均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)測(cè)試方法

1、均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)測(cè)試方法（任云峰 孫瑞民） 時(shí)間： 2012-01-31 10:48:14來(lái)源：華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)放大縮小打印摘要: 均質(zhì)土壩壩體分層碾壓，使壩體土層具有各向異性，壩體滲透系數(shù)kh，kv值相差較大通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)滲透系數(shù)測(cè)試方法的分析與討論，認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范推薦的測(cè)試方法對(duì)均質(zhì)土壩壩體滲透性測(cè)試存在較大誤差，不適應(yīng)于大壩二維、三維滲流分析要求，提出了聯(lián)合測(cè)試滲透系數(shù)法，并給出了計(jì)算公式關(guān)鍵詞:滲透系數(shù); 注水試驗(yàn); 均質(zhì)土壩; 各向異性Measuring Method for Permeability of Homogeneous Earth-filled

2、DamREN Yun-feng1，SUN Rui-min2Abstract: Homogeneous earth-filled dam rolled by the bedded-earth method，its earth layer has anisotropy，the difference between the permeability kh and kv is bigThrough analyzing of permeability measuring method from indoor and field in situ test，the results were gained t

3、hat the measuring methods for permeability from appliable codes and standards exist bigger error，and dont suit for analyzing 2D and 3D permeability of damsThe joint test method was put forward，and the formulas were givenKey words: permeability; water injection test; homogeneous earth-filled dam; ani

4、sotropy均質(zhì)土壩壩體分層碾壓，使壩體土層具有各向異性，不同的碾壓方法使壩體土層的kh /kv = 2 30，有時(shí)更大1近年來(lái)，計(jì)算機(jī)和有限元等數(shù)值分析方法的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)出不少二維、三維滲流計(jì)算程序，大壩滲透計(jì)算更方便、快捷，也對(duì)滲透系數(shù)測(cè)試提出了更高要求測(cè)試方法選取的正確與否，直接關(guān)系滲透系數(shù)的精度和工程設(shè)計(jì)的安全與投資現(xiàn)有的滲透系數(shù)測(cè)試方法主要有2 類(lèi): 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)又分為試坑注水和鉆孔注水2 類(lèi)室內(nèi)試驗(yàn)方法具有方便、快捷、工作量小、試驗(yàn)條件好、可直接測(cè)得土樣的滲透系數(shù)kh，kv等優(yōu)點(diǎn)，但土樣尺寸小，易擾動(dòng)，代表性差現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的鉆孔注水試驗(yàn)具有適應(yīng)性強(qiáng)、代表性好、但勞

5、動(dòng)強(qiáng)度大，只能測(cè)得土層平均滲透系數(shù)k有關(guān)不同巖土類(lèi)、巖土樣采取與制備、體積含水率、基質(zhì)吸力、圍壓、高水頭、尺度效應(yīng)等對(duì)滲透系數(shù)影響方面的研究較多，但對(duì)于均質(zhì)各向異性土層滲透系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試方法研究較少韋港，閆宇2對(duì)注水試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為該方法不適合均質(zhì)土壩壩體滲透性測(cè)試吳世余，李宏3研究了均質(zhì)各向異性土層中軸對(duì)稱滲流問(wèn)題，并推導(dǎo)出了滲流量計(jì)算公式筆者通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)2 種方法的分析，認(rèn)為采用2 種方法聯(lián)合測(cè)試均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)kh，kv，可行又準(zhǔn)確，對(duì)均質(zhì)土壩的除險(xiǎn)加固既具有理論價(jià)值又具有社會(huì)效益1 試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法按照文獻(xiàn)4的規(guī)定，對(duì)粘性土試樣進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，根

6、據(jù)公式(1) 求得土樣滲透系數(shù)式中: a 為變水頭管截面積; l 為滲徑; h1為開(kāi)始時(shí)水頭; h2為終止時(shí)水頭; A 為試樣斷面面積; t 為時(shí)間文獻(xiàn)5第511 條規(guī)定常水頭注水試驗(yàn)適用于滲透系數(shù)比較大的壤土、粉土、砂土和砂卵石層，第611 條規(guī)定降水頭注水試驗(yàn)適用于地下水位以下粉土、粘性土層或滲透系數(shù)較小的巖層而在條文說(shuō)明中闡述為: 對(duì)于滲透系數(shù)比較小的巖土層，采用常水頭注水試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，采用降水頭注水試驗(yàn)可以縮短試驗(yàn)時(shí)間因此，若時(shí)間允許，也可采用常水頭注水試驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)較小的巖土層若試段位于地下水位以下，鉆孔套管下至孔底，當(dāng)采取孔底進(jìn)水方式時(shí)，形狀系數(shù)A =5. 5r，則滲透系數(shù)若試段

7、位于地下水位以上，且50H/r200，Hl，孔內(nèi)不下套管或部分下套管，試驗(yàn)段裸露或下花管，當(dāng)采取孔壁和孔底同時(shí)進(jìn)水時(shí)，形狀系數(shù)A =，其中，l /r8; m =，則滲透系數(shù)式中: Q 為注入流量; H 為試驗(yàn)水頭; A 為形狀系數(shù);r 為鉆孔內(nèi)半徑; l 為試段長(zhǎng)度2 滲透系數(shù)代表值文獻(xiàn)4規(guī)定，按切土樣的方向可直接測(cè)定土樣的滲透系數(shù)kh，kv 根據(jù)文獻(xiàn)5附錄B 中規(guī)定，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔注水試驗(yàn)符合半無(wú)限空間體的邊界條件，注水試驗(yàn)采取孔底進(jìn)水時(shí)，公式中形狀系數(shù)未考慮滲透性的各向異性，按公式(2) 計(jì)算所得即為平均滲透系數(shù)k; 注水試驗(yàn)采取孔壁和孔底進(jìn)水時(shí)，公式中形狀系數(shù)考慮了滲透性各向異性，按公式(2

