不同類型滲透儀下滲透性能對比分析及性能測試研究

高 陽

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽 110003)

滲透系數(shù)是河道堤防、水利工程防滲設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，也是區(qū)域地下水分析的重要指標(biāo)[1]。滲透系數(shù)受到土層質(zhì)地和材料的影響，變化十分明顯，很難采用數(shù)學(xué)、物理模型進(jìn)行推求[2]。采用滲透儀進(jìn)行滲透系數(shù)測定是常用的方法，可以對土層滲透系數(shù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測定。用于滲透系數(shù)測定的滲透儀種類較多，功能也不同，很難采用單一滲透儀進(jìn)行區(qū)域滲透系數(shù)的測定，需要結(jié)合區(qū)域土層地質(zhì)概況，綜合選取滲透儀進(jìn)行滲透系數(shù)的測定[3]。當(dāng)前，國內(nèi)外針對滲透系數(shù)分析的研究成果較多[4- 14]，但是對于其如何準(zhǔn)確測定的研究還較少。為提高遼寧地區(qū)滲透系數(shù)測定的精準(zhǔn)性，本文通過對比當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的兩種滲透儀，通過透水試驗(yàn)方式，觀測不同滲透儀下的透水性能。

1 滲透儀測定主要原理

垂直型滲透儀在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟，其主要原理可詳見文獻(xiàn)[15]，本文僅對變水頭滲透儀進(jìn)行簡要介紹。變水頭滲透儀主要通過設(shè)置密閉的側(cè)壁進(jìn)行水汽壓縮，并進(jìn)行包裹，壓縮的水汽通過液壓控制裝置進(jìn)入到試驗(yàn)裝置的底座區(qū)域，滲透的水流通過過濾石進(jìn)行滲透過濾后進(jìn)入到試驗(yàn)收集裝置內(nèi)完成整個(gè)滲透試驗(yàn)。結(jié)合土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，基于試驗(yàn)測定的滲透水體的容積，進(jìn)行滲透系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算方程為：

(1)

(2)

變水頭滲透儀主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)變水頭滲透儀由于可以進(jìn)行橡膠密封壓縮，解決了水利工程防滲處理時(shí)蠟封的難題，可有效降低側(cè)壁的滲透水量，提高滲透性能測試的精度和效率。

(2)結(jié)合氣水隔離措施增加滲透氣壓，有效解決了灌漿固結(jié)材料滲透系數(shù)的快速測定難題，而且有效解決了氣體滲入導(dǎo)致的滲透性能測試精度低的問題。

(3)滲透水流高差可以在50～180mm之間進(jìn)行調(diào)控，滲透管徑的范圍也可進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并可結(jié)合工程實(shí)際的工況條件進(jìn)行滲透模擬試驗(yàn)。

(4)自動(dòng)化的滲透性能測試數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可有效降低人為數(shù)據(jù)讀取的誤差，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線測試。

2 試驗(yàn)方案

結(jié)合透水試驗(yàn)方式對比分析不同類型滲透性的滲透性能，變水頭滲透儀選用三種管徑的滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)測定，試驗(yàn)儀器如圖1所示。為提高試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用三種土樣進(jìn)行測定，此外充分考慮管徑對滲透性能的影響，分別選用5.0、6.5、8cm三種管徑進(jìn)行滲透系數(shù)的測定。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水泥硬土滲透性能對比測定結(jié)果

水泥硬土是水庫、河道堤防建設(shè)的主要材料，為綜合對比兩種滲透儀在水泥硬土的測定性能，選用10種不同材料的水泥硬土進(jìn)行透水試驗(yàn)分析，試驗(yàn)分析結(jié)果見表1。

從測試對比分析結(jié)果可看出，水泥硬土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及滲透水頭對滲透系數(shù)影響較為顯著，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水頭的增加，滲透系數(shù)測定的誤差逐步加大。在10種土樣中，變水頭滲透儀滲透系數(shù)測定值均小于垂直型滲透儀，這主要是變水頭滲透儀可有效調(diào)整滲透水流的壓力差，使得其水流的滲透性能更符合實(shí)際情況，從而提高滲透系數(shù)的測定性能。從對比誤差可看出，兩種滲透儀滲透系數(shù)絕對誤差均在0.24×10-6cm/s之內(nèi)，基本可滿足相關(guān)規(guī)范要求。垂直型滲透儀在水泥硬土的測試效果不如變水頭的滲透儀，變水頭滲透儀適合于滲透系數(shù)低于1.38×10-6cm/s的水泥硬土的滲透系數(shù)測定。

3.2 普通土樣的滲透對比測試

分別選取10種類型普通土樣，進(jìn)行不同滲透儀的滲透性能對比測試，對比測試結(jié)果見表2。

從測試分析結(jié)果可看出，相比于水泥硬土，普通土樣下滲透系數(shù)受養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響程度更大，但水頭對其滲透性能影響較弱。變水頭滲透儀由于可以對其底部進(jìn)行塑膠密封處理，有效解決水利工程底部防滲處理難題，通過對其滲透側(cè)壁水量的有效控制，提高水流的滲透性能，相比于垂直型滲透儀，其滲透性能有所提高。

