注水試驗(yàn)在測(cè)試土層滲透系數(shù)中的應(yīng)用

劉 偉

福建省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院（350003）

0 前言

工程勘察過(guò)程中常需要進(jìn)行滲透試驗(yàn)確定巖土層滲透系數(shù)，常用的滲透試驗(yàn)有現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)也可理解為現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試試驗(yàn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)能夠較好反映場(chǎng)地巖土層滲透特性，主要有抽水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)等。

抽水試驗(yàn)一般觀測(cè)水位穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間≥8 h，并加上試驗(yàn)前期準(zhǔn)備及恢復(fù)水位觀測(cè)時(shí)間，所需的試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)；該試驗(yàn)方法需要接電，有些勘察項(xiàng)目遠(yuǎn)離市區(qū)及居住區(qū)，無(wú)法接通電源，還需要專門配備發(fā)電機(jī)，這增加了試驗(yàn)的費(fèi)用和難度，需要花費(fèi)的材料、人員精力較多，且對(duì)于水位以上土層滲透性無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

壓水試驗(yàn)測(cè)試中（微）風(fēng)化巖層滲透系數(shù)，在破碎及較破碎巖層中進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)場(chǎng)因皮塞無(wú)法對(duì)試驗(yàn)段完全封閉而試驗(yàn)失敗，而需要調(diào)整試驗(yàn)段長(zhǎng)度保證試驗(yàn)段密封狀況良好，才能確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，其適用范圍有限。

室內(nèi)滲透試驗(yàn)由于取樣技術(shù)制約，原狀土樣滲透試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果接近，而擾動(dòng)土樣室內(nèi)滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，應(yīng)用有限。

通過(guò)以上幾種滲透試驗(yàn)分析，文章主要根據(jù)幾種特殊場(chǎng)地及巖土層情況，介紹采用注水試驗(yàn)及改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)操作方法獲取土層滲透系數(shù)的計(jì)算及數(shù)據(jù)分析方法。該方法可較為快速、簡(jiǎn)便獲取滲透參數(shù)，值得推廣。

1 注水試驗(yàn)

注水試驗(yàn)通常于適用于地下水位以上土層滲透試驗(yàn)、埋藏較淺的巖土層中，在埋藏較深的巖土層中亦可以進(jìn)行試驗(yàn)，但需采取套管對(duì)上部土層進(jìn)行隔離處，采用分段進(jìn)行試驗(yàn)的方法。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于無(wú)壓滲透試驗(yàn)，一般不需要電源要求。根據(jù)注水量與試驗(yàn)水頭的關(guān)系，在試段范圍內(nèi)獲取土層滲透系數(shù)，類似于抽水試驗(yàn)“滲透漏斗”的顛倒模型。

2 鉆孔注水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

鉆孔注水試驗(yàn)分為常水頭鉆孔注水試驗(yàn)和降水頭鉆孔注水試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)地層及試驗(yàn)條件選擇不同的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)而確定試驗(yàn)形狀系數(shù)A值。目前規(guī)范提供的形狀系數(shù)模型為試驗(yàn)段底部進(jìn)水、試驗(yàn)段側(cè)壁和底部同時(shí)進(jìn)水兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，又根?jù)試驗(yàn)段以上為透水和不透水層，即形成4種試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，詳?jiàn)表1。

2.1 鉆孔常水位注水試驗(yàn)適用條件及計(jì)算公式

鉆孔常水頭注水試驗(yàn)適用于滲透性比較大的壤土、粉土、砂土和砂卵礫石層或不能進(jìn)行壓水試驗(yàn)的風(fēng)化破碎巖體、斷層破碎帶等透水性較強(qiáng)的巖體[1]。根據(jù)水位和試驗(yàn)段埋深的關(guān)系，試驗(yàn)段位于水位以上和試驗(yàn)段位于水位以下兩種計(jì)算公式不同。

當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位以下時(shí)，巖土層滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

當(dāng)試驗(yàn)段為位于地下水位以上，且50＜H/r＜200、H≤l時(shí)，計(jì)算公式為

式中，K——試驗(yàn)巖土層滲透系數(shù)（cm/s）；Q——注入流量（L/min）；H——試驗(yàn)水頭（cm），等于試驗(yàn)水位與地下水位之差；A——形狀系數(shù)（cm），值根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇不同的計(jì)算公式；r——鉆孔內(nèi)半徑（cm）；l——試段長(zhǎng)度(cm)；

