注水試驗在測試土層滲透系數中的應用

劉 偉

福建省林業勘察設計院（350003）

0 前言

工程勘察過程中常需要進行滲透試驗確定巖土層滲透系數，常用的滲透試驗有現場滲透試驗和室內滲透試驗。現場滲透試驗也可理解為現場原位測試試驗，其測試數據能夠較好反映場地巖土層滲透特性，主要有抽水試驗、壓水試驗、注水試驗等。

抽水試驗一般觀測水位穩定持續時間≥8 h，并加上試驗前期準備及恢復水位觀測時間，所需的試驗時間較長；該試驗方法需要接電，有些勘察項目遠離市區及居住區，無法接通電源，還需要專門配備發電機，這增加了試驗的費用和難度，需要花費的材料、人員精力較多，且對于水位以上土層滲透性無法現場測試。

壓水試驗測試中（微）風化巖層滲透系數，在破碎及較破碎巖層中進行試驗進場因皮塞無法對試驗段完全封閉而試驗失敗，而需要調整試驗段長度保證試驗段密封狀況良好，才能確保試驗數據的準確，其適用范圍有限。

室內滲透試驗由于取樣技術制約，原狀土樣滲透試驗結果與現場試驗結果接近，而擾動土樣室內滲透試驗數據與現場原位滲透試驗數據偏差較大，應用有限。

通過以上幾種滲透試驗分析，文章主要根據幾種特殊場地及巖土層情況，介紹采用注水試驗及改進現場操作方法獲取土層滲透系數的計算及數據分析方法。該方法可較為快速、簡便獲取滲透參數，值得推廣。

1 注水試驗

注水試驗通常于適用于地下水位以上土層滲透試驗、埋藏較淺的巖土層中，在埋藏較深的巖土層中亦可以進行試驗，但需采取套管對上部土層進行隔離處，采用分段進行試驗的方法。該方法操作相對簡單，屬于無壓滲透試驗，一般不需要電源要求。根據注水量與試驗水頭的關系，在試段范圍內獲取土層滲透系數，類似于抽水試驗“滲透漏斗”的顛倒模型。

2 鉆孔注水試驗模型

鉆孔注水試驗分為常水頭鉆孔注水試驗和降水頭鉆孔注水試驗?，F場試驗前應根據地層及試驗條件選擇不同的試驗模型，進而確定試驗形狀系數A值。目前規范提供的形狀系數模型為試驗段底部進水、試驗段側壁和底部同時進水兩種試驗模型，又根據試驗段以上為透水和不透水層，即形成4種試驗模型，詳見表1。

2.1 鉆孔常水位注水試驗適用條件及計算公式

鉆孔常水頭注水試驗適用于滲透性比較大的壤土、粉土、砂土和砂卵礫石層或不能進行壓水試驗的風化破碎巖體、斷層破碎帶等透水性較強的巖體[1]。根據水位和試驗段埋深的關系，試驗段位于水位以上和試驗段位于水位以下兩種計算公式不同。

當試驗段位于地下水位以下時，巖土層滲透系數計算公式為：

當試驗段為位于地下水位以上，且50＜H/r＜200、H≤l時，計算公式為

式中，K——試驗巖土層滲透系數（cm/s）；Q——注入流量（L/min）；H——試驗水頭（cm），等于試驗水位與地下水位之差；A——形狀系數（cm），值根據試驗模型選擇不同的計算公式；r——鉆孔內半徑（cm）；l——試段長度(cm)；

2.2 鉆孔降水頭注水試驗適用條件及計算公式

鉆孔降水頭注水試驗適用于地下水位以下粉土、黏性土層或滲透系數較小的巖層。

其常用計算公式為：

表1 鉆孔注水試驗模型分類一覽表

式中，K——試驗巖土層滲透系數（cm/s）；t2、t1——注水試驗某一時刻的試驗時間（min）；H1、H2——在試驗時間t2、t1時的試驗水頭（min）；r——套管內半徑（cm）；A——形狀系數（cm），A值根據試驗模型選擇不同的計算公式。

