地下水位以上淺孔注水試驗研究

錢財富 宋新江 吳 杰（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

科技論壇

地下水位以上淺孔注水試驗研究

錢財富 宋新江 吳 杰
（安徽省·水利部淮委水利科學研究院 蚌埠 233000）

室內滲透系數試驗受樣本被擾動、卸荷、儀器及試驗人員自身能力等因素影響，所得結果具有一定的誤差；現行規范鉆孔抽（注）水試驗僅適用于地下水以下情況。針對上述情況，提出一種簡易的現場試驗方法測試地下水位以上均質土層滲透系數，基于達西定律給出地下水位以上均質土層的滲透系數計算公式。并根據現場鉆孔深度、鉆孔半徑和注水試驗水頭等邊界條件，采用有限元分析計算成果繪制滲流流線求出出滲半徑，得到淺孔注水試驗滲透系數的解。結合工程實例，淺孔注水試驗與納斯別爾格圖解法計算結果基本相同，測試結果滿足土層滲透系數測試精度要求。

鉆孔注水 線流 均質土層 滲透系數 入滲邊界

1 引言

土的滲透系數是堤防和土壩工程特性重要指標之一，準確測定土的滲透系數對堤壩工程設計和安全評價有著十分重要的意義。水通過土顆粒之間的孔隙流動，土體可被水透過的性質稱為土的滲透性，滲透系數是描述土體這一特性的主要參數。測定滲透系數的方法主要有室內試驗和現場試驗兩種方式。室內試驗包括滲透試驗和電模擬試驗，滲透試驗分為常水頭和變水頭試驗；現場試驗是以地下水動力學的解析法為依據，主要包括鉆孔注水、抽水試驗。室內滲透試驗受試樣被擾動、卸荷、儀器及試驗人員自身能力等因素影響，所得結果具有一定的誤差?，F場測試（如現場抽水試驗、注水試驗等）得到的滲透系數最接近實際?，F行規范鉆孔抽（注）水試驗只適用于地下水以下情況；單環法注水試驗和雙環法注水試驗，受毛管吸力和土體飽和情況的影響，測試結果存在一定偏差。本文提出一種簡易的淺孔注水試驗方法和計算式，測定均質堤壩工程地下水位以上土體的滲透系數。

2 淺孔注水試驗方法

采用小型鉆孔機械，在試驗土層鉆一圓形試驗孔，緊貼孔壁下套管（套管需留梅花型布置的孔洞，外套強透水性土工織物）保護孔壁，鉆孔深度約0.5～l.0m左右。成孔后，孔內注水使試驗范圍內土層充分飽和，一般為24h。試驗時測試水的溫度，保持孔內水位為一常數，記錄一定時間后的滲流量，每5～60min測記一次，每次測記流量與平均流量之差不應超過10%。根據試驗結果計算土層滲透系數。

3 淺孔注水試驗理論分析及計算

假設鉆孔注水試驗段土層均勻，試驗段土層充分飽和，水平和垂直滲透系數大小相等，且滲透系數大小不隨深度變化，水在土體孔隙中滲透時符合達西定律。

q=kiA （1）

式中：q為滲流量，cm3/s；k為滲透系數，cm/s;i為水力坡；A為截面面積。

根據達西定律，地下水位以上飽和均質土層滲流按一匯線流簡化，如圖1所示。

由圖1可知，其滲流的入滲邊界為abcd，根據流量守恒定律，選取任一水平滲出邊界ef的滲出流量與入滲流量相等，出滲流量為：

由于水頭在滲流過程中的沿程損失存在，當邊界ef面足夠遠時，i垂直徑向不再發生變化，且等于1。那么（2）式為：

q=kA （3）

式中：A為ef面出滲面積，A=πR2。

根據能量守恒，由于試驗段土層充分飽和，所以從入滲面abcd滲入水量和出滲面ef滲出水量應該相等。那么由（1）和（3）式得：

由公式可知，知道了出滲面ef的半徑R和注水試驗測定的流量q0，就可以求出滲透系數。

對于不可壓縮液體軸對稱滲流存在流函數ψ，速度分量以流函數ψ表示如下：

z是旋轉軸，r是極半徑向量。

圖1 滲流過程示意圖

圖2 浸潤線成果圖

根據以上滲流流線性質和現場鉆孔試驗參數（孔深、孔徑和試驗水頭）等邊界條件，利用有限單元法繪制滲流流線，求出淺孔注水試驗出滲面半徑R，代入（4）計算土層滲透系數。本文鉆孔滲流流線采用有限元分析軟件AutoBANK進行繪制。

4 應用舉例

4.1 試驗位置

選擇某新建堤防工程，堤防填土為均質填土，選取其中3段，樁號分別為1+000、1+500和2+000。試驗段堤防填筑高度為10.0m，頂寬為20.0m；現場在不同試驗樁號位置取樣，進行室內常規試驗，土樣常規試驗結果見表1。

4.2 滲流流線繪制及滲透系數求解

現場試驗鉆孔深度均為50cm，鉆孔半徑為5cm，試驗時孔內水位位于孔口，鉆孔位于堤防中心位置。根據滲流理論孔內滲流為軸對稱滲流，中軸線位置的流線垂直向下，流線從ef面流出時與該面相垂直。此次滲流流線繪制采用有限元分析軟件AutoBANK進行繪制，滲流的水平和垂直范圍選取20倍鉆孔深度，采用三角形單元進行剖分，共劃分5717個單元。

由于流線與滲透系數大小無關，有限元參數選取時假定均質土層滲透系數為1.0×10-6cm/s，結合試驗時水位條件，繪制浸潤線如圖2所示。

由圖2可知，浸潤線位于約4倍鉆孔深度處土層逐漸趨于豎直，通過量測滲出面ef位于中軸線兩側浸潤線距離為0.88m。即R=0.44m。代入（4）滲透系數可按下式計算：

k=1.645q0

4.3 試驗成果分析

該試驗段堤防工程土質為重粉質壤土，土層均勻?，F場采用淺孔注水試驗方法測試的不同堤段堤防填筑土層滲透系數。同時，根據已知文獻，對鉆孔滲透系數求解方法結果進行比較，試驗結果列入表2中。

由表可知，本文提供的計算方法計算結果與納斯別爾格圖解法計算結果基本相同，平行差滿足室內滲透試驗平行試樣對測試結果的要求。

5 結論

（1）淺孔注水試驗方法和計算方法較簡單,所需設備較少、成本低，現場可操作性強。

（2）本文提出了淺孔注水試驗方法與計算公式，其測試結果與納斯別爾格圖解法基本相同，滿足土層滲透系數測試精度要求。

（3）本文采用理論分析和有限元分析相結合的方式計算土層滲透系數，為研究滲流問題提供了一種新的思路

表1 土樣常規試驗成果表

表2 試驗滲透系數成果表