2.2 鉆孔降水頭注水試驗(yàn)適用條件及計(jì)算公式

鉆孔降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下粉土、黏性土層或滲透系數(shù)較小的巖層。

其常用計(jì)算公式為：

表1 鉆孔注水試驗(yàn)?zāi)Ｐ头诸愐挥[表

式中，K——試驗(yàn)巖土層滲透系數(shù)（cm/s）；t2、t1——注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的試驗(yàn)時(shí)間（min）；H1、H2——在試驗(yàn)時(shí)間t2、t1時(shí)的試驗(yàn)水頭（min）；r——套管內(nèi)半徑（cm）；A——形狀系數(shù)（cm），A值根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇不同的計(jì)算公式。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 鉆孔常水位注水試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

擬建小區(qū)位于福建沿海地區(qū)，該項(xiàng)目是多棟高層建筑物及1層地下室，現(xiàn)狀場(chǎng)地較寬闊、平坦，地面標(biāo)高為3.70～5.30 m，地下室底板底設(shè)計(jì)標(biāo)高為0.00 m，場(chǎng)地地下水位標(biāo)高3.37～3.82 m。根據(jù)場(chǎng)地周邊地勢(shì)及排水情況，抗浮設(shè)防水位為4.50 m。為查明基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)含水層①粗中砂的透水性、富水性，采用抽水試驗(yàn)在附近鉆探孔中試抽，水很快抽干，恢復(fù)慢，使得抽水量無(wú)法保持穩(wěn)定，且該砂層厚度小，故綜合考慮后在鉆孔CSK1、CSK2位置進(jìn)行注水試驗(yàn)，以提供基坑降水方案設(shè)計(jì)所需的透水層滲透系數(shù)。本次試驗(yàn)采用常水頭注水試驗(yàn)，注水試驗(yàn)孔地層情況見(jiàn)表2。

CSK1試驗(yàn)孔：①粗中砂層進(jìn)行注水試驗(yàn)，用鉆機(jī)造孔，鉆進(jìn)至孔深為1.80 m，利用φ127套管下至底隔離上部砂層，采用孔底進(jìn)水模型進(jìn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行注水試驗(yàn)前進(jìn)行地下水位觀測(cè)，水位觀測(cè)時(shí)間間隔為5 min，當(dāng)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)變幅小于10 cm時(shí)，水位觀測(cè)停止，用最后一次觀測(cè)值作為地下水位計(jì)算值（為1.70 m）?？紤]水位埋藏較淺，當(dāng)注水水位與地面標(biāo)高相平時(shí)水頭較小，為提高較大的水頭差值，在地面以上接高套管1.90 m，形成水頭H=360 cm。試驗(yàn)開(kāi)始后保持注水水面與接高的套管口平齊，且不漏水，試驗(yàn)水頭不變，連續(xù)觀測(cè)注水流量。

CSK2試驗(yàn)孔采取與CSK1試驗(yàn)孔類似試驗(yàn)方法，孔底進(jìn)水模型進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)套管接高1.60 m，形成水頭H=320 cm。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄注水量Q及時(shí)間T，形成Q-T曲線圖如圖1及圖2所示。

表2 土層及水位埋深分布情況一覽表

圖1 CSK1鉆孔常水頭注水試驗(yàn)Q-T曲線圖

圖2 CSK2鉆孔常水頭注水試驗(yàn)Q-T曲線圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后，采用公式1進(jìn)行計(jì)算，其中形狀系數(shù)A選擇表1中模型一對(duì)應(yīng)規(guī)范系數(shù)，A=5.5r=5.5×6.35=34.925 cm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3。

表3 鉆孔常水頭注水試驗(yàn)計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：①粗中砂滲透系數(shù)K取平均值為 6.22×10-3cm/s，屬于中等透水層（10-4≤K＜10-2cm/s），該數(shù)值與本地區(qū)附近砂層顆分組成、密實(shí)度類似的水位下砂層抽水試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) （K=6.60×10-3cm/s）接近，數(shù)據(jù)較為可靠。

