雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防檢測(cè)中的應(yīng)用

黃紅儒，孫志華

(江西省九江水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西九江 332000)

雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防檢測(cè)中的應(yīng)用

黃紅儒?，孫志華

(江西省九江水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西九江 332000)

通過雙環(huán)注水試驗(yàn)、常水頭鉆孔注水試驗(yàn)及室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)方法對(duì)同一土層的滲透系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，最后指出了雙環(huán)注水試驗(yàn)的特點(diǎn)及適用范圍。

滲透系數(shù)；原位試驗(yàn)；常水頭鉆孔注水；雙環(huán)注水

1 前 言

水利水電工程的發(fā)展，對(duì)巖土試驗(yàn)精度要求越來越高。巖土的滲透性是一個(gè)古老而又備受關(guān)注的課題，同時(shí)又是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜、綜合性很強(qiáng)的技術(shù)難題，特別是確定填土滲透系數(shù)。由于填土的滲透性很難把握，往往不同的試驗(yàn)手段得出的結(jié)果大相徑庭。究其原因除測(cè)試設(shè)計(jì)不夠完善外，主要是土體各向異性造成的。本測(cè)試嚴(yán)格按試驗(yàn)設(shè)計(jì)和規(guī)范規(guī)定的要求進(jìn)行操作，在注水試驗(yàn)操作的處理上，取得不少好的經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)該測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析討論，為相似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 工程概況及場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文條件

九江市某城市防洪堤除險(xiǎn)加固工程位于賽城湖與長(zhǎng)江之間的沖湖積平原，粘性土填筑，堤防長(zhǎng)11.75 km。

工程區(qū)為長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，地面高程一般12 m～16 m，地勢(shì)低平，由東南向北西緩傾。區(qū)內(nèi)廣泛沉積了第四系松散堆積層，屬典型河流堆積地貌，具明顯的二元結(jié)構(gòu)。

區(qū)內(nèi)河流湖泊交織，屬?zèng)_積平原地貌，地勢(shì)低洼，地表水系發(fā)育；地下水埋藏淺，主要為第四系松散堆積層孔隙潛水，局部尚分布有上層滯水。潛水在汛期往往具承壓性質(zhì)；基底的砂礫巖，相對(duì)不透水，為隔水底板。

地下水與地表水水力聯(lián)系密切，主要接受內(nèi)湖及長(zhǎng)江等地表水體的入滲補(bǔ)給，涇流與地表水基本一致，枯水季節(jié)通過向下游滲流和蒸發(fā)的方式排泄。地下水位、水量、水質(zhì)變化受內(nèi)湖及長(zhǎng)江控制，但由于其主體埋藏于長(zhǎng)江和賽城湖枯水位以下，常年能維持相對(duì)穩(wěn)定水平，其動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化不甚明顯，水位埋深一般在5.0 m～7.0 m不等。

據(jù)已有鉆探資料揭露，堤頂高程為 21.0 m～ 22.0 m，堤身填土巖性為黃褐色、灰黃色，粉質(zhì)壤土，含水量中等，局部粉粒集中。層厚5.5 m～8.3 m。

2.2 測(cè)試手段

為了更確切查明堤身的滲透性，本次測(cè)試手段采用雙環(huán)注水試驗(yàn)與常水頭鉆孔注水試驗(yàn)、原狀土樣室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)相對(duì)比。測(cè)試操作設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)在選定的試驗(yàn)位置，挖一個(gè)圓形或方形試坑至預(yù)定深度(0.5 m～1.0m)；

(2)安裝測(cè)試器具；

(3)試驗(yàn)前在距試坑水平距離3 m～5 m處鉆一個(gè)比坑底深3 m～5 m的鉆孔，并每間隔20cm取擾動(dòng)樣測(cè)定其土體含水量；

(4)在內(nèi)環(huán)的鉆孔中進(jìn)行常水頭鉆孔注水試驗(yàn)，滲水流量觀測(cè)；

(5)試驗(yàn)結(jié)束后，立即排出環(huán)內(nèi)積水，在試坑中心打一個(gè)同樣深度的鉆孔，每間隔 20 cm取擾動(dòng)樣測(cè)定其土體含水量，與之前相鄰鉆孔試驗(yàn)資料對(duì)比，以確定注水試驗(yàn)的滲入深度；

(6)封孔。

測(cè)試主要分三種方法進(jìn)行:在野外進(jìn)行常水頭鉆孔注水試驗(yàn)、雙環(huán)注水試驗(yàn)及室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)。通過雙環(huán)注水試驗(yàn)結(jié)果與其他兩種試驗(yàn)的結(jié)果比較，檢驗(yàn)雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防中的適用性。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

