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）

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

1 引言

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)。

2 淺孔注水試驗(yàn)方法

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)。

3 淺孔注水試驗(yàn)理論分析及計(jì)算

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 應(yīng)用舉例

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。

5 結(jié)論

（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