3.2 鉆孔降水位注水試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

擬建某安置小區(qū)由多棟高層建筑物及兩層滿鋪地下室組成，基坑影響范圍內(nèi)主要巖土層分別為③（坡積）粉質(zhì)黏土、④殘積砂質(zhì)黏性土、⑤全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，地層埋深分布詳見(jiàn)表4。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)③、④、⑤層為弱透水層，原計(jì)劃水文試驗(yàn)布置2個(gè)抽水試驗(yàn)孔。第1個(gè)抽水試驗(yàn)孔 （SK1）水位埋深4.0 m，預(yù)計(jì)地下室開(kāi)挖深度約6.5 m。抽水試驗(yàn)孔現(xiàn)場(chǎng)試抽水試驗(yàn)結(jié)果，水位降深達(dá)16 m。調(diào)整降深后，水量小且斷續(xù)出水，無(wú)法穩(wěn)定，考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒荒苓M(jìn)行完整的試驗(yàn)過(guò)程，故將抽水試驗(yàn)改為注水試驗(yàn)。本次布置2個(gè)注水試驗(yàn)孔，編號(hào)分別為SK2、SK3。

場(chǎng)地地下水類型為潛水，試驗(yàn)深度范圍土層為弱透水層，故模擬現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔降水頭試驗(yàn)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋涸囼?yàn)段位于地下水位以下，孔內(nèi)下套管或部分下套管，試驗(yàn)段裸露，孔壁和孔底同時(shí)進(jìn)水。試驗(yàn)土層頂部為相對(duì)不透水層。

試驗(yàn)孔SK2進(jìn)行鉆探，對(duì)頂部的2.80 m③（坡積）粉質(zhì)黏土采用φ110 cm口徑套管封隔，套管口適當(dāng)高出地面20～30 cm，繼續(xù)鉆探到30.80 m深度，并對(duì)孔壁洗孔清理，靜置待水位穩(wěn)定后進(jìn)行注水試驗(yàn)。由于地層起伏變化，④殘積砂質(zhì)黏性土層中局部夾⑤全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖層，且本場(chǎng)地為獲取基坑影響深度范圍內(nèi)土層綜合滲透系數(shù)，④及⑤層滲透性能接近，故試驗(yàn)條件假定：④殘積砂質(zhì)黏性土和⑤全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖是均質(zhì)的，滲透系數(shù)接近，滲流為層流?？妆诩翱椎淄瑫r(shí)進(jìn)水，開(kāi)始間隔時(shí)間為1 min，連續(xù)觀測(cè)5次，然后間隔為10 min觀測(cè)一次，當(dāng)試驗(yàn)水頭下降到初始水位附近時(shí)停止試驗(yàn)。SK3試驗(yàn)孔徑采用φ110cm，對(duì)上部的③（坡積）粉質(zhì)黏土層用套管隔離，其余試驗(yàn)步驟與SK2相同。

表4 土層埋深分布情況一覽表

根據(jù)以上試驗(yàn)孔SK2、SK3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用鉆孔降水頭試驗(yàn)計(jì)算公式2進(jìn)行計(jì)算，模型選用孔底和孔壁進(jìn)水，試驗(yàn)段以上為不透水層，其中L為鉆孔注水試驗(yàn)段長(zhǎng)度（cm）；m=Kh、Kv分別代表土層水平及垂直方向滲透系數(shù)，假設(shè)土層均質(zhì)，Kh、Kv滲透系數(shù)相同，m=1。

計(jì)算時(shí)采用不同時(shí)段間隔時(shí)間循環(huán)計(jì)算滲透系數(shù)，例如采取某時(shí)刻為某t1、間隔30 min時(shí)間取值t2，分別提取其他參數(shù)值計(jì)算，采用多個(gè)間隔時(shí)間計(jì)算≥6組數(shù)據(jù)平均值作為試驗(yàn)段滲透系數(shù)K值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，降水頭注水試驗(yàn)（某時(shí)刻水頭高度Ht/初始水頭高度H0-時(shí)間T）曲線圖如圖3、圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，2個(gè)試驗(yàn)孔的滲透系數(shù)值分別為 3.78×10-5cm/s、3.09×10-5cm/s，兩組數(shù)據(jù)接近，土層深度范圍內(nèi)主要為④殘積砂質(zhì)黏性土層，⑤全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖層厚度小。將以上兩層假設(shè)為同一層對(duì)數(shù)據(jù)影響較小，假設(shè)條件成立。故試驗(yàn)報(bào)告最終取2個(gè)孔的滲透系數(shù)平均值K=3.44×10-5cm/s屬于弱透水層（10-5≤K＜10-4cm/s），與該項(xiàng)目④層室內(nèi)滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)平均值3.03×10-5cm/s接近，數(shù)據(jù)可靠。