本次測(cè)試沿堤共布置22個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1(各試驗(yàn)值比較表)。為了更能說明雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防中的應(yīng)用，我們必須分選出有價(jià)值的試驗(yàn)結(jié)果。以下我們通過比較條件假設(shè)、確定選值原則，以此來篩選試驗(yàn)比較值。

3.1 試驗(yàn)條件假設(shè)

結(jié)合堤防填筑的時(shí)間、填筑歷史、填筑材料及試驗(yàn)手段，我們對(duì)試驗(yàn)條件作以下假設(shè):

(1)假設(shè)堤防土類的性狀差別不大，堤防為較均質(zhì)土堤；

(2)假設(shè)巖土體各向同性，也就是巖土體水平滲透性與垂直滲透性相近；

(3)假設(shè)試驗(yàn)點(diǎn)巖土體性狀一致，也就是不同的試驗(yàn)對(duì)象是相同的，這是可以進(jìn)行比較的前提。

3.2 選值原則

為了便于通過對(duì)比分析，準(zhǔn)確說明雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防檢測(cè)中的應(yīng)用，我們首先對(duì)所有試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分選，分選原則如下:

(1)首先，要剔除試驗(yàn)中的偏差較大的值。把兩種試驗(yàn)方法得出的結(jié)果進(jìn)行比較，相差一個(gè)量級(jí)的試驗(yàn)點(diǎn)剔除。則剔除差比ε〉10的試驗(yàn)點(diǎn)。

根據(jù)CH/T 9008.3—2010《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1∶500、1∶1 000、1∶2 000數(shù)字正射影像圖》的規(guī)定，山地高山地?cái)?shù)字正射影像圖平面精度為0.8 mm(圖上)，即實(shí)地精度要求為1.6 m。通過各個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)方案的精度統(tǒng)計(jì)情況可以看出，像控點(diǎn)布設(shè)最密集的方案二精度統(tǒng)計(jì)情況最好，沒有坐標(biāo)差超限的檢查點(diǎn)。方案四的精度統(tǒng)計(jì)情況最差，且有一個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)差超限。按各個(gè)像控點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行測(cè)量和生產(chǎn)數(shù)字正射影像圖，其成果均能保證精度要求。

表1中有效值1為本次篩選后得出的結(jié)果。

(2)其次，為了分析結(jié)果的偏差。因?yàn)槌Ｋ^鉆孔注水試驗(yàn)在工程檢測(cè)中應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，本次比較我們不妨假設(shè)常水頭鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)反映土層的滲透性，是可靠值。然后用雙環(huán)注水試驗(yàn)結(jié)果來跟常水頭鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果作比較。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大小、量級(jí)及類型，假設(shè)如果差值小于1，我們就可認(rèn)為兩個(gè)比較數(shù)據(jù)具有一致性。表2中有效值2為在第一次篩選后再次篩選得出的結(jié)果。

各試驗(yàn)成果表 表1

各試驗(yàn)成果比較表 表2

4 不同的試驗(yàn)方法所得出的結(jié)果比較

從表1我們不難看出:室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)值較室外偏小。究其原因，是由于室內(nèi)滲透試驗(yàn)中，原狀樣采取的是結(jié)合較好的土塊，松散的采取不了；室內(nèi)切樣時(shí)實(shí)驗(yàn)人員的操作，容易抹平土樣中的縫隙，因此，所采取的土樣不能完全代表堤壩土體滲透的真實(shí)性狀，室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)結(jié)果往往小于野外試驗(yàn)值，代表性差。所以本文只進(jìn)行雙環(huán)注水試驗(yàn)成果與常水頭鉆孔注水試驗(yàn)成果的比較。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果的分析

表2為雙環(huán)注水成果與常水頭鉆孔注水試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果。從表2中，兩種原位測(cè)試的差比ε和差值比s我們不難看出試驗(yàn)點(diǎn)所進(jìn)行不同的原位測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系。圖1為剔除前，數(shù)據(jù)的分布情況，結(jié)合表1、表2，我們不難看出差比ε大于10的試驗(yàn)點(diǎn)有7個(gè)，在該試驗(yàn)點(diǎn)所進(jìn)行的原位測(cè)試結(jié)果相差很大。

圖1 剔除前試驗(yàn)結(jié)果分布圖

圖2 第一次剔除后試驗(yàn)結(jié)果分布圖

圖3 第二次剔除后試驗(yàn)結(jié)果分布圖

剔除出差比ε大于10的試驗(yàn)點(diǎn)，剩下的試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果分布圖如圖2。在圖2中結(jié)合結(jié)合表1、表2，我們不難看出差值比s大于1的試驗(yàn)點(diǎn)有5個(gè)，在這些試驗(yàn)點(diǎn)所進(jìn)行的原位測(cè)試結(jié)果相差較大。剔除差值比s大于1的試驗(yàn)點(diǎn)，剩下的試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果分布圖如圖3。

