基于注水试验的土体渗透系数计算

田国林

摘 要：利用钻孔降水头注水试验确定土体渗透系数是工程勘察设计的重要手段，为工程的勘察、设计与施工等提供了基础参数。以无为大堤水家楼站闸前池工程地质勘察为例，采用钻孔降水头试验，并分别运用公式法和图解法计算求取了站闸前池基础土体的渗透系数。结果表明，钻孔降水头注水试验具有很好的适应性，用公式法和图解法计算的土体渗透系数基本一致，起到了互为验证的效果，取两者的平均值可提高其计算精度。

关键词：注水试验；土体渗透系数；公式法；图解法

中图分类号：TV221.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.015

在水文地质、工程地质勘察等工程实践中，土体渗透系数的确定是渗流分析、基坑降水、抗浮设计等工作的基础，准确地求取土体渗透系数关系到工程设计等的准确性，因此，选用适用的计算方法求取土体渗透系数显得尤为重要。在水利水电工程实践中，渗流分析、基坑降水及抗浮设计等是比较常见的，比如坝基渗流分析、绕坝渗流分析、基坑降水设计、基础抗浮设计等。与之相关的土体渗透系数的求取计算主要采用注水试验法。注水试验具有操作简单、速度较快、适应性强等优势。

1 研究方法

1.1 渗透系数计算方法

土体渗透系数是水利水电工程地质勘察中重要的水文地质参数，是确定地下水渗流场的重要计算依据，对水利水电工程的设计、施工等具有重要意义。渗透系数的测定方法分为实验室测定法和野外现场测定法。在水利水电工程实践中，土体渗透系数的测定主要采用野外现场测定法。野外现场测定法主要包括钻孔抽水试验和钻孔注水试验。钻孔抽水试验一般适用于孔深和孔径均较大的钻孔，而钻孔注水试验则适用于孔深和口径均较小的钻孔。钻孔注水试验又分为钻孔常水头注水试验和钻孔降水头注水试验。

1.2 钻孔降水头注水试验

钻孔降水头注水试验适用于地下水位以下渗透系数比较小的黏性土层，比如粉质黏土、黏土等，且钻孔孔深较浅、孔径较小。试验过程中用水量较少，操作简单，且速度较快，适应性强。

2 实例应用

2.1 基本概况

安徽省无为大堤位于长江下游左岸，上起无为县果合兴，下迄和县方庄，全长124.215 km。大堤水家楼站闸坐落于无为县汤沟镇水楼村，为湿室型立式泵站，设计外江水位12.72 m，内河水位4.58 m。无为县属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，四季分明，年平均气温15～16 ℃，年平均降雨量1 200 mm；无为县属巢湖流域，流域内水系发达，共有七大水系注入巢湖，最终经裕溪河汇入长江；县域地貌可分为冲洪积平原区和低山丘陵区，平原区以县境东部圩区为主，再沿西河延伸至县境西部，长江沿岸滩地和江心诸洲组成洲地，地势平坦，海拔9～10 m，低山丘陵自北部县界延伸至西南，岗峦起伏，海拔大多在40～200 m。

2.2 水文地质参数计算

2.2.1 水文地质条件

水家楼站闸位于长江冲洪积平原区，区内广泛发育第四系松散堆积物。堆积物主要为黏性土及砂，覆盖于白垩系（K）基岩之上。站闸处地层30 m深度范围内自上而下依次为素填土层、黏土层（夹薄层粉土）、粉质黏土层（夹薄层粉土）、粉细砂层。地下水主要类型为第四系松散岩类孔隙潜水，主要接受降水入渗补给及侧向径流补给，排泄方式主要为侧向径流。

2.2.2 降水头注水试验数据

根据地层情况，在站闸前池一侧按一定间距布置2个钻孔ZK1、ZK2，通过止水处理，使2个钻孔分别在黏土层、粉质黏土层段出水。其中，钻孔ZK1、ZK2的初始试验水头（H0）分别为163.5 cm、170 cm，试验段长度（l）分别为350 cm、300 cm，套管内径均为7 cm。按照试验要求对2个钻孔分别进行降水头注水实验，采集数据分别见表1、表2.

2.2.3 参数计算分析

2.2.3.1 公式法

公式法的基本原理为基于水力学理论的达西（Darcy）定律，通过对达西公式进行微分与积分变换，得出相应的渗透系数计算公式。渗透系数的计算式为：

式（1）中：K为试验段含水层渗透系数，cm/s；r为套管内半径，cm；H1，H2为在试验时间t1，t2时刻的试验水头，cm；t1，t2为注水试验某一时刻的试验时间，min；A为形状系数，cm。

根据钻孔结构，形状系数A按下式计算：

式（2）中：Kh，Kv为试验土层水平、垂直渗透系数，cm/s；l为试验段长度，cm。

按照公式所需数据及要求，钻孔ZK1、ZK2的计算结果如表3所示。

2.2.3.2 图解法

图解法是根据试验时记录的孔内水头（Ht）及持续时间（t）绘制ln（Ht/H0）—t关系曲线，如图1、图2所示，在曲线上点出注水试验的特征时间T0，将所得T0值代入以下公式进行求解：

式（3）中：T0为注水试验的特征时间，min，指孔内水头（Ht）与初始试验水头（H0）的比值Ht/H0=0.37时所对应的t值。

通过图解法得出钻孔ZK1、ZK2的注水试验特征时间分别为4.82 min、1.15 min，将其代入上述公式中得出土体渗透系数值如表4所示。

3 结束语

钻孔降水头注水试验是水利水电工程地质勘察中确定土体渗透系数的重要手段，具有明显的优势。试验过程中需水量少，操作简单，便于试验，且试验速度较快，适应性强，可提高勘察效率。

钻孔降水头注水试验主要适用于地下水位以下渗透系数较小的黏性土层，不适合地下水位以上的土体，渗透系数较大的粉土、砂土等土体不适用。

钻孔降水头试验计算方法有2种，分为公式法和图解法。这2种方法各有自身优势，在实际计算中，可分别采用2种法计算土体渗透系数，互为验证，也可取两者的平均值作为土体渗透系数，提高土体渗透系数的计算精度。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