降水頭注水試驗(yàn)在天津地區(qū)的應(yīng)用分析

陳潤(rùn)橋 溫偉光 何緒升 劉建剛

(天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

近幾年隨著天津市城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)深度不斷加大，深大基坑數(shù)量劇增，在深基坑設(shè)計(jì)、施工中，滲透系數(shù)是計(jì)算深基坑滲流和基坑降水設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，其準(zhǔn)確性尤為重要。傳統(tǒng)的計(jì)算滲透系數(shù)的方法為室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)方法由于取樣的代表性、取樣及搬運(yùn)和制作中的擾動(dòng)等因素，試驗(yàn)值與實(shí)際偏差較大?，F(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，由于周期較長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)投入大等原因，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響。鉆孔注水試驗(yàn)作為一種原位試驗(yàn)方法以其不擾動(dòng)原土層、試驗(yàn)周期短、經(jīng)濟(jì)投入少、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在上海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，且已總結(jié)出當(dāng)?shù)刈⑺囼?yàn)計(jì)算土層滲透系數(shù)的公式，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

天津地區(qū)土層分布情況與上海地區(qū)土層分布情況相似，然而對(duì)鉆孔降水頭注水試驗(yàn)方面理論研究較少，技術(shù)尚不成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也相對(duì)不足，目前該方法在天津地區(qū)應(yīng)用相對(duì)較少。

1 降水頭注水試驗(yàn)的計(jì)算方法

注水試驗(yàn)是向鉆孔中注入穩(wěn)定水量形成穩(wěn)定水頭，原理及過(guò)程與抽水試驗(yàn)相類似。降水頭注水試驗(yàn)主要適用于地下水位以下滲透性較小的巖土層，如粉土、粘性土等。在注水過(guò)程中，水流外滲以水平向外滲為主，在實(shí)際應(yīng)用中，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，一般采用二維滲流計(jì)算模型，模型中土體被假定為半無(wú)限空間體，承壓含水層土層是均質(zhì)的，地下水滲流為層流且天然水位是水平的。降水頭注水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)通常采用公式法及圖解法。

1.1 公式法

降水頭注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式是基于達(dá)西定律推導(dǎo)得到的。依據(jù)達(dá)西定律在dt時(shí)間內(nèi)流過(guò)土樣的水量:

此水量可通過(guò)立管水位下降度量，即:

在時(shí)間t1和t2間積分，此時(shí)水頭H從H1降至H2，得:

最終可得滲透系數(shù)K:

式中:K——滲透系數(shù)，cm/s;

H1——觀測(cè)時(shí)間t1時(shí)的試驗(yàn)水頭高度，cm;

H2——觀測(cè)時(shí)間t2時(shí)的試驗(yàn)水頭高度，cm;

d——立管內(nèi)徑，cm;

D——滲透段直徑，cm;

r——立管內(nèi)半徑，cm;

a——立管內(nèi)面積，cm2;

M——滲透段面積，cm2;

l——滲透段長(zhǎng)度，cm;

A——滲透段形狀系數(shù)，cm，其與滲透段面積和水流邊界條件有關(guān)。

1.2 圖解法

通過(guò)試驗(yàn)記錄繪制ln(Ht/H0)—t關(guān)系曲線，求得注水試驗(yàn)特征時(shí)間T0，采用式(2)計(jì)算試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù):

其中，T0為注水試驗(yàn)的特征時(shí)間，min;即Ht/H0=0.37時(shí)所對(duì)應(yīng)的t值，可在ln(Ht/H0)—t曲線上確定，Ht為注水時(shí)間為t時(shí)的水頭值，cm;H0為注水試驗(yàn)的初始水頭值，cm;其余符號(hào)意義同式(1)。

2 工程實(shí)例

本次研究以天津地鐵5號(hào)線某站點(diǎn)降水頭注水試驗(yàn)案例進(jìn)行分析。本場(chǎng)地埋深30 m以上主要以粉質(zhì)粘土及粉土為主，本次主要針對(duì)埋深約27.9 m～30.0 m段上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層粉土(地層編號(hào)⑨2)進(jìn)行試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)井井深為29.0 m，井壁管采用無(wú)縫鋼管，濾水管長(zhǎng)度為1.10 m，周圍填級(jí)配較好的2 mm～4 mm水洗礫料，填入部位從井底向上1.0 m，在礫料的圍填面以上填入粘土球止水封隔，以防上下含水層連通。成井后采用空壓機(jī)進(jìn)行洗井。試驗(yàn)井示意圖見(jiàn)圖1，井身結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)參數(shù)表

采用公式法按式(1)計(jì)算⑨2層滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的ln(Ht/H0)—t關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，從圖中可知本次注水試驗(yàn)特征時(shí)間T0=2.85 min，采用圖解法滲透系數(shù)為 2.09 m/d。

表2 公式法滲透系數(shù)計(jì)算參數(shù)及結(jié)果表

綜合分析，本次降水頭注水試驗(yàn)測(cè)得的⑨2承壓含水層滲透系數(shù)平均值可按2.08 m/d考慮。

圖1 灌水試驗(yàn)井示意圖

圖 2 ln（Ht/H0）—t曲線

在勘察過(guò)程中，本場(chǎng)地對(duì)⑨2承壓含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)兩種試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，兩種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)較為接近，也就是說(shuō)，通過(guò)“簡(jiǎn)單”的注水試驗(yàn)即可獲得“復(fù)雜”的抽水試驗(yàn)才能獲得的滲透系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)降水頭注水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)在天津地區(qū)是可行的，與抽水試驗(yàn)相比，降水頭注水試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果與抽水試驗(yàn)較為接近，效果較好。由于降水頭注水試驗(yàn)在天津地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用目前還相對(duì)較少，對(duì)于地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)及進(jìn)一步提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性方面的技術(shù)要求尚需進(jìn)行后續(xù)研究。

表3 抽水試驗(yàn)成果表

影響注水試驗(yàn)成果精度的因數(shù)較多，實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)地層條件、地下水位、試驗(yàn)條件等選取適當(dāng)?shù)你@探設(shè)備和成孔工藝，過(guò)程中要保證有足夠的穩(wěn)定注水時(shí)間，同時(shí)需要做好試驗(yàn)段的止水隔離工作。

［1］ 陳南祥.水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］ 沈日庚.上海地區(qū)鉆孔降水頭注水試驗(yàn)公式應(yīng)用探討［J］.上海地質(zhì)，2010，3(3):51-53.

［3］ SL 345-2007，水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程［S］.