均質土壩壩體滲透系數測定探討

楊建坤

【摘 要】土壩壩體滲透系數是評定大壩安全的重要指標，土壩滲透系數測定分為室內試驗測定和野外原位試驗測定，壩體滲透系數測定主要采用室內試驗和現場鉆孔注水試驗。由于對測定滲透系數計算公式原理和邊界條件的認識不清，在現場試驗時，試驗人員采用不同的測試方法、設置不同的試驗參數，造成滲透系數計算結果存在較大偏差。文章對鉆孔注水試驗計算公式的適用條件、參數設定進行了解釋和討論，并對采用不同的測試方法取得的試驗結果進行了對比和討論，對試驗人員理解鉆孔注水試驗測定滲透系數有較好的幫助。

【關鍵詞】滲透系數；注水試驗；常水頭；降水頭

【中圖分類號】TV223.4；TV641.2【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2017）05-0133-03

0 前言

壩體滲透系數是土壩安全評價的一項重要指標，土壩壩體的滲透系數大小直接關系到土壩的安全性能。如何通過注水試驗得到準確、可靠的試驗數據，對工程安全來講是一項重要的工作，土壩滲透系數測定分為室內試驗測定和原位試驗測定，原位試驗主要采用抽水試驗和鉆孔注水試驗，由于壩體不滿足抽水試驗場地條件，壩體滲透系數主要采用鉆孔注水試驗，鉆孔注水試驗分為常水頭試驗和變水頭試驗，這2種試驗是當前一段時期較常用的測試手段。由于試驗人員對計算公式的原理理解不清，試驗參數設定不合理，導致試驗異常，計算結果存在較大偏差，給試驗人員帶來困惑。筆者對影響滲透系數的因素進行了深入的研究，對試驗參數設定、計算公式原理及不同的測試方法進行了探討和對比分析。

1 滲透系數測定公式

1.1 常水頭注水試驗

1.1.1 注水試驗段位于地下水位以上時

試驗段位于水位以下時，對于均質土體，水的滲透符合達西定律，常水頭注水試驗計算公式通過達西定律試驗條件推導得出[2]，均質土壩試驗段位于水位以下，采用公式（1）計算，《水利水電工程注水試驗規(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，cm/s；Q為穩(wěn)定注水量，L/min；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。

1.1.2 注水試驗段位于地下水位以上時

試驗如圖1所示，對于均質各向同性土層，運用納斯別克應用圖解法，并略去毛管水頭的影響，推導出該工況下滲透系數的計算公式（公式2），由于該工況屬于無壓流，試驗參數須滿足50K=■lg■（2）

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

2.2 變水頭注水試驗

2.2.1 注水試驗段位于地下水位以上時

試驗段位于水位以下時，對于均質土體，水的滲透符合達西定律，常水頭注水試驗計算公式通過達西定律試驗條件推導得出[2]，均質土壩試驗段位于水位以下，采用公式（3）計算， 《水利水電工程注水試驗規(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為注水試驗的持續(xù)時間，min；H1、H2為t1、t2對應的試驗水頭，cm。

此外，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。

K=■（4）

2.2.2 注水試驗段位于地下水位以上時

地下水位以上試驗段存在包氣帶，對于在包氣帶內進行的降水頭注水試驗，與包氣帶的飽和度和孔隙度有關，目前水利水電勘察中缺少資料進行對比，可采用飽和帶注水試驗公式（3）和中國有色金屬工業(yè)協(xié)會頒布的行業(yè)標準YS5214—2000（注水試驗規(guī)程）推薦的公式（5）計算滲透系數：

K=■（5）

公式（5）中：H1、H2為t1、t2對應的管內水柱高度（從孔底算起），cm；Sr試驗土層最終飽和度；n試驗土層孔隙度。

由于公式（5）需要提供土層的最終飽和度及試驗土層孔隙度，誤差也相當大，不具現場操作性。準確確定非飽和土的滲透系數較為麻煩。由于目前對非飽和土的滲流問題的研究還不完善，在當前條件下，采用水位以下的飽和滲流理論進行試驗分析盡管有一定的偏差，但至少是可以理解的。

3 注水試驗實例分析

3.1 注水試驗

某水庫為均質土壩，最大壩高42.2 m，分別采用常水頭、降水頭試驗和室內試驗測試壩體滲透系數。試驗參數選取如下：試驗段長3.0～5.0 m，鉆孔直徑為110 cm，常水頭試驗壓力水頭控制在4.0～6.0 m。試驗結果見表1、表2。

3.2 成果分析

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

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

（3）試驗時，試驗水頭均控制在5.0 m，消除了水頭對試驗成果的影響，保證了測試結果的統(tǒng)一性，便于對比研究。此外，研究成果表明，水頭過高，容易導致試驗段土體劈裂，造成滲透系數失真[3]。

（4）均質壩體土層滲透系數kh、kV值采用室內滲透試驗測定，kh、kV在1.08～1.82，以L=5.0 m，r=5.5 cm計算，傳導比m造成的偏差在7%以內，現場測試時，可根據需要忽略均質壩體各項異性對滲透系數的影響。

（5）常水頭試驗時，地下水位以上土層滲透系數測試宜取L=h，滿足全段無壓流的邊界條件，符合計算公式推導條件；公式中的h為水柱高度，在試驗中等于試驗段長；由于相關規(guī)范沒有對此進行詳細說明，所以應用時，很多試驗人員誤認為h為壓力水頭，導致計算結果偏差較大。

4 結論

（1）對于滲透系數比較小的巖土層，常水頭注水試驗耗費時間較長，變水頭注水試驗較為省時。對于滲透系數較大的巖土層，采用變水頭注水試驗時，動水位下降較快，記錄數據不易把握，容易產生較大偏差，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，采用水表測量穩(wěn)定注水量較準確，計算結果也更為可靠。

（2）對于均質土壩，室內測試與原位試驗測試結果具有一定偏差，其原因主要在于現場土體的層面、裂縫等缺陷及相對于室內試樣的尺度效應，因此現場原位試驗測試的滲透系數較室內試驗大。

（3）試驗時，試驗段長度宜為3.0～5.0 m，水頭應控制在5.0 m左右，防止水頭過大引起試驗段土體劈裂，造成滲透偏大的假象。

（4）常水頭試驗時，地下水位以上土層滲透系數測試宜取L=H，滿足全段無壓流的邊界條件，公式中的H為水柱高度，在試驗中等于試驗段長。

參 考 文 獻

[1]SL 345—2007，水利水電工程注水試驗規(guī)程[S].

[2]吳世余，李宏.均質各向異性土層中軸對稱滲流問題的分析[J].巖土工程學報，2008（4）：581-583.

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

[4]滿志強.淺析水利工程中高噴灌漿防滲墻質量檢測方法

[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（13）：113-114.

[責任編輯：陳澤琦]