8、) 計(jì)算所得為kh，但形狀系數(shù)A 中包含了未知參數(shù)kv 文獻(xiàn)5條文說(shuō)明第533 條闡述，水利水電工程地質(zhì)和工程地質(zhì)手冊(cè)都推薦納斯別爾格公式計(jì)算干燥巖土層的滲透系數(shù)，條件是試驗(yàn)段高出地下水位較多，介質(zhì)均勻，且50 H/r 200，孔中水柱高度hl 時(shí)，可按公式(3) 計(jì)算3由此可見(jiàn)，該式適合于均質(zhì)各向同性土層，對(duì)各向異性土層所得滲透系數(shù)為平均滲透系數(shù)k3 均質(zhì)各向異性土層滲透系數(shù)計(jì)算公式對(duì)于均質(zhì)各向同性的土層，軸對(duì)稱滲流問(wèn)題的流量方程為式中: Q 為流量; k 為滲透系數(shù); H 為水頭差; A 為形狀系數(shù)，它是徑向邊界尺度R 和軸向邊界尺度L 的函數(shù)均質(zhì)各向異性土層的軸對(duì)稱穩(wěn)定流的Laplace

9、方程為式中: h 為水頭; r 為徑向座標(biāo); z 為軸向坐標(biāo)吳世余等3采用縮放滲流場(chǎng)比尺方法，推導(dǎo)出了均質(zhì)各向異性土層中滲流量公式，根據(jù)這一方法，筆者求得不同邊界條件下均質(zhì)各向異性土層鉆孔常水頭注水試驗(yàn)滲透系數(shù)的計(jì)算公式a鉆孔孔底注水試驗(yàn)時(shí)，由公式(4) 和(5) 推導(dǎo)出各向異性土層的滲流公式b鉆孔孔壁和孔底注水時(shí)，由公式(4) 和(5) 推導(dǎo)出各向異性土層的滲流公式c遠(yuǎn)高于地下水位的半空間土層內(nèi)鉆孔孔壁和孔底注水時(shí)，注水試驗(yàn)圖如圖1 所示，由公式(5) 和納斯別爾格公式推導(dǎo)出各向異性土層的滲流公式圖1 遠(yuǎn)高于地下水位的鉆孔注水試驗(yàn)4 滲透系數(shù)聯(lián)合測(cè)試方法筆者采用室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔常水頭注水試

10、驗(yàn)2 種方法聯(lián)合求取均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)kh，kv，根據(jù)注水試驗(yàn)條件分別討論如下:a壩體地下水位以上土層滲透系數(shù)kh，kv采用鉆孔內(nèi)取土樣進(jìn)行kv的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔常水頭孔壁和孔底注水試驗(yàn)對(duì)壩體土層分段測(cè)試，利用公式(8) 求得各段土層kh值b壩體地下水位以下土層滲透系數(shù)kh，kv采用鉆孔內(nèi)取土樣進(jìn)行kv的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試，同時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔常水頭孔壁和孔底注水試驗(yàn)對(duì)壩體土層分段測(cè)試，利用公式(7) 求得各段土層kh值c壩體地下水位以下土層滲透系數(shù)kh，kv也可采用鉆孔內(nèi)常水頭孔底注水試驗(yàn)，鉆孔內(nèi)常水頭孔壁和孔底注水試驗(yàn)2 種方法對(duì)鉆孔內(nèi)土層分段進(jìn)行測(cè)試，利用公式(6) 和(7) 聯(lián)合

11、求得各段土層kh，kv值5 工程實(shí)例某一均質(zhì)土壩，壩頂寬38 m，壩高20 m，壩體填土以中粉質(zhì)壤土為主，少量重粉質(zhì)壤土，地下水位埋深15. 2 m沿壩軸線布置注水試驗(yàn)孔3 個(gè)，采取常水頭孔壁和孔底注水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)聯(lián)合法測(cè)壩體填土滲透系數(shù)壩體每米取1 次原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，鉆孔注水試驗(yàn)段均不大于5 m，其中，L = H，r = 5. 5 cm根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得各土樣kv值，求出各段土樣kv加權(quán)平均值為該段kv值，把kv值代入公式(6) 和(7) 采用試算法分別計(jì)算出地下水位以下和以上各段土層的kh值筆者以鉆孔ZK5求取滲透系數(shù)kh，kv為例，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1表1 某均質(zhì)土壩壩體滲透系數(shù)

12、6 結(jié)語(yǔ)a均質(zhì)土壩壩體屬均質(zhì)各向異性土層，采用適用于均質(zhì)各向同性土層的納斯別爾格公式求取平均滲透系數(shù)已不適應(yīng)大壩二維、三維精確滲流分析b均質(zhì)壩體土層滲透系數(shù)kh，kv值可采用室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔常水頭注水試驗(yàn)2 種方法聯(lián)合求得c地下水位以上土層滲透系數(shù)測(cè)試宜取L = H，滿足全段無(wú)壓流的邊界條件公式(8) 適用于遠(yuǎn)高于地下水位的土層，臨近地下水位土層采用該公式的誤差有待進(jìn)一步研究參考文獻(xiàn)1水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院SL 274-2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范S北京: 中國(guó)水利水電出版社， 20012韋港，閆宇關(guān)于注水試驗(yàn)不適合均質(zhì)土壩壩體滲透性測(cè)試的討論J水利水電科技進(jìn)展，2009，29 (4) : 18 203吳世余，李宏均質(zhì)各向異性土層中軸對(duì)稱滲流問(wèn)