均质土坝坝体渗透系数测定探讨

杨建坤

【摘 要】土坝坝体渗透系数是评定大坝安全的重要指标，土坝渗透系数测定分为室内试验测定和野外原位试验测定，坝体渗透系数测定主要采用室内试验和现场钻孔注水试验。由于对测定渗透系数计算公式原理和边界条件的认识不清，在现场试验时，试验人员采用不同的测试方法、设置不同的试验参数，造成渗透系数计算结果存在较大偏差。文章对钻孔注水试验计算公式的适用条件、参数设定进行了解释和讨论，并对采用不同的测试方法取得的试验结果进行了对比和讨论，对试验人员理解钻孔注水试验测定渗透系数有较好的帮助。

【关键词】渗透系数；注水试验；常水头；降水头

【中图分类号】TV223.4；TV641.2【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2017）05-0133-03

0 前言

坝体渗透系数是土坝安全评价的一项重要指标，土坝坝体的渗透系数大小直接关系到土坝的安全性能。如何通过注水试验得到准确、可靠的试验数据，对工程安全来讲是一项重要的工作，土坝渗透系数测定分为室内试验测定和原位试验测定，原位试验主要采用抽水试验和钻孔注水试验，由于坝体不满足抽水试验场地条件，坝体渗透系数主要采用钻孔注水试验，钻孔注水试验分为常水头试验和变水头试验，这2种试验是当前一段时期较常用的测试手段。由于试验人员对计算公式的原理理解不清，试验参数设定不合理，导致试验异常，计算结果存在较大偏差，给试验人员带来困惑。笔者对影响渗透系数的因素进行了深入的研究，对试验参数设定、计算公式原理及不同的测试方法进行了探讨和对比分析。

1 渗透系数测定公式

1.1 常水头注水试验

1.1.1 注水试验段位于地下水位以上时

试验段位于水位以下时，对于均质土体，水的渗透符合达西定律，常水头注水试验计算公式通过达西定律试验条件推导得出[2]，均质土坝试验段位于水位以下，采用公式（1）计算，《水利水电工程注水试验规程》（SL 345—2007）[1]常水头试段位于水位以下采用公式（1）计算。

K=■ln■（1）

m=■

公式（1）中：K为渗透系数，cm/s；Q为稳定注水量，L/min；H为试验水头，cm；l为试验段长度，cm；r为试验段内半径，cm；m为传导比；Kh、Kv分别为水平、垂直渗透系数，cm/s。

1.1.2 注水试验段位于地下水位以上时

试验如图1所示，对于均质各向同性土层，运用纳斯别克应用图解法，并略去毛管水头的影响，推导出该工况下渗透系数的计算公式（公式2），由于该工况属于无压流，试验参数须满足50K=■lg■（2）

公式（2）中：H为孔中水柱高度（等于试验段长l，cm），其余符号同公式（1）。

2.2 变水头注水试验

2.2.1 注水试验段位于地下水位以上时

试验段位于水位以下时，对于均质土体，水的渗透符合达西定律，常水头注水试验计算公式通过达西定律试验条件推导得出[2]，均质土坝试验段位于水位以下，采用公式（3）計算， 《水利水电工程注水试验规程》（SL 345—2007）[1]常水头试段位于水位以下采用公式（3）计算。

K=■■（3）

公式（3）中：t1、t2为注水试验的持续时间，min；H1、H2为t1、t2对应的试验水头，cm。

此外，还可根据ln（Ht/H0）与t的关系求得注水试验特征时间T0，其中Ht为试验某时刻t的试验水头，H0为试验初始水头，T0为Ht/H0=0.37时所对应的t值，可在ln（Ht/H0）与t的关系曲线上确定。

