基于注水試驗的土體滲透系數計算

田國林

摘 要：利用鉆孔降水頭注水試驗確定土體滲透系數是工程勘察設計的重要手段，為工程的勘察、設計與施工等提供了基礎參數。以無為大堤水家樓站閘前池工程地質勘察為例，采用鉆孔降水頭試驗，并分別運用公式法和圖解法計算求取了站閘前池基礎土體的滲透系數。結果表明，鉆孔降水頭注水試驗具有很好的適應性，用公式法和圖解法計算的土體滲透系數基本一致，起到了互為驗證的效果，取兩者的平均值可提高其計算精度。

關鍵詞：注水試驗；土體滲透系數；公式法；圖解法

中圖分類號：TV221.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.015

在水文地質、工程地質勘察等工程實踐中，土體滲透系數的確定是滲流分析、基坑降水、抗浮設計等工作的基礎，準確地求取土體滲透系數關系到工程設計等的準確性，因此，選用適用的計算方法求取土體滲透系數顯得尤為重要。在水利水電工程實踐中，滲流分析、基坑降水及抗浮設計等是比較常見的，比如壩基滲流分析、繞壩滲流分析、基坑降水設計、基礎抗浮設計等。與之相關的土體滲透系數的求取計算主要采用注水試驗法。注水試驗具有操作簡單、速度較快、適應性強等優(yōu)勢。

1 研究方法

1.1 滲透系數計算方法

土體滲透系數是水利水電工程地質勘察中重要的水文地質參數，是確定地下水滲流場的重要計算依據，對水利水電工程的設計、施工等具有重要意義。滲透系數的測定方法分為實驗室測定法和野外現場測定法。在水利水電工程實踐中，土體滲透系數的測定主要采用野外現場測定法。野外現場測定法主要包括鉆孔抽水試驗和鉆孔注水試驗。鉆孔抽水試驗一般適用于孔深和孔徑均較大的鉆孔，而鉆孔注水試驗則適用于孔深和口徑均較小的鉆孔。鉆孔注水試驗又分為鉆孔常水頭注水試驗和鉆孔降水頭注水試驗。

1.2 鉆孔降水頭注水試驗

鉆孔降水頭注水試驗適用于地下水位以下滲透系數比較小的黏性土層，比如粉質黏土、黏土等，且鉆孔孔深較淺、孔徑較小。試驗過程中用水量較少，操作簡單，且速度較快，適應性強。

2 實例應用

2.1 基本概況

安徽省無為大堤位于長江下游左岸，上起無為縣果合興，下迄和縣方莊，全長124.215 km。大堤水家樓站閘坐落于無為縣湯溝鎮(zhèn)水樓村，為濕室型立式泵站，設計外江水位12.72 m，內河水位4.58 m。無為縣屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫15～16 ℃，年平均降雨量1 200 mm；無為縣屬巢湖流域，流域內水系發(fā)達，共有七大水系注入巢湖，最終經裕溪河匯入長江；縣域地貌可分為沖洪積平原區(qū)和低山丘陵區(qū)，平原區(qū)以縣境東部圩區(qū)為主，再沿西河延伸至縣境西部，長江沿岸灘地和江心諸洲組成洲地，地勢平坦，海拔9～10 m，低山丘陵自北部縣界延伸至西南，崗巒起伏，海拔大多在40～200 m。

2.2 水文地質參數計算

2.2.1 水文地質條件

水家樓站閘位于長江沖洪積平原區(qū)，區(qū)內廣泛發(fā)育第四系松散堆積物。堆積物主要為黏性土及砂，覆蓋于白堊系（K）基巖之上。站閘處地層30 m深度范圍內自上而下依次為素填土層、黏土層（夾薄層粉土）、粉質黏土層（夾薄層粉土）、粉細砂層。地下水主要類型為第四系松散巖類孔隙潛水，主要接受降水入滲補給及側向徑流補給，排泄方式主要為側向徑流。

2.2.2 降水頭注水試驗數據

根據地層情況，在站閘前池一側按一定間距布置2個鉆孔ZK1、ZK2，通過止水處理，使2個鉆孔分別在黏土層、粉質黏土層段出水。其中，鉆孔ZK1、ZK2的初始試驗水頭（H0）分別為163.5 cm、170 cm，試驗段長度（l）分別為350 cm、300 cm，套管內徑均為7 cm。按照試驗要求對2個鉆孔分別進行降水頭注水實驗，采集數據分別見表1、表2.

2.2.3 參數計算分析

2.2.3.1 公式法

公式法的基本原理為基于水力學理論的達西（Darcy）定律，通過對達西公式進行微分與積分變換，得出相應的滲透系數計算公式。滲透系數的計算式為：

式（1）中：K為試驗段含水層滲透系數，cm/s；r為套管內半徑，cm；H1，H2為在試驗時間t1，t2時刻的試驗水頭，cm；t1，t2為注水試驗某一時刻的試驗時間，min；A為形狀系數，cm。

根據鉆孔結構，形狀系數A按下式計算：

式（2）中：Kh，Kv為試驗土層水平、垂直滲透系數，cm/s；l為試驗段長度，cm。

按照公式所需數據及要求，鉆孔ZK1、ZK2的計算結果如表3所示。

2.2.3.2 圖解法

圖解法是根據試驗時記錄的孔內水頭（Ht）及持續(xù)時間（t）繪制ln（Ht/H0）—t關系曲線，如圖1、圖2所示，在曲線上點出注水試驗的特征時間T0，將所得T0值代入以下公式進行求解：

式（3）中：T0為注水試驗的特征時間，min，指孔內水頭（Ht）與初始試驗水頭（H0）的比值Ht/H0=0.37時所對應的t值。

通過圖解法得出鉆孔ZK1、ZK2的注水試驗特征時間分別為4.82 min、1.15 min，將其代入上述公式中得出土體滲透系數值如表4所示。

3 結束語

鉆孔降水頭注水試驗是水利水電工程地質勘察中確定土體滲透系數的重要手段，具有明顯的優(yōu)勢。試驗過程中需水量少，操作簡單，便于試驗，且試驗速度較快，適應性強，可提高勘察效率。

鉆孔降水頭注水試驗主要適用于地下水位以下滲透系數較小的黏性土層，不適合地下水位以上的土體，滲透系數較大的粉土、砂土等土體不適用。

鉆孔降水頭試驗計算方法有2種，分為公式法和圖解法。這2種方法各有自身優(yōu)勢，在實際計算中，可分別采用2種法計算土體滲透系數，互為驗證，也可取兩者的平均值作為土體滲透系數，提高土體滲透系數的計算精度。

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〔編輯：劉曉芳〕