均质土坝坝体渗透系数测试方法

任云峰，孙瑞民

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016;2.华北水利水电学院，河南郑州450011)

均质土坝坝体分层碾压，使坝体土层具有各向异性，不同的碾压方法使坝体土层的kh/kv=2～30，有时更大［1］.近年来，计算机和有限元等数值分析方法的发展，已开发出不少二维、三维渗流计算程序，大坝渗透计算更方便、快捷，也对渗透系数测试提出了更高要求.测试方法选取的正确与否，直接关系渗透系数的精度和工程设计的安全与投资.

现有的渗透系数测试方法主要有2类:室内试验和现场原位试验.现场试验又分为试坑注水和钻孔注水2类.室内试验方法具有方便、快捷、工作量小、试验条件好、可直接测得土样的渗透系数kh，kv等优点，但土样尺寸小，易扰动，代表性差.现场试验中的钻孔注水试验具有适应性强、代表性好、但劳动强度大，只能测得土层平均渗透系数k.

有关不同岩土类、岩土样采取与制备、体积含水率、基质吸力、围压、高水头、尺度效应等对渗透系数影响方面的研究较多，但对于均质各向异性土层渗透系数的准确测试方法研究较少.韦港，闫宇［2］对注水试验方法进行了研究，认为该方法不适合均质土坝坝体渗透性测试.吴世余，李宏［3］研究了均质各向异性土层中轴对称渗流问题，并推导出了渗流量计算公式.

笔者通过对室内试验和现场钻孔注水试验2种方法的分析，认为采用2种方法联合测试均质土坝坝体渗透系数kh，kv，可行又准确，对均质土坝的除险加固既具有理论价值又具有社会效益.

1 试验方法

室内试验方法按照文献［4］的规定，对粘性土试样进行变水头渗透试验，根据公式(1)求得土样渗透系数

式中:a为变水头管截面积;l为渗径;h1为开始时水头;h2为终止时水头;A为试样断面面积;t为时间.

文献［5］第5.1.1条规定常水头注水试验适用于渗透系数比较大的壤土、粉土、砂土和砂卵石层，第6.1.1条规定降水头注水试验适用于地下水位以下粉土、粘性土层或渗透系数较小的岩层.而在条文说明中阐述为:对于渗透系数比较小的岩土层，采用常水头注水试验时间较长，采用降水头注水试验可以缩短试验时间.因此，若时间允许，也可采用常水头注水试验测试渗透系数较小的岩土层.

若试段位于地下水位以下，钻孔套管下至孔底，当采取孔底进水方式时，形状系数A=5.5r，则渗透系数

式中:Q为注入流量;H为试验水头;A为形状系数;r为钻孔内半径;l为试段长度.

2 渗透系数代表值

文献［4］规定，按切土样的方向可直接测定土样的渗透系数 kh，kv.

根据文献［5］附录B中规定，当现场钻孔注水试验符合半无限空间体的边界条件，注水试验采取孔底进水时，公式中形状系数未考虑渗透性的各向异性，按公式(2)计算所得即为平均渗透系数k;注水试验采取孔壁和孔底进水时，公式中形状系数考虑了渗透性各向异性，按公式(2)计算所得为kh，但形状系数A中包含了未知参数kv.

文献［5］条文说明第5.3.3条阐述，《水利水电工程地质》和《工程地质手册》都推荐纳斯别尔格公式计算干燥岩土层的渗透系数，条件是试验段高出地下水位较多，介质均匀，且50＜H/r＜200，孔中水柱高度 h≤l时，可按公式(3)计算［3］.由此可见，该式适合于均质各向同性土层，对各向异性土层所得渗透系数为平均渗透系数k.

3 均质各向异性土层渗透系数计算公式

对于均质各向同性的土层，轴对称渗流问题的流量方程为

式中:Q为流量;k为渗透系数;H为水头差;A为形状系数，它是径向边界尺度R和轴向边界尺度L的函数.

均质各向异性土层的轴对称稳定流的Laplace方程为

式中:h为水头;r为径向座标;z为轴向坐标.

吴世余等［3］采用缩放渗流场比尺方法，推导出了均质各向异性土层中渗流量公式，根据这一方法，笔者求得不同边界条件下均质各向异性土层钻孔常水头注水试验渗透系数的计算公式.

a.钻孔孔底注水试验时，由公式(4)和(5)推导出各向异性土层的渗流公式

b.钻孔孔壁和孔底注水时，由公式(4)和(5)推导出各向异性土层的渗流公式

c.远高于地下水位的半空间土层内钻孔孔壁和孔底注水时，注水试验图如图1所示，由公式(5)和纳斯别尔格公式推导出各向异性土层的渗流公式

图1 远高于地下水位的钻孔注水试验

4 渗透系数联合测试方法

笔者采用室内试验和现场钻孔常水头注水试验2种方法联合求取均质土坝坝体渗透系数kh，kv，根据注水试验条件分别讨论如下:

a.坝体地下水位以上土层渗透系数kh，kv采用钻孔内取土样进行kv的室内试验测得，同时采用现场钻孔常水头孔壁和孔底注水试验对坝体土层分段测试，利用公式(8)求得各段土层kh值.

b.坝体地下水位以下土层渗透系数kh，kv采用钻孔内取土样进行kv的室内试验测试，同时采用现场钻孔常水头孔壁和孔底注水试验对坝体土层分段测试，利用公式(7)求得各段土层kh值.

c.坝体地下水位以下土层渗透系数kh，kv也可采用钻孔内常水头孔底注水试验，钻孔内常水头孔壁和孔底注水试验2种方法对钻孔内土层分段进行测试，利用公式(6)和(7)联合求得各段土层 kh，kv值.

5 工程实例

某一均质土坝，坝顶宽38 m，坝高20 m，坝体填土以中粉质壤土为主，少量重粉质壤土，地下水位埋深15.2 m.沿坝轴线布置注水试验孔3个，采取常水头孔壁和孔底注水试验和室内渗透试验联合法测坝体填土渗透系数.坝体每米取1次原状土样进行室内渗透试验，钻孔注水试验段均不大于5 m，其中，L=H，r=5.5 cm.根据室内试验测得各土样kv值，求出各段土样kv加权平均值为该段kv值，把kv值代入公式(6)和(7)采用试算法分别计算出地下水位以下和以上各段土层的kh值.笔者以钻孔ZK5求取渗透系数kh，kv为例，试验结果见表1.

表1 某均质土坝坝体渗透系数

6 结语

a.均质土坝坝体属均质各向异性土层，采用适用于均质各向同性土层的纳斯别尔格公式求取平均渗透系数已不适应大坝二维、三维精确渗流分析.

b.均质坝体土层渗透系数kh，kv值可采用室内渗透试验和现场钻孔常水头注水试验2种方法联合求得.

c.地下水位以上土层渗透系数测试宜取L=H，满足全段无压流的边界条件.公式(8)适用于远高于地下水位的土层，临近地下水位土层采用该公式的误差有待进一步研究.

［1］水利部水利水电规划设计总院.SL 274—2001碾压式土石坝设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］韦港，闫宇.关于注水试验不适合均质土坝坝体渗透性测试的讨论［J］.水利水电科技进展，2009，29(4):18－20.

［3］吴世余，李宏.均质各向异性土层中轴对称渗流问题的分析［J］.岩土工程学报，2008，30(4):581 －583.

［4］南京水利科学研究院.SL 237—1999土工试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［5］水利部水利水电规划设计总院.SL 345—2007水利水电工程注水试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2007.