K=■（4）

2.2.2 注水试验段位于地下水位以上时

地下水位以上试验段存在包气带，对于在包气带内进行的降水头注水试验，与包气带的饱和度和孔隙度有关，目前水利水电勘察中缺少资料进行对比，可采用饱和带注水试验公式（3）和中国有色金属工业协会颁布的行业标准YS5214—2000（注水试验规程）推荐的公式（5）计算渗透系数：

K=■（5）

公式（5）中：H1、H2为t1、t2对应的管内水柱高度（从孔底算起），cm；Sr试验土层最终饱和度；n试验土层孔隙度。

由于公式（5）需要提供土层的最终饱和度及试验土层孔隙度，误差也相当大，不具现场操作性。准确确定非饱和土的渗透系数较为麻烦。由于目前对非饱和土的渗流问题的研究还不完善，在当前条件下，采用水位以下的饱和渗流理论进行试验分析尽管有一定的偏差，但至少是可以理解的。

3 注水试验实例分析

3.1 注水试验

某水库为均质土坝，最大坝高42.2 m，分别采用常水头、降水头试验和室内试验测试坝体渗透系数。试验参数选取如下：试验段长3.0～5.0 m，钻孔直径为110 cm，常水头试验压力水头控制在4.0～6.0 m。试验结果见表1、表2。

3.2 成果分析

（1）表1的结果表明：均质土坝地下水位以上的试验段，常水头注水试验获取的渗透系数比降水头注水试验的结果大，K常/K降在1.16～2.28；均质土坝地下水位以下的试段，常水头注水试验获取的渗透系数与降水头注水试验的结果较接近，且常水头注水试验结果较小，K常/K降在0.75～0.91。

（2）表2的结果表明：均质土坝常水头注水试验获取的渗透系数比室内试验的结果偏大，K常/K室在4.02～10.22；笔者认为除人员操作和设备影响外，主要在于土坝坝体填筑层面及土体裂缝等缺陷。

（3）试验时，试验水头均控制在5.0 m，消除了水头对试验成果的影响，保证了测试结果的统一性，便于对比研究。此外，研究成果表明，水头过高，容易导致试验段土体劈裂，造成渗透系数失真[3]。

（4）均质坝体土层渗透系数kh、kV值采用室内渗透试验测定，kh、kV在1.08～1.82，以L=5.0 m，r=5.5 cm计算，传导比m造成的偏差在7%以内，现场测试时，可根据需要忽略均质坝体各项异性对渗透系数的影响。

（5）常水头试验时，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，符合计算公式推导条件；公式中的h为水柱高度，在试验中等于试验段长；由于相关规范没有对此进行详细说明，所以应用时，很多试验人员误认为h为压力水头，导致计算结果偏差较大。

4 结论

（1）对于渗透系数比较小的岩土层，常水头注水试验耗费时间较长，变水头注水试验较为省时。对于渗透系数较大的岩土层，采用变水头注水试验时，动水位下降较快，记录数据不易把握，容易产生较大偏差，绘制的拟合直线不具备代表性；此种情况采用常水头注水试验，采用水表测量稳定注水量较准确，计算结果也更为可靠。

（2）对于均质土坝，室内测试与原位试验测试结果具有一定偏差，其原因主要在于现场土体的层面、裂缝等缺陷及相对于室内试样的尺度效应，因此现场原位试验测试的渗透系数较室内试验大。

（3）试验时，试验段长度宜为3.0～5.0 m，水头应控制在5.0 m左右，防止水头过大引起试验段土体劈裂，造成渗透偏大的假象。

（4）常水头试验时，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，公式中的H为水柱高度，在试验中等于试验段长。

参 考 文 献

[1]SL 345—2007，水利水电工程注水试验规程[S].

[2]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（4）：581-583.

[3]江晓益，孙伯永，陈星.病险土石坝水力劈裂现象的注水试验研究[J].中国农村水利水电，2010（6）：143-149.

[4]满志强.浅析水利工程中高噴灌浆防渗墙质量检测方法

[J].企业科技与发展，2014（13）：113-114.

[责任编辑：陈泽琦]