注水试验在测试土层渗透系数中的应用

刘 伟

福建省林业勘察设计院（350003）

0 前言

工程勘察过程中常需要进行渗透试验确定岩土层渗透系数，常用的渗透试验有现场渗透试验和室内渗透试验。现场渗透试验也可理解为现场原位测试试验，其测试数据能够较好反映场地岩土层渗透特性，主要有抽水试验、压水试验、注水试验等。

抽水试验一般观测水位稳定持续时间≥8 h，并加上试验前期准备及恢复水位观测时间，所需的试验时间较长；该试验方法需要接电，有些勘察项目远离市区及居住区，无法接通电源，还需要专门配备发电机，这增加了试验的费用和难度，需要花费的材料、人员精力较多，且对于水位以上土层渗透性无法现场测试。

压水试验测试中（微）风化岩层渗透系数，在破碎及较破碎岩层中进行试验进场因皮塞无法对试验段完全封闭而试验失败，而需要调整试验段长度保证试验段密封状况良好，才能确保试验数据的准确，其适用范围有限。

室内渗透试验由于取样技术制约，原状土样渗透试验结果与现场试验结果接近，而扰动土样室内渗透试验数据与现场原位渗透试验数据偏差较大，应用有限。

通过以上几种渗透试验分析，文章主要根据几种特殊场地及岩土层情况，介绍采用注水试验及改进现场操作方法获取土层渗透系数的计算及数据分析方法。该方法可较为快速、简便获取渗透参数，值得推广。

1 注水试验

注水试验通常于适用于地下水位以上土层渗透试验、埋藏较浅的岩土层中，在埋藏较深的岩土层中亦可以进行试验，但需采取套管对上部土层进行隔离处，采用分段进行试验的方法。该方法操作相对简单，属于无压渗透试验，一般不需要电源要求。根据注水量与试验水头的关系，在试段范围内获取土层渗透系数，类似于抽水试验“渗透漏斗”的颠倒模型。

2 钻孔注水试验模型

钻孔注水试验分为常水头钻孔注水试验和降水头钻孔注水试验。现场试验前应根据地层及试验条件选择不同的试验模型，进而确定试验形状系数A值。目前规范提供的形状系数模型为试验段底部进水、试验段侧壁和底部同时进水两种试验模型，又根据试验段以上为透水和不透水层，即形成4种试验模型，详见表1。

2.1 钻孔常水位注水试验适用条件及计算公式

钻孔常水头注水试验适用于渗透性比较大的壤土、粉土、砂土和砂卵砾石层或不能进行压水试验的风化破碎岩体、断层破碎带等透水性较强的岩体[1]。根据水位和试验段埋深的关系，试验段位于水位以上和试验段位于水位以下两种计算公式不同。

当试验段位于地下水位以下时，岩土层渗透系数计算公式为：

当试验段为位于地下水位以上，且50＜H/r＜200、H≤l时，计算公式为

式中，K——试验岩土层渗透系数（cm/s）；Q——注入流量（L/min）；H——试验水头（cm），等于试验水位与地下水位之差；A——形状系数（cm），值根据试验模型选择不同的计算公式；r——钻孔内半径（cm）；l——试段长度(cm)；

2.2 钻孔降水头注水试验适用条件及计算公式

钻孔降水头注水试验适用于地下水位以下粉土、黏性土层或渗透系数较小的岩层。

其常用计算公式为：

表1 钻孔注水试验模型分类一览表

式中，K——试验岩土层渗透系数（cm/s）；t2、t1——注水试验某一时刻的试验时间（min）；H1、H2——在试验时间t2、t1时的试验水头（min）；r——套管内半径（cm）；A——形状系数（cm），A值根据试验模型选择不同的计算公式。

