲透系數計算公式為

1.2.2 地下水位以上試驗段

a.常水頭注水試驗。當試驗段位于地下水位以上時，理論上屬非飽和土滲流問題，應考慮土層毛細力影響，滲流不符合達西定律［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，試驗時水頭控制難度極大。

b.降水頭注水試驗。現行規程建議采用美國雙栓塞注水試驗公式計算滲透系數，由于該公式極其復雜，需要提供土層的最終飽和度及試驗土層孔隙度，誤差也相當大，且試驗裝置條件苛刻，不具現場操作性。

精確確定非飽和土的滲透系數十分困難，應盡量確保在誤差不大的情況下選擇簡便可行的試驗方法。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關系，并且填土飽和度平均約為86%，大多并未達到95%以上的飽和標準。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，在當前技術條件下，用飽和滲流理論進行壩體注水試驗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系

2 土壩壩體注水試驗成果分析

2.1 注水試驗參數選擇

土壩壩體注水試驗參數主要包括試驗段長度、水頭、初始水位、穩定注水量、試驗段孔徑、注水試驗持續時間、特征時間及傳導比等。

對于試驗段長度l的選取，SL 345—2007《水利水電工程注水試驗規程》規定同一試驗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《注水試驗規程》要求ml＞8r;工程地質手冊要求l＞4r。抽水試驗規定當含水層厚度不大于15 m時，宜采用完整孔抽水，當含水層厚度大于15 m時，可采用非完整孔抽水，此時l＜0.3H［6］。在壓水試驗中國外有關規程規定l為3～6 m，多數為5 m，因此現行壓水試驗規程規定l宜為5 m，過長則影響成果精度，過短又會增加試驗次數和費用［7］。綜上所述，土壩壩體注水試驗的試驗段長度可取3～5 m，若遇特殊情況(如壩體裂縫、夾層等)，應根據具體情況確定試驗的位置和長度。

注水試驗水頭H的計算與壩體內浸潤線即初始水位有關，傳統方法是利用鉆孔揭露初始水位，由于鉆孔孔徑較大，孔內充水將耗費相當長時間，同時由于持續鉆進孔深的變化以及鋼管護壁影響，孔內初始水位的判定相當困難。合理確定初始水位對試驗結果影響較大，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鍵［8］。一般大中型水庫壩體內均埋設測壓管，可根據勘探期間壩體浸潤線擬合確定鉆孔初始水位，而大多數小型水庫無觀測設施，可以結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，此時可以根據大壩結構推測壩體浸潤線，并在推測浸潤線上下段壩體附近要求盡量控制鉆探進度，延長壩體土鉆探時間，隔天進行孔內水位觀測，若壩體土較軟易縮徑應提前下花管護壁，若土體強度較高應預留3～5 m進水段，以此判斷孔內初始水位。試驗段壓力零線計算可參考壓水試驗壓力零線計算方法［7］。

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

試驗段孔徑的選取一般為標準的鉆具口徑，壩體土層鉆進一般采用直徑為 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成果的主要影響因素。

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

傳導比m的選取可利用室內水平及垂直滲透系數進行計算復核。根據統計，傳導比m=1.1～1.8，說明大壩防滲體水平滲透系數一般是垂直滲透系數的1.2～3.2倍。如果以段長為5 m、孔徑為110 mm試驗段進行分析，其他條件相同，僅由于傳導比的不同導致兩者滲透系數計算值相差10%左右，影響不大。

2.2 水力劈裂現象分析

水力劈裂通常是指巖土體在高水壓作用下產生裂縫并發展的過程。SL 345—2007《水利水電注水試驗規程》建議注水試驗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生水力劈裂的可能，特別是對于土壩這種應力分布特殊的“地質體”，注水試驗造成壩體水力劈裂的風險大大增加［8］。

筆者在病險土壩壩體鉆孔注水試驗過程中發現當注水水頭過高或水位接近孔口時，漏水量有突然增大的現象。如圖2所示，某水庫在心墻深度30.2～35.0 m試驗段進行注水試驗時壩體土在高水頭作用下存在明顯水力劈裂現象。第1次以15 L/min的穩定流量注水時，水位上升后緩慢下降，水力劈裂強度較低;第2次調整流量至90 L/min時，孔內水位快速上升，當水位升至距孔口1 m左右時，水位快速下降，水力劈裂強度大。經計算，心墻深度30.2～35.0m試驗段發生第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試驗段在兩種不同的注水量下未發生明顯水力劈裂現象。

圖2 某水庫心墻深度30.2～39.8 m分段注水試驗水位變化曲線

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

因為壩體不是無限體，理論計算和實踐都證明土壩壩體的小主應力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比地基中的側壓力小得多。所以在沿壩軸線進行壩體鉆孔注水試驗時，水壓力首先最容易劈開的是小主應力面，即σ3的作用面，形成沿壩軸線方向的縱向縫［9］。

理論計算表明，壩體橫向側壓力系數K3沿壩高方向呈曲線分布，即當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］。說明現場壩體鉆孔注水試驗時當試驗段在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。

在病險土石壩工程地質勘察實踐中，應盡量避免壩體鉆孔注水試驗引起水力劈裂，臨界水頭值的選擇至關重要。在當前注水試驗引起水力劈裂的機理及過程未完全清楚的情況下，應盡量選擇較低的水頭進行試驗，試驗方法可參照抽水試驗，采用分級注水，即選擇3個不同水頭，取3次試驗結果的平均值作為最終試驗值，其中1/3～2/3倍壩高處應特別注意不能采用高水頭。試驗時估算臨界水頭，在臨界水頭值以內采用3個不同的試驗水頭進行注水試驗。如果3次試驗結果出現較大差別，應分析原因進行甄別，從試驗段套管腳止水、壩體結構、原生裂縫或水力劈裂等方面進行綜合分析。

