錢財(cái)富 宋新江 吳 杰(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000)
科技論壇
地下水位以上淺孔注水試驗(yàn)研究
錢財(cái)富 宋新江 吳 杰
(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000)
室內(nèi)滲透系數(shù)試驗(yàn)受樣本被擾動、卸荷、儀器及試驗(yàn)人員自身能力等因素影響,所得結(jié)果具有一定的誤差;現(xiàn)行規(guī)范鉆孔抽(注)水試驗(yàn)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(xiàn)場試驗(yàn)方法測試地下水位以上均質(zhì)土層滲透系數(shù),基于達(dá)西定律給出地下水位以上均質(zhì)土層的滲透系數(shù)計(jì)算公式。并根據(jù)現(xiàn)場鉆孔深度、鉆孔半徑和注水試驗(yàn)水頭等邊界條件,采用有限元分析計(jì)算成果繪制滲流流線求出出滲半徑,得到淺孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)的解。結(jié)合工程實(shí)例,淺孔注水試驗(yàn)與納斯別爾格圖解法計(jì)算結(jié)果基本相同,測試結(jié)果滿足土層滲透系數(shù)測試精度要求。
鉆孔注水 線流 均質(zhì)土層 滲透系數(shù) 入滲邊界
土的滲透系數(shù)是堤防和土壩工程特性重要指標(biāo)之一,準(zhǔn)確測定土的滲透系數(shù)對堤壩工程設(shè)計(jì)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(zhì)稱為土的滲透性,滲透系數(shù)是描述土體這一特性的主要參數(shù)。測定滲透系數(shù)的方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)兩種方式。室內(nèi)試驗(yàn)包括滲透試驗(yàn)和電模擬試驗(yàn),滲透試驗(yàn)分為常水頭和變水頭試驗(yàn);現(xiàn)場試驗(yàn)是以地下水動力學(xué)的解析法為依據(jù),主要包括鉆孔注水、抽水試驗(yàn)。室內(nèi)滲透試驗(yàn)受試樣被擾動、卸荷、儀器及試驗(yàn)人員自身能力等因素影響,所得結(jié)果具有一定的誤差?,F(xiàn)場測試(如現(xiàn)場抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)等)得到的滲透系數(shù)最接近實(shí)際?,F(xiàn)行規(guī)范鉆孔抽(注)水試驗(yàn)只適用于地下水以下情況;單環(huán)法注水試驗(yàn)和雙環(huán)法注水試驗(yàn),受毛管吸力和土體飽和情況的影響,測試結(jié)果存在一定偏差。本文提出一種簡易的淺孔注水試驗(yàn)方法和計(jì)算式,測定均質(zhì)堤壩工程地下水位以上土體的滲透系數(shù)。
采用小型鉆孔機(jī)械,在試驗(yàn)土層鉆一圓形試驗(yàn)孔,緊貼孔壁下套管(套管需留梅花型布置的孔洞,外套強(qiáng)透水性土工織物)保護(hù)孔壁,鉆孔深度約0.5~l.0m左右。成孔后,孔內(nèi)注水使試驗(yàn)范圍內(nèi)土層充分飽和,一般為24h。試驗(yàn)時測試水的溫度,保持孔內(nèi)水位為一常數(shù),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(yīng)超過10%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算土層滲透系數(shù)。
假設(shè)鉆孔注水試驗(yàn)段土層均勻,試驗(yàn)段土層充分飽和,水平和垂直滲透系數(shù)大小相等,且滲透系數(shù)大小不隨深度變化,水在土體孔隙中滲透時符合達(dá)西定律。
q=kiA (1)
式中:q為滲流量,cm3/s;k為滲透系數(shù),cm/s;i為水力坡;A為截面面積。
根據(jù)達(dá)西定律,地下水位以上飽和均質(zhì)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(jù)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(dāng)邊界ef面足夠遠(yuǎn)時,i垂直徑向不再發(fā)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(jù)能量守恒,由于試驗(yàn)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(yīng)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(yàn)測定的流量q0,就可以求出滲透系數(shù)。
對于不可壓縮液體軸對稱滲流存在流函數(shù)ψ,速度分量以流函數(shù)ψ表示如下:
z是旋轉(zhuǎn)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(jù)以上滲流流線性質(zhì)和現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)參數(shù)(孔深、孔徑和試驗(yàn)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(yàn)出滲面半徑R,代入(4)計(jì)算土層滲透系數(shù)。本文鉆孔滲流流線采用有限元分析軟件AutoBANK進(jìn)行繪制。
4.1 試驗(yàn)位置
選擇某新建堤防工程,堤防填土為均質(zhì)填土,選取其中3段,樁號分別為1+000、1+500和2+000。試驗(yàn)段堤防填筑高度為10.0m,頂寬為20.0m;現(xiàn)場在不同試驗(yàn)樁號位置取樣,進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn),土樣常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果見表1。
4.2 滲流流線繪制及滲透系數(shù)求解
現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔深度均為50cm,鉆孔半徑為5cm,試驗(yàn)時孔內(nèi)水位位于孔口,鉆孔位于堤防中心位置。根據(jù)滲流理論孔內(nèi)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(jìn)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(jìn)行剖分,共劃分5717個單元。
由于流線與滲透系數(shù)大小無關(guān),有限元參數(shù)選取時假定均質(zhì)土層滲透系數(shù)為1.0×10-6cm/s,結(jié)合試驗(yàn)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(cè)浸潤線距離為0.88m。即R=0.44m。代入(4)滲透系數(shù)可按下式計(jì)算:
k=1.645q0
4.3 試驗(yàn)成果分析
該試驗(yàn)段堤防工程土質(zhì)為重粉質(zhì)壤土,土層均勻。現(xiàn)場采用淺孔注水試驗(yàn)方法測試的不同堤段堤防填筑土層滲透系數(shù)。同時,根據(jù)已知文獻(xiàn),對鉆孔滲透系數(shù)求解方法結(jié)果進(jìn)行比較,試驗(yàn)結(jié)果列入表2中。
由表可知,本文提供的計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果與納斯別爾格圖解法計(jì)算結(jié)果基本相同,平行差滿足室內(nèi)滲透試驗(yàn)平行試樣對測試結(jié)果的要求。
(1)淺孔注水試驗(yàn)方法和計(jì)算方法較簡單,所需設(shè)備較少、成本低,現(xiàn)場可操作性強(qiáng)。
(2)本文提出了淺孔注水試驗(yàn)方法與計(jì)算公式,其測試結(jié)果與納斯別爾格圖解法基本相同,滿足土層滲透系數(shù)測試精度要求。
(3)本文采用理論分析和有限元分析相結(jié)合的方式計(jì)算土層滲透系數(shù),為研究滲流問題提供了一種新的思路
表1 土樣常規(guī)試驗(yàn)成果表
表2 試驗(yàn)滲透系數(shù)成果表