3 應用實例分析

3.1 鉆孔常水位注水試驗應用實例

擬建小區位于福建沿海地區，該項目是多棟高層建筑物及1層地下室，現狀場地較寬闊、平坦，地面標高為3.70～5.30 m，地下室底板底設計標高為0.00 m，場地地下水位標高3.37～3.82 m。根據場地周邊地勢及排水情況，抗浮設防水位為4.50 m。為查明基坑開挖影響范圍內含水層①粗中砂的透水性、富水性，采用抽水試驗在附近鉆探孔中試抽，水很快抽干，恢復慢，使得抽水量無法保持穩定，且該砂層厚度小，故綜合考慮后在鉆孔CSK1、CSK2位置進行注水試驗，以提供基坑降水方案設計所需的透水層滲透系數。本次試驗采用常水頭注水試驗，注水試驗孔地層情況見表2。

CSK1試驗孔：①粗中砂層進行注水試驗，用鉆機造孔，鉆進至孔深為1.80 m，利用φ127套管下至底隔離上部砂層，采用孔底進水模型進行試驗。在進行注水試驗前進行地下水位觀測，水位觀測時間間隔為5 min，當連續觀測數據變幅小于10 cm時，水位觀測停止，用最后一次觀測值作為地下水位計算值（為1.70 m）?？紤]水位埋藏較淺，當注水水位與地面標高相平時水頭較小，為提高較大的水頭差值，在地面以上接高套管1.90 m，形成水頭H=360 cm。試驗開始后保持注水水面與接高的套管口平齊，且不漏水，試驗水頭不變，連續觀測注水流量。

CSK2試驗孔采取與CSK1試驗孔類似試驗方法，孔底進水模型進行試驗。對套管接高1.60 m，形成水頭H=320 cm。

經過現場記錄注水量Q及時間T，形成Q-T曲線圖如圖1及圖2所示。

表2 土層及水位埋深分布情況一覽表

圖1 CSK1鉆孔常水頭注水試驗Q-T曲線圖

圖2 CSK2鉆孔常水頭注水試驗Q-T曲線圖

試驗數據整理后，采用公式1進行計算，其中形狀系數A選擇表1中模型一對應規范系數，A=5.5r=5.5×6.35=34.925 cm，計算結果見表 3。

表3 鉆孔常水頭注水試驗計算表

根據計算結果：①粗中砂滲透系數K取平均值為 6.22×10-3cm/s，屬于中等透水層（10-4≤K＜10-2cm/s），該數值與本地區附近砂層顆分組成、密實度類似的水位下砂層抽水試驗經驗數據 （K=6.60×10-3cm/s）接近，數據較為可靠。

3.2 鉆孔降水位注水試驗應用實例

擬建某安置小區由多棟高層建筑物及兩層滿鋪地下室組成，基坑影響范圍內主要巖土層分別為③（坡積）粉質黏土、④殘積砂質黏性土、⑤全風化二長花崗巖，地層埋深分布詳見表4。根據工程經驗③、④、⑤層為弱透水層，原計劃水文試驗布置2個抽水試驗孔。第1個抽水試驗孔 （SK1）水位埋深4.0 m，預計地下室開挖深度約6.5 m。抽水試驗孔現場試抽水試驗結果，水位降深達16 m。調整降深后，水量小且斷續出水，無法穩定，考慮試驗模型不能進行完整的試驗過程，故將抽水試驗改為注水試驗。本次布置2個注水試驗孔，編號分別為SK2、SK3。

場地地下水類型為潛水，試驗深度范圍土層為弱透水層，故模擬現場采用鉆孔降水頭試驗。

試驗模型為：試驗段位于地下水位以下，孔內下套管或部分下套管，試驗段裸露，孔壁和孔底同時進水。試驗土層頂部為相對不透水層。

試驗孔SK2進行鉆探，對頂部的2.80 m③（坡積）粉質黏土采用φ110 cm口徑套管封隔，套管口適當高出地面20～30 cm，繼續鉆探到30.80 m深度，并對孔壁洗孔清理，靜置待水位穩定后進行注水試驗。由于地層起伏變化，④殘積砂質黏性土層中局部夾⑤全風化二長花崗巖層，且本場地為獲取基坑影響深度范圍內土層綜合滲透系數，④及⑤層滲透性能接近，故試驗條件假定：④殘積砂質黏性土和⑤全風化二長花崗巖是均質的，滲透系數接近，滲流為層流?？妆诩翱椎淄瑫r進水，開始間隔時間為1 min，連續觀測5次，然后間隔為10 min觀測一次，當試驗水頭下降到初始水位附近時停止試驗。SK3試驗孔徑采用φ110cm，對上部的③（坡積）粉質黏土層用套管隔離，其余試驗步驟與SK2相同。