3.3 不同滲透水壓及水頭下滲透性能測試結(jié)果

滲透水壓和水頭是滲透性能影響的關(guān)鍵參數(shù)，為此本文結(jié)合透水試驗(yàn)，分析不同滲透水壓以及滲透水頭下的各土樣的滲透性能，測定結(jié)果見表3—4。

表1 水泥硬土滲透系數(shù)對比測試結(jié)果

表2 普通土樣滲透系數(shù)對比測試結(jié)果

表3 滲透水壓對各土樣滲透性能測定的結(jié)果分析

表4 滲透水頭對各土樣滲透性能測定的結(jié)果分析

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，在水頭相同的前提下，當(dāng)滲透水壓遞增后，各試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)也呈現(xiàn)較為明顯的遞增變化，滲透水壓和滲透系數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)性，當(dāng)滲透水壓遞增時(shí)，滲透進(jìn)下一土層的滲透水量增多，使得其滲透系數(shù)增加。從表3中還可看出，在滲透水壓變化后，其測定的滲透系數(shù)的總體誤差變化不大，可見滲透水壓對滲透系數(shù)的測定誤差影響程度較低。從表4中可看出，在同一種滲透水壓下，隨著水頭高度的變化，各高度下土樣測定的滲透系數(shù)總體變化不大，是因?yàn)闈B透系數(shù)主要和土層的質(zhì)地相關(guān)，因此其受水頭高度影響程度較小，但從其滲透系數(shù)測定的絕對誤差來看，隨著水頭高度的遞增，其誤差逐步減小，水頭高度增加，提升了其滲透系數(shù)的測定精度。

3.4 滲透管徑對滲透系數(shù)影響的測定分析結(jié)果

試驗(yàn)測定了三種滲透管徑下的滲透系數(shù)，分析不同管徑對各土樣滲透系數(shù)的影響，試驗(yàn)分析結(jié)果見表5—6及圖2。

表5 垂直型滲透儀下不同管徑對滲透性能的影響試驗(yàn)分析結(jié)果

表6 變水頭滲透儀下不同管徑對滲透性能的影響試驗(yàn)分析結(jié)果

從試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，當(dāng)各類型滲透儀直徑加大后，在相同水壓條件下，各直徑下的滲透系數(shù)逐步遞增，滲透管徑有效增加其滲透系數(shù)。相比于垂直型滲透儀，變水頭滲透儀下滲透直徑對滲透系數(shù)的影響更為顯著，垂直型滲透儀由于管徑相對固定，因此其管徑對滲透系數(shù)影響程度較低。而變水頭的滲透儀由于可以調(diào)整其滲透管徑的大小，使得其管徑對不同滲透水壓的滲透系數(shù)影響程度較大。從各類型滲透儀下的不同管徑的滲透系數(shù)～滲透水壓的變化關(guān)系可看出，垂直型滲透儀隨著管徑的增加，滲透系數(shù)～滲透水壓的相關(guān)度逐步增加，而變水頭滲透儀隨著管徑的遞增，滲透系數(shù)～滲透水壓的相關(guān)度有所減弱。這主要是因?yàn)榇怪毙蜐B透儀管徑對滲透系數(shù)～滲透水壓相關(guān)性影響程度較低，而變水頭滲透儀對其相關(guān)性影響程度較高，因此其增加管徑后，滲透系數(shù)～滲透水壓的相關(guān)度逐步降低。

3.5 不同滲透儀滲透性能對比測定結(jié)果

對兩種滲透儀下各滲透水壓的滲透性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表7—8。

從表7—8可以看出，不同水壓下變水頭滲透儀的滲透性能總體好于垂直型滲透儀。兩種滲透儀各水壓下的滲透性能效率值變化較為接近，均隨著水壓的增加，其滲透性能逐步增加，滲透時(shí)間趨于遞減變化。變水頭滲透儀總體性能好于垂直型滲透儀的關(guān)鍵，在于其滲透水流的高差可以進(jìn)行有效調(diào)控，調(diào)控的范圍在45～175mm之間，也可對其滲透儀進(jìn)行管徑的調(diào)控，從而提高其滲透性能。

表7 垂直型滲透儀的滲透性能測試結(jié)果

表8 變水頭滲透儀的滲透性能測試結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)在進(jìn)行滲透系數(shù)的測定時(shí)，應(yīng)盡量控制水頭高度在6～9cm之間，滲透水壓控制在90～110kPa之間，可確保滲透系數(shù)誤差低于1.0×10-6cm/s，滿足滲透系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)在進(jìn)行滲透性能測定的過程中，應(yīng)將滲透管徑控制在5.0～6.5cm之間，這樣可使得滲透系數(shù)～滲透水壓之間的相關(guān)性趨于穩(wěn)定。

(3)變水頭滲透儀由于可調(diào)節(jié)滲流高差和滲透管徑，相比于垂直型滲透儀，滲透性能可提升20%，推薦在工程實(shí)踐中使用。

(4)本文尚未探討土層質(zhì)地對滲透系數(shù)的影響，在以后的研究中還應(yīng)重點(diǎn)分析土層質(zhì)地變化對滲透系數(shù)的綜合影響。