任云峰，孫瑞民

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州450016;2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011)

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: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.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、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5.1.1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6.1.1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)

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)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5.3.3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 h≤l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)k.

3 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)

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.

［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，2001.

［2］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):18－20.

［3］吳世余，李宏.均質(zhì)各向異性土層中軸對(duì)稱滲流問(wèn)題的分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(4):581 －583.

［4］南京水利科學(xué)研究院.SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1999.

［5］水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.SL 345—2007水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.