基于注水試驗(yàn)的土體滲透系數(shù)計(jì)算

田國(guó)林

摘 要：利用鉆孔降水頭注水試驗(yàn)確定土體滲透系數(shù)是工程勘察設(shè)計(jì)的重要手段，為工程的勘察、設(shè)計(jì)與施工等提供了基礎(chǔ)參數(shù)。以無(wú)為大堤水家樓站閘前池工程地質(zhì)勘察為例，采用鉆孔降水頭試驗(yàn)，并分別運(yùn)用公式法和圖解法計(jì)算求取了站閘前池基礎(chǔ)土體的滲透系數(shù)。結(jié)果表明，鉆孔降水頭注水試驗(yàn)具有很好的適應(yīng)性，用公式法和圖解法計(jì)算的土體滲透系數(shù)基本一致，起到了互為驗(yàn)證的效果，取兩者的平均值可提高其計(jì)算精度。

關(guān)鍵詞：注水試驗(yàn)；土體滲透系數(shù)；公式法；圖解法

中圖分類號(hào)：TV221.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.015

在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察等工程實(shí)踐中，土體滲透系數(shù)的確定是滲流分析、基坑降水、抗浮設(shè)計(jì)等工作的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地求取土體滲透系數(shù)關(guān)系到工程設(shè)計(jì)等的準(zhǔn)確性，因此，選用適用的計(jì)算方法求取土體滲透系數(shù)顯得尤為重要。在水利水電工程實(shí)踐中，滲流分析、基坑降水及抗浮設(shè)計(jì)等是比較常見(jiàn)的，比如壩基滲流分析、繞壩滲流分析、基坑降水設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)等。與之相關(guān)的土體滲透系數(shù)的求取計(jì)算主要采用注水試驗(yàn)法。注水試驗(yàn)具有操作簡(jiǎn)單、速度較快、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

1 研究方法

1.1 滲透系數(shù)計(jì)算方法

土體滲透系數(shù)是水利水電工程地質(zhì)勘察中重要的水文地質(zhì)參數(shù)，是確定地下水滲流場(chǎng)的重要計(jì)算依據(jù)，對(duì)水利水電工程的設(shè)計(jì)、施工等具有重要意義。滲透系數(shù)的測(cè)定方法分為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法和野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法。在水利水電工程實(shí)踐中，土體滲透系數(shù)的測(cè)定主要采用野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法。野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法主要包括鉆孔抽水試驗(yàn)和鉆孔注水試驗(yàn)。鉆孔抽水試驗(yàn)一般適用于孔深和孔徑均較大的鉆孔，而鉆孔注水試驗(yàn)則適用于孔深和口徑均較小的鉆孔。鉆孔注水試驗(yàn)又分為鉆孔常水頭注水試驗(yàn)和鉆孔降水頭注水試驗(yàn)。

1.2 鉆孔降水頭注水試驗(yàn)

鉆孔降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下滲透系數(shù)比較小的黏性土層，比如粉質(zhì)黏土、黏土等，且鉆孔孔深較淺、孔徑較小。試驗(yàn)過(guò)程中用水量較少，操作簡(jiǎn)單，且速度較快，適應(yīng)性強(qiáng)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 基本概況

安徽省無(wú)為大堤位于長(zhǎng)江下游左岸，上起無(wú)為縣果合興，下迄和縣方莊，全長(zhǎng)124.215 km。大堤水家樓站閘坐落于無(wú)為縣湯溝鎮(zhèn)水樓村，為濕室型立式泵站，設(shè)計(jì)外江水位12.72 m，內(nèi)河水位4.58 m。無(wú)為縣屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫15～16 ℃，年平均降雨量1 200 mm；無(wú)為縣屬巢湖流域，流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，共有七大水系注入巢湖，最終經(jīng)裕溪河匯入長(zhǎng)江；縣域地貌可分為沖洪積平原區(qū)和低山丘陵區(qū)，平原區(qū)以縣境東部圩區(qū)為主，再沿西河延伸至縣境西部，長(zhǎng)江沿岸灘地和江心諸洲組成洲地，地勢(shì)平坦，海拔9～10 m，低山丘陵自北部縣界延伸至西南，崗巒起伏，海拔大多在40～200 m。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