表4 土層埋深分布情況一覽表

根據以上試驗孔SK2、SK3試驗數據，采用鉆孔降水頭試驗計算公式2進行計算，模型選用孔底和孔壁進水，試驗段以上為不透水層，其中L為鉆孔注水試驗段長度（cm）；m=Kh、Kv分別代表土層水平及垂直方向滲透系數，假設土層均質，Kh、Kv滲透系數相同，m=1。

計算時采用不同時段間隔時間循環計算滲透系數，例如采取某時刻為某t1、間隔30 min時間取值t2，分別提取其他參數值計算，采用多個間隔時間計算≥6組數據平均值作為試驗段滲透系數K值。計算結果見表5，降水頭注水試驗（某時刻水頭高度Ht/初始水頭高度H0-時間T）曲線圖如圖3、圖4所示。

根據計算結果，2個試驗孔的滲透系數值分別為 3.78×10-5cm/s、3.09×10-5cm/s，兩組數據接近，土層深度范圍內主要為④殘積砂質黏性土層，⑤全風化二長花崗巖層厚度小。將以上兩層假設為同一層對數據影響較小，假設條件成立。故試驗報告最終取2個孔的滲透系數平均值K=3.44×10-5cm/s屬于弱透水層（10-5≤K＜10-4cm/s），與該項目④層室內滲透試驗滲透系數平均值3.03×10-5cm/s接近，數據可靠。

表5 SK2鉆孔降水頭注水試驗滲透系數計算結果表

圖3 SK2鉆孔降水頭注水試驗（Ht/H0）-T曲線圖

圖4 SK3鉆孔降水頭注水試驗（Ht/H0）-T曲線圖

4 試驗誤差影響分析

通過兩種常用的注水試驗實例分析了巖土層滲透系數測試方法，試驗過程中存在的誤差主要為：

福建地區鉆孔成孔過程中常采用泥漿護壁成孔，成孔過程中泥漿對側壁土層有護壁作用，但同時泥漿會對側壁土層的滲流有阻塞，對實際的滲透系數有影響，故在成孔以后應對孔壁清洗，直至水清無泥流出。

試驗之前對地下水位觀測時間應滿足水位恢復至穩定水位，確保初始的水位數據精確。

試驗之前對試段以上土層滲透性明確，采取套管隔離時要確保隔離到位，防止漏水，試驗過程中并觀察試驗孔周邊是否有漏水情況，防止注水從周圍滲流。

試段位于地下水位以下的兩種模型在計算過程中A值對計算結果影響較大，而計算A值的2個不確定參數Kh、Kv試驗之前未知。在土層水平和垂直方向較均勻時Kh、Kv滲透系數接近，當土質不均勻時可能差異較大。若需對該數據有較準確的把握，可代表性取原狀土樣采用室內滲透試驗分別獲取水平及垂直方向的滲透系數，在注水試驗計算過程中應用。而對于無法取得原狀土樣土層暫時只能根據鉆探土層結構采用預估法或通過抽水試驗等其他方法驗證。

5 結語

注水試驗作為一種簡易的滲透試驗，在工程勘察巖土層滲透試驗中可快速、簡便獲取滲透參數，且試驗方法相對簡單、效率高。

在場地地層富水量較小的情況下，抽水試驗水量較小無法獲取穩定連續的出水量或一抽即干的情況下，可改用現場注水試驗直接獲取土層滲透系數。

地下水位埋藏較淺的情況下，通過接高護壁套管高度，增加水頭差，可解決水頭差較小的特殊情況下進行注水試驗。

注水試驗有其局限性，對巖土層的水平滲透系數Kh和垂直滲透系數Kv比值沒有明確的數據指標，現階段能夠測試Kh、Kv可通過室內滲透試驗，而以上兩參數比值直接影響計算的形狀系數A值所需參數，而要明確該參數具體數值，還需要注水試驗再進行改進。