表5 SK2鉆孔降水頭注水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖3 SK2鉆孔降水頭注水試驗(yàn)（Ht/H0）-T曲線圖

圖4 SK3鉆孔降水頭注水試驗(yàn)（Ht/H0）-T曲線圖

4 試驗(yàn)誤差影響分析

通過(guò)兩種常用的注水試驗(yàn)實(shí)例分析了巖土層滲透系數(shù)測(cè)試方法，試驗(yàn)過(guò)程中存在的誤差主要為：

福建地區(qū)鉆孔成孔過(guò)程中常采用泥漿護(hù)壁成孔，成孔過(guò)程中泥漿對(duì)側(cè)壁土層有護(hù)壁作用，但同時(shí)泥漿會(huì)對(duì)側(cè)壁土層的滲流有阻塞，對(duì)實(shí)際的滲透系數(shù)有影響，故在成孔以后應(yīng)對(duì)孔壁清洗，直至水清無(wú)泥流出。

試驗(yàn)之前對(duì)地下水位觀測(cè)時(shí)間應(yīng)滿足水位恢復(fù)至穩(wěn)定水位，確保初始的水位數(shù)據(jù)精確。

試驗(yàn)之前對(duì)試段以上土層滲透性明確，采取套管隔離時(shí)要確保隔離到位，防止漏水，試驗(yàn)過(guò)程中并觀察試驗(yàn)孔周邊是否有漏水情況，防止注水從周圍滲流。

試段位于地下水位以下的兩種模型在計(jì)算過(guò)程中A值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，而計(jì)算A值的2個(gè)不確定參數(shù)Kh、Kv試驗(yàn)之前未知。在土層水平和垂直方向較均勻時(shí)Kh、Kv滲透系數(shù)接近，當(dāng)土質(zhì)不均勻時(shí)可能差異較大。若需對(duì)該數(shù)據(jù)有較準(zhǔn)確的把握，可代表性取原狀土樣采用室內(nèi)滲透試驗(yàn)分別獲取水平及垂直方向的滲透系數(shù)，在注水試驗(yàn)計(jì)算過(guò)程中應(yīng)用。而對(duì)于無(wú)法取得原狀土樣土層暫時(shí)只能根據(jù)鉆探土層結(jié)構(gòu)采用預(yù)估法或通過(guò)抽水試驗(yàn)等其他方法驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

注水試驗(yàn)作為一種簡(jiǎn)易的滲透試驗(yàn)，在工程勘察巖土層滲透試驗(yàn)中可快速、簡(jiǎn)便獲取滲透參數(shù)，且試驗(yàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單、效率高。

在場(chǎng)地地層富水量較小的情況下，抽水試驗(yàn)水量較小無(wú)法獲取穩(wěn)定連續(xù)的出水量或一抽即干的情況下，可改用現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)直接獲取土層滲透系數(shù)。

地下水位埋藏較淺的情況下，通過(guò)接高護(hù)壁套管高度，增加水頭差，可解決水頭差較小的特殊情況下進(jìn)行注水試驗(yàn)。

注水試驗(yàn)有其局限性，對(duì)巖土層的水平滲透系數(shù)Kh和垂直滲透系數(shù)Kv比值沒(méi)有明確的數(shù)據(jù)指標(biāo)，現(xiàn)階段能夠測(cè)試Kh、Kv可通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)，而以上兩參數(shù)比值直接影響計(jì)算的形狀系數(shù)A值所需參數(shù)，而要明確該參數(shù)具體數(shù)值，還需要注水試驗(yàn)再進(jìn)行改進(jìn)。