3 常水頭與降水頭注水試驗結果對比分析

采用常水頭分級注水試驗，每級試驗結果均有一定差別，當某級滲透系數計算值與最小值之比(K/Kmin)大于5時應考慮有可能試驗段局部已產生水力劈裂，造成試驗段滲透系數偏大。當發生水力劈裂后，計算的壩體土滲透系數一般都大于1.0×10－4cm/s，呈中等透水性。

降水頭注水試驗一般采用連續水頭比(公式(2))及特征時間(公式(3))兩種方法計算，宜利用水頭比與時間關系曲線對試驗結果進行初檢，當該關系不呈直線狀態時，應查找原因。一般來說，開始時間段由于水頭下降速率較快而引起讀數誤差，水頭比與時間關系稍具曲線狀，隨著時間延長，基本都呈直線。利用特征時間計算滲透系數時，宜將初始水頭與不同時間段水頭計算的滲透系數進行算術平均，作為最終推薦的滲透系數，以消除部分讀數誤差。同時兩種計算方法之間的對比綜合分析也能夠判定數據的準確度。

表1所示的對比結果表明:當試驗段的滲透系數K＜1.0×10－4cm/s時為弱透水性，常水頭注水試驗獲取的滲透系數一般比降水頭注水試驗的結果小，K常/K降在0.23～0.79之間，平均值為0.45。當試驗段的K＞1.0×10－4cm/s時為中等透水性，一般常水頭注水試驗獲取的滲透系數比降水頭注水試驗的結果大，K常/K降在1.94～13.58之間。從偏安全角度考慮，當試驗段為弱透水性時，宜采用降水頭注水試驗，當試驗段為中等及以上透水性時，宜采用常水頭注水試驗，且同時輔以降水頭注水試驗進行結果對比，根據兩種試驗結果并結合室內試驗進行綜合分析。

表1 壩體常水頭與降水頭注水試驗結果對比

SL 345—2007《水利水電工程注水試驗規程》規定常水頭注水試驗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《注水試驗規程》規定常水頭注水試驗適用于地下水位以下滲透性較強的地層，降水頭注水試驗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，盡管壓實土質為低滲透性，但其填筑質量、層面或裂縫等缺陷不可避免，因此防滲體局部多表現為弱至中等透水性，應該說這種滲透性特征均適合進行常水頭及降水頭注水試驗，而實踐也證明兩種方法計算出的滲透系數結果相近。由于降水頭注水試驗工藝簡單、省時，故工程實踐中多推薦采用降水頭注水試驗。不過降水頭注水試驗也有其局限性，國內病險水庫大部分建于20世紀五六十年代，多數為邊勘測、邊設計、邊施工的“三邊”工程，某些大壩防滲體填筑料及填筑質量差，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，降水頭注水試驗成果誤差較大。常水頭注水試驗時采用分級注水有利于發現水力劈裂現象，而降水頭注水試驗一般水頭到孔口，極易瞬間發生水力劈裂現象。因此建議注水試驗時一定要控制水頭上升速度，并實時監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。當然，如果工期許可，建議兩種注水方法都采用，對試驗段原位滲透成果進行綜合分析。

4 現場注水試驗與室內滲透試驗成果對比分析

注水試驗可視為以水平向為主的滲透試驗。根據表2所示對比成果，土壩鉆孔注水試驗與室內滲透試驗測定的滲透系數確實存在一定的偏差，一般中型水庫由于施工質量相對有所保證，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。至于兩種試驗方法存在的差異，筆者認為原因是多方面的，拋開設備誤差及一些人為因素影響而言，兩者產生差別的最主要原因是由于土壩壩體的非均質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的尺度效應［10］。

表2 現場注水試驗與室內滲透試驗結果對比

碾壓式土石壩設計規范規定心墻填筑土的滲透系數小于1.0×10－5cm/s，均質壩的滲透系數小于1.0×10－4cm/s［11］。若勘察結果不能滿足以上要求，大壩防滲體的防滲性能是不合格的。結合已有研究成果及工程實踐，壩體滲透系數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，應對現場鉆孔注水試驗及室內滲透試驗成果進行統計分析整理，將現場鉆孔注水試驗得到的滲透系數小值平均值與室內滲透試驗得到的滲透系數大值平均值進行算術平均，作為防滲體滲透系數的建議值。

b.大壩防滲體外側的過渡段或砂性壩殼，由于室內無法進行試驗，應直接采用現場注水試驗成果，將試驗得到的滲透系數大值平均值作為該分區滲透系數的建議值。

c.當現場鉆孔注水試驗與室內滲透試驗分別統計后的滲透系數平均值基本接近時，可直接采用兩者的算術平均值。

5 結論

a.鉆孔注水試驗中的初始水位(壓力零點)及注水試驗水頭對注水試驗結果影響最大。注水試驗水頭過高易產生壩體水力劈裂，造成壩體土滲透系數偏大的假象，注水試驗時應盡量選擇較低的水頭進行試驗，并采取分級注水，取合理結果的平均值作為最終試驗值。

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

c.土壩壩體滲透系數具有明顯的尺度效應，目前大壩的滲流穩定評價仍然屬于相對大尺度的模擬，土壩防滲體滲透系數的確定應綜合注水試驗及室內滲透試驗結果。

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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劃項目(RC0733)

王文雙(1970—)，男，浙江安吉人，高級工程師，主要從事水工結構及巖土工程設計工作。E-mail:wangws007@hotmail.com

2012-05-03 編輯:周紅梅)