3 应用实例分析

3.1 钻孔常水位注水试验应用实例

拟建小区位于福建沿海地区，该项目是多栋高层建筑物及1层地下室，现状场地较宽阔、平坦，地面标高为3.70～5.30 m，地下室底板底设计标高为0.00 m，场地地下水位标高3.37～3.82 m。根据场地周边地势及排水情况，抗浮设防水位为4.50 m。为查明基坑开挖影响范围内含水层①粗中砂的透水性、富水性，采用抽水试验在附近钻探孔中试抽，水很快抽干，恢复慢，使得抽水量无法保持稳定，且该砂层厚度小，故综合考虑后在钻孔CSK1、CSK2位置进行注水试验，以提供基坑降水方案设计所需的透水层渗透系数。本次试验采用常水头注水试验，注水试验孔地层情况见表2。

CSK1试验孔：①粗中砂层进行注水试验，用钻机造孔，钻进至孔深为1.80 m，利用φ127套管下至底隔离上部砂层，采用孔底进水模型进行试验。在进行注水试验前进行地下水位观测，水位观测时间间隔为5 min，当连续观测数据变幅小于10 cm时，水位观测停止，用最后一次观测值作为地下水位计算值（为1.70 m）。考虑水位埋藏较浅，当注水水位与地面标高相平时水头较小，为提高较大的水头差值，在地面以上接高套管1.90 m，形成水头H=360 cm。试验开始后保持注水水面与接高的套管口平齐，且不漏水，试验水头不变，连续观测注水流量。

CSK2试验孔采取与CSK1试验孔类似试验方法，孔底进水模型进行试验。对套管接高1.60 m，形成水头H=320 cm。

经过现场记录注水量Q及时间T，形成Q-T曲线图如图1及图2所示。

表2 土层及水位埋深分布情况一览表

图1 CSK1钻孔常水头注水试验Q-T曲线图

图2 CSK2钻孔常水头注水试验Q-T曲线图

试验数据整理后，采用公式1进行计算，其中形状系数A选择表1中模型一对应规范系数，A=5.5r=5.5×6.35=34.925 cm，计算结果见表 3。

表3 钻孔常水头注水试验计算表

根据计算结果：①粗中砂渗透系数K取平均值为 6.22×10-3cm/s，属于中等透水层（10-4≤K＜10-2cm/s），该数值与本地区附近砂层颗分组成、密实度类似的水位下砂层抽水试验经验数据 （K=6.60×10-3cm/s）接近，数据较为可靠。

3.2 钻孔降水位注水试验应用实例

拟建某安置小区由多栋高层建筑物及两层满铺地下室组成，基坑影响范围内主要岩土层分别为③（坡积）粉质黏土、④残积砂质黏性土、⑤全风化二长花岗岩，地层埋深分布详见表4。根据工程经验③、④、⑤层为弱透水层，原计划水文试验布置2个抽水试验孔。第1个抽水试验孔 （SK1）水位埋深4.0 m，预计地下室开挖深度约6.5 m。抽水试验孔现场试抽水试验结果，水位降深达16 m。调整降深后，水量小且断续出水，无法稳定，考虑试验模型不能进行完整的试验过程，故将抽水试验改为注水试验。本次布置2个注水试验孔，编号分别为SK2、SK3。

场地地下水类型为潜水，试验深度范围土层为弱透水层，故模拟现场采用钻孔降水头试验。

试验模型为：试验段位于地下水位以下，孔内下套管或部分下套管，试验段裸露，孔壁和孔底同时进水。试验土层顶部为相对不透水层。

试验孔SK2进行钻探，对顶部的2.80 m③（坡积）粉质黏土采用φ110 cm口径套管封隔，套管口适当高出地面20～30 cm，继续钻探到30.80 m深度，并对孔壁洗孔清理，静置待水位稳定后进行注水试验。由于地层起伏变化，④残积砂质黏性土层中局部夹⑤全风化二长花岗岩层，且本场地为获取基坑影响深度范围内土层综合渗透系数，④及⑤层渗透性能接近，故试验条件假定：④残积砂质黏性土和⑤全风化二长花岗岩是均质的，渗透系数接近，渗流为层流。孔壁及孔底同时进水，开始间隔时间为1 min，连续观测5次，然后间隔为10 min观测一次，当试验水头下降到初始水位附近时停止试验。SK3试验孔径采用φ110cm，对上部的③（坡积）粉质黏土层用套管隔离，其余试验步骤与SK2相同。