(1)從圖3可以看出:通過原位試驗(yàn)方法，求出的滲透系數(shù)都屬于1×10－3～1×10－5cm/s這個(gè)數(shù)量級(jí)，而室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該數(shù)量級(jí)。

(2)兩種原位試驗(yàn)方法所求得的滲透系數(shù)較為接近，如常水頭鉆孔注水法與雙環(huán)注水試驗(yàn)結(jié)果差值比s小于1.0的占12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，差比ε小于10的占15個(gè)，我們可以認(rèn)為雙環(huán)注水試驗(yàn)與常水頭鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

5 雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的適用性

由以上比較可以看出，對(duì)于地下水位以上的均質(zhì)填土雙環(huán)注水試驗(yàn)是可行的。但在實(shí)際工程中，不同的方法由于其自身的優(yōu)缺點(diǎn)而適用于不同的情況，以下我們通過比較不同的試驗(yàn)方法來說明雙環(huán)注水試驗(yàn)在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的適用性。

(1)常水頭鉆孔注水試驗(yàn)的鉆孔過程比較費(fèi)時(shí)，費(fèi)用貴。對(duì)于砂類土等非飽和土來講，鉆孔過程中容易發(fā)生坍孔，注水過程中水流對(duì)孔壁的沖刷也會(huì)造成孔徑變大、孔深變小，造成計(jì)算結(jié)果有偏差。

(2)室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)很難模擬現(xiàn)場(chǎng)的滲透情況，實(shí)踐證明通過室內(nèi)垂直滲透試驗(yàn)來檢測(cè)填土的滲透性，效果不理想。

(3)野外雙環(huán)注水試驗(yàn)的操作程序及試驗(yàn)器材較簡(jiǎn)單、方便、費(fèi)用小，適合檢測(cè)均質(zhì)填土及淺層黏性土。

6 結(jié) 語

(1)由于本試驗(yàn)是在一個(gè)填土相對(duì)比較均勻的大堤上進(jìn)行，所以試驗(yàn)結(jié)果存在可比性。實(shí)際中，土質(zhì)各向絕對(duì)同性是不存在的。這與地質(zhì)實(shí)際情況存在一定差異，計(jì)算結(jié)果僅可作為一種參考依據(jù)。

(2)野外雙環(huán)注水試驗(yàn)主要是體現(xiàn)土體的垂直滲透性，而常水頭鉆孔注水試驗(yàn)更多是體現(xiàn)土體的水平滲透性。由本試驗(yàn)將試驗(yàn)層概化為均質(zhì)體，土體的垂直滲透性與水平滲透性一致。事實(shí)上土體的垂直滲透性與水平滲透性成何種關(guān)系，這也是試驗(yàn)的要解決的最終問題，在今后的試驗(yàn)中有待探討、研究。

(3)雙環(huán)注水試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象往往限于表層土體。對(duì)于高度較大的填土，表層土體性狀能否代表深層的土體性狀，這也是雙環(huán)注水試驗(yàn)的局限性。

[1]SL345－2007.水利水電注水試驗(yàn)規(guī)程.

[2]YS5214－2000.注水試驗(yàn)規(guī)程.

[3]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第三版).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992

[4]郭見揚(yáng)，譚周地等.中小型水利水電工程地質(zhì)(第二版).北京:水利電力出版社，1995

[5]國(guó)際土地開墾和改良研究所.排水原理和應(yīng)用—Ⅲ勘測(cè)和調(diào)查研究[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社:192～194

[6]鄧爭(zhēng)榮.土體工程勘察中鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)的計(jì)算[J ].長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，21(1):25～27

Application of Double Annulus Water Injection Test in Embankment Detection

Huang HongRu，Sun ZhiHua
(Jiangxi Province Jiujiang Water Conservancy Power Planning Design Institute，Jiujiang 332000，China)

According to the double annulus water injection test method，constant head water injection test method and indoor vertical permeability test method，it carries out the measurement to the permeability of the same soil layer，and carries out the comparison analysis to the test results，in the end，there indicates the features and application range of the double annulus water injection test.

permeability coefficient；in situ test；constant head borehole water injection；double annulus water injection

1672－8262(2010)03－170－04

TU411.4

B

2010—03—18

黃紅儒(1965—)，男，工程師，主要從事水利電力勘察技術(shù)工作。