地下水位以上浅孔注水试验研究

钱财富 宋新江 吴 杰（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

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地下水位以上浅孔注水试验研究

钱财富 宋新江 吴 杰
（安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000）

室内渗透系数试验受样本被扰动、卸荷、仪器及试验人员自身能力等因素影响，所得结果具有一定的误差；现行规范钻孔抽（注）水试验仅适用于地下水以下情况。针对上述情况，提出一种简易的现场试验方法测试地下水位以上均质土层渗透系数，基于达西定律给出地下水位以上均质土层的渗透系数计算公式。并根据现场钻孔深度、钻孔半径和注水试验水头等边界条件，采用有限元分析计算成果绘制渗流流线求出出渗半径，得到浅孔注水试验渗透系数的解。结合工程实例，浅孔注水试验与纳斯别尔格图解法计算结果基本相同，测试结果满足土层渗透系数测试精度要求。

钻孔注水 线流 均质土层 渗透系数 入渗边界

1 引言

土的渗透系数是堤防和土坝工程特性重要指标之一，准确测定土的渗透系数对堤坝工程设计和安全评价有着十分重要的意义。水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的渗透性，渗透系数是描述土体这一特性的主要参数。测定渗透系数的方法主要有室内试验和现场试验两种方式。室内试验包括渗透试验和电模拟试验，渗透试验分为常水头和变水头试验；现场试验是以地下水动力学的解析法为依据，主要包括钻孔注水、抽水试验。室内渗透试验受试样被扰动、卸荷、仪器及试验人员自身能力等因素影响，所得结果具有一定的误差。现场测试（如现场抽水试验、注水试验等）得到的渗透系数最接近实际。现行规范钻孔抽（注）水试验只适用于地下水以下情况；单环法注水试验和双环法注水试验，受毛管吸力和土体饱和情况的影响，测试结果存在一定偏差。本文提出一种简易的浅孔注水试验方法和计算式，测定均质堤坝工程地下水位以上土体的渗透系数。

2 浅孔注水试验方法

采用小型钻孔机械，在试验土层钻一圆形试验孔，紧贴孔壁下套管（套管需留梅花型布置的孔洞，外套强透水性土工织物）保护孔壁，钻孔深度约0.5～l.0m左右。成孔后，孔内注水使试验范围内土层充分饱和，一般为24h。试验时测试水的温度，保持孔内水位为一常数，记录一定时间后的渗流量，每5～60min测记一次，每次测记流量与平均流量之差不应超过10%。根据试验结果计算土层渗透系数。

3 浅孔注水试验理论分析及计算

假设钻孔注水试验段土层均匀，试验段土层充分饱和，水平和垂直渗透系数大小相等，且渗透系数大小不随深度变化，水在土体孔隙中渗透时符合达西定律。

q=kiA （1）

式中：q为渗流量，cm3/s；k为渗透系数，cm/s;i为水力坡；A为截面面积。

根据达西定律，地下水位以上饱和均质土层渗流按一汇线流简化，如图1所示。

由图1可知，其渗流的入渗边界为abcd，根据流量守恒定律，选取任一水平渗出边界ef的渗出流量与入渗流量相等，出渗流量为：

由于水头在渗流过程中的沿程损失存在，当边界ef面足够远时，i垂直径向不再发生变化，且等于1。那么（2）式为：

q=kA （3）

式中：A为ef面出渗面积，A=πR2。

根据能量守恒，由于试验段土层充分饱和，所以从入渗面abcd渗入水量和出渗面ef渗出水量应该相等。那么由（1）和（3）式得：

由公式可知，知道了出渗面ef的半径R和注水试验测定的流量q0，就可以求出渗透系数。

对于不可压缩液体轴对称渗流存在流函数ψ，速度分量以流函数ψ表示如下：

z是旋转轴，r是极半径向量。

图1 渗流过程示意图

图2 浸润线成果图

根据以上渗流流线性质和现场钻孔试验参数（孔深、孔径和试验水头）等边界条件，利用有限单元法绘制渗流流线，求出浅孔注水试验出渗面半径R，代入（4）计算土层渗透系数。本文钻孔渗流流线采用有限元分析软件AutoBANK进行绘制。

4 应用举例

4.1 试验位置

选择某新建堤防工程，堤防填土为均质填土，选取其中3段，桩号分别为1+000、1+500和2+000。试验段堤防填筑高度为10.0m，顶宽为20.0m；现场在不同试验桩号位置取样，进行室内常规试验，土样常规试验结果见表1。

4.2 渗流流线绘制及渗透系数求解

现场试验钻孔深度均为50cm，钻孔半径为5cm，试验时孔内水位位于孔口，钻孔位于堤防中心位置。根据渗流理论孔内渗流为轴对称渗流，中轴线位置的流线垂直向下，流线从ef面流出时与该面相垂直。此次渗流流线绘制采用有限元分析软件AutoBANK进行绘制，渗流的水平和垂直范围选取20倍钻孔深度，采用三角形单元进行剖分，共划分5717个单元。

由于流线与渗透系数大小无关，有限元参数选取时假定均质土层渗透系数为1.0×10-6cm/s，结合试验时水位条件，绘制浸润线如图2所示。

由图2可知，浸润线位于约4倍钻孔深度处土层逐渐趋于竖直，通过量测渗出面ef位于中轴线两侧浸润线距离为0.88m。即R=0.44m。代入（4）渗透系数可按下式计算：

k=1.645q0

4.3 试验成果分析

该试验段堤防工程土质为重粉质壤土，土层均匀。现场采用浅孔注水试验方法测试的不同堤段堤防填筑土层渗透系数。同时，根据已知文献，对钻孔渗透系数求解方法结果进行比较，试验结果列入表2中。

由表可知，本文提供的计算方法计算结果与纳斯别尔格图解法计算结果基本相同，平行差满足室内渗透试验平行试样对测试结果的要求。

5 结论

（1）浅孔注水试验方法和计算方法较简单,所需设备较少、成本低，现场可操作性强。

（2）本文提出了浅孔注水试验方法与计算公式，其测试结果与纳斯别尔格图解法基本相同，满足土层渗透系数测试精度要求。

（3）本文采用理论分析和有限元分析相结合的方式计算土层渗透系数，为研究渗流问题提供了一种新的思路

表1 土样常规试验成果表

表2 试验渗透系数成果表