2.2.1 水文地質(zhì)條件

水家樓站閘位于長(zhǎng)江沖洪積平原區(qū)，區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育第四系松散堆積物。堆積物主要為黏性土及砂，覆蓋于白堊系（K）基巖之上。站閘處地層30 m深度范圍內(nèi)自上而下依次為素填土層、黏土層（夾薄層粉土）、粉質(zhì)黏土層（夾薄層粉土）、粉細(xì)砂層。地下水主要類型為第四系松散巖類孔隙潛水，主要接受降水入滲補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式主要為側(cè)向徑流。

2.2.2 降水頭注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)地層情況，在站閘前池一側(cè)按一定間距布置2個(gè)鉆孔ZK1、ZK2，通過(guò)止水處理，使2個(gè)鉆孔分別在黏土層、粉質(zhì)黏土層段出水。其中，鉆孔ZK1、ZK2的初始試驗(yàn)水頭（H0）分別為163.5 cm、170 cm，試驗(yàn)段長(zhǎng)度（l）分別為350 cm、300 cm，套管內(nèi)徑均為7 cm。按照試驗(yàn)要求對(duì)2個(gè)鉆孔分別進(jìn)行降水頭注水實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1、表2.

2.2.3 參數(shù)計(jì)算分析

2.2.3.1 公式法

公式法的基本原理為基于水力學(xué)理論的達(dá)西（Darcy）定律，通過(guò)對(duì)達(dá)西公式進(jìn)行微分與積分變換，得出相應(yīng)的滲透系數(shù)計(jì)算公式。滲透系數(shù)的計(jì)算式為：

式（1）中：K為試驗(yàn)段含水層滲透系數(shù)，cm/s；r為套管內(nèi)半徑，cm；H1，H2為在試驗(yàn)時(shí)間t1，t2時(shí)刻的試驗(yàn)水頭，cm；t1，t2為注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的試驗(yàn)時(shí)間，min；A為形狀系數(shù)，cm。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)，形狀系數(shù)A按下式計(jì)算：

式（2）中：Kh，Kv為試驗(yàn)土層水平、垂直滲透系數(shù)，cm/s；l為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，cm。

按照公式所需數(shù)據(jù)及要求，鉆孔ZK1、ZK2的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.2.3.2 圖解法

圖解法是根據(jù)試驗(yàn)時(shí)記錄的孔內(nèi)水頭（Ht）及持續(xù)時(shí)間（t）繪制ln（Ht/H0）—t關(guān)系曲線，如圖1、圖2所示，在曲線上點(diǎn)出注水試驗(yàn)的特征時(shí)間T0，將所得T0值代入以下公式進(jìn)行求解：

式（3）中：T0為注水試驗(yàn)的特征時(shí)間，min，指孔內(nèi)水頭（Ht）與初始試驗(yàn)水頭（H0）的比值Ht/H0=0.37時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值。

通過(guò)圖解法得出鉆孔ZK1、ZK2的注水試驗(yàn)特征時(shí)間分別為4.82 min、1.15 min，將其代入上述公式中得出土體滲透系數(shù)值如表4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

鉆孔降水頭注水試驗(yàn)是水利水電工程地質(zhì)勘察中確定土體滲透系數(shù)的重要手段，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)過(guò)程中需水量少，操作簡(jiǎn)單，便于試驗(yàn)，且試驗(yàn)速度較快，適應(yīng)性強(qiáng)，可提高勘察效率。

鉆孔降水頭注水試驗(yàn)主要適用于地下水位以下滲透系數(shù)較小的黏性土層，不適合地下水位以上的土體，滲透系數(shù)較大的粉土、砂土等土體不適用。

鉆孔降水頭試驗(yàn)計(jì)算方法有2種，分為公式法和圖解法。這2種方法各有自身優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際計(jì)算中，可分別采用2種法計(jì)算土體滲透系數(shù)，互為驗(yàn)證，也可取兩者的平均值作為土體滲透系數(shù)，提高土體滲透系數(shù)的計(jì)算精度。

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〔編輯：劉曉芳〕