表4 土层埋深分布情况一览表

根据以上试验孔SK2、SK3试验数据，采用钻孔降水头试验计算公式2进行计算，模型选用孔底和孔壁进水，试验段以上为不透水层，其中L为钻孔注水试验段长度（cm）；m=Kh、Kv分别代表土层水平及垂直方向渗透系数，假设土层均质，Kh、Kv渗透系数相同，m=1。

计算时采用不同时段间隔时间循环计算渗透系数，例如采取某时刻为某t1、间隔30 min时间取值t2，分别提取其他参数值计算，采用多个间隔时间计算≥6组数据平均值作为试验段渗透系数K值。计算结果见表5，降水头注水试验（某时刻水头高度Ht/初始水头高度H0-时间T）曲线图如图3、图4所示。

根据计算结果，2个试验孔的渗透系数值分别为 3.78×10-5cm/s、3.09×10-5cm/s，两组数据接近，土层深度范围内主要为④残积砂质黏性土层，⑤全风化二长花岗岩层厚度小。将以上两层假设为同一层对数据影响较小，假设条件成立。故试验报告最终取2个孔的渗透系数平均值K=3.44×10-5cm/s属于弱透水层（10-5≤K＜10-4cm/s），与该项目④层室内渗透试验渗透系数平均值3.03×10-5cm/s接近，数据可靠。

表5 SK2钻孔降水头注水试验渗透系数计算结果表

图3 SK2钻孔降水头注水试验（Ht/H0）-T曲线图

图4 SK3钻孔降水头注水试验（Ht/H0）-T曲线图

4 试验误差影响分析

通过两种常用的注水试验实例分析了岩土层渗透系数测试方法，试验过程中存在的误差主要为：

福建地区钻孔成孔过程中常采用泥浆护壁成孔，成孔过程中泥浆对侧壁土层有护壁作用，但同时泥浆会对侧壁土层的渗流有阻塞，对实际的渗透系数有影响，故在成孔以后应对孔壁清洗，直至水清无泥流出。

试验之前对地下水位观测时间应满足水位恢复至稳定水位，确保初始的水位数据精确。

试验之前对试段以上土层渗透性明确，采取套管隔离时要确保隔离到位，防止漏水，试验过程中并观察试验孔周边是否有漏水情况，防止注水从周围渗流。

试段位于地下水位以下的两种模型在计算过程中A值对计算结果影响较大，而计算A值的2个不确定参数Kh、Kv试验之前未知。在土层水平和垂直方向较均匀时Kh、Kv渗透系数接近，当土质不均匀时可能差异较大。若需对该数据有较准确的把握，可代表性取原状土样采用室内渗透试验分别获取水平及垂直方向的渗透系数，在注水试验计算过程中应用。而对于无法取得原状土样土层暂时只能根据钻探土层结构采用预估法或通过抽水试验等其他方法验证。

5 结语

注水试验作为一种简易的渗透试验，在工程勘察岩土层渗透试验中可快速、简便获取渗透参数，且试验方法相对简单、效率高。

在场地地层富水量较小的情况下，抽水试验水量较小无法获取稳定连续的出水量或一抽即干的情况下，可改用现场注水试验直接获取土层渗透系数。

地下水位埋藏较浅的情况下，通过接高护壁套管高度，增加水头差，可解决水头差较小的特殊情况下进行注水试验。

注水试验有其局限性，对岩土层的水平渗透系数Kh和垂直渗透系数Kv比值没有明确的数据指标，现阶段能够测试Kh、Kv可通过室内渗透试验，而以上两参数比值直接影响计算的形状系数A值所需参数，而要明确该参数具体数值，还需要注水试验再进行改进。