钻孔注水试验确定水库堤坝地基的渗透系数

钻孔注水试验确定水库堤坝地基的渗透系数

【摘要】为了进一步确定龙眼洞林场水库堤坝地基的渗透特性， 采用原位钻孔注水试验的方法对 1个断面共 3 个孔段进行了测定。试验结果表明含砂低液限粘土层的透水性较弱，能够较好地防止塘中水的渗漏，有利于该水库中水的存储。

【关键词】注水试验；坝堤地基；水库；原位钻孔

引言

钻孔注水试验是野外测定岩土层渗透性的一种简便有效的方法，它可以在钻探过程中选定试验土层即可进行试验，可以节省大量的工程量和时间。纵多学者对其进行了广泛研究。王文双[1]分析了注水试验参数对渗透系数的影响，并对常水头和降水头室内渗透试验与现场注水试验成果进行对比分析。结果表明土坝坝体注水试验水头和初始水位对试验结果影响最大，大坝坝体填土均适合进行常水头注水试验。江晓益[2]对病险土石坝坝体注水试验过程中的水力劈裂现象及原因进行了分析，研究表明坝体钻孔注水试验应尽量控制水头上升的速度，并实时监测水头与流量的变化，选择较低的水头进行试验。魏志范[3]对粉土地区潜水含水层进行野外钻孔常水头注水试验。黄红儒[4]通过双环注水试验、常水头钻孔注水试验及室内垂直渗透试验方法对同一土层的渗透系数进行了测定，并对试验结果进行了比较分析，最后指出了双环注水试验的特点及适用范围。周刚[5]等对兖矿集团所辖矿井进行了煤层注水试验并对注水效果进行了详实的比较。薛棋[6]等防渗墙背水面做了3个围井注水试验，以检验防渗墙的整体防渗效果。同时，在防渗墙的15个抽芯孔上做静水头注水试验，以检验防渗墙的墙体防渗效果。蔺明杰等[7]对梁家楼浊积岩油藏实施不稳定注水试验，讨论了按注采井距和地层导压系数确定注水周期和选择注水量的方法。

1.工程概况

广州市天河区龙眼洞林场水库塘址位于广东省龙眼洞林场内，该水库林场下一水库，主要收集林场山沟内的地表径流，塘水主要用于渔业养殖及水库下游附近40多亩苗圃的灌溉，是以灌溉、养殖为主的小型水利工程。水库近似呈矩形，长约80 m，宽约40 m，面积近3 000 m2，库容量约2万m3。该水库建于1999年，由于修建年代较久，坝身局部有孔隙及小洞穴发育，加之水库在前期建设中在大坝上未设置敞开式溢洪道，而仅在水库一角设有面积约1 m2左右的方形放水洞，在2010年5月，该地区连续遭遇多场暴雨袭击，因放水洞流量有限，水库水位暴涨，水库库容量超出设计极限，大坝坝肩局部地段不堪重负，水压力过大最终发生了决堤险情。图1为现场实拍的水库场景照片。

图1 水库场景图

现状水库大坝为土坝，长约100 m，顶宽约4.5 m左右，坝顶高程63.10～63.50

m，坝高约12.00 m。本工程场地为素填土（属含砂低液限粘土）和花岗岩残积而成含砂低液限粘土层及花岗岩全风化层，该土层一般皆为弱透水土层，但现场判别这些土层的含砂量都较大，且遇水易崩解呈砂土状。为了较为准确地查明这些岩土层的透水性，根据本工程现场岩土层情况及施工条件，进行了现场注水试验，为水库大坝的地基处理与加固设计、不良工程地质的防治设计及施工方案等工作提供工程地质依据和必要的设计参数。

2.注水试验

本工程分别于钻孔ZKZS01、ZKZS02、ZKZS03（具体位置见图2）进行了6个段次的钻孔降水头注水试验，试验主要针对坝体地下水位以上非饱和素填土层（属含砂低液限粘土）及坝体地下水位以下花岗岩残积土层（含砂低液限粘土层）。

图2 水库及周围地形图

2.1坝体地下水位以上非饱和素填土层（属含砂低液限粘土层）钻孔注水试验，依据《注水试验规程》（YS 2514-2000）进行，渗透系数的计算方法详见见图3。

重新作图

图3 地下水位上土层渗透系数计算方法

2.2坝体地下水位以下花岗岩残积土层（属含砂低液限粘土层）钻孔降水头注水试验，依据《水利水电工程注水试验规程》（SL 345-2007）进行，示意图及渗透系数的计算方法如图4。

重新作图

图4 地下水位下土层渗透系数计算方法

（1）

式中：K为试验岩土层的渗透系数（cm/s）；t1、t2为注水试验某一时刻的试验时间（min）；H1、H2为在试验时间t1、t2时的试验水头（cm）；R为套管内半径（cm）；A为形状系数（cm）。

3.试验结果分析

3.1钻孔ZKZS01位于大坝的右侧，对ZKZS01孔底进行非饱和素填土层（含砂低液限粘土）降水头注水试验，试验深度为地表以下4m处，地下水位距离地表下8m，试验结果如图5所示。由图5可知，水头比随着时间的增大而逐渐减少，计算得到渗透系数为1.75E-05，由此可知，此孔底非饱和素填土层为弱透水

层土。

3.2对ZKZS01孔底及孔壁含砂低液限饱和粘土进行降水头注水试验，试验深度离地表10.4 m，试验段长度1.2 m，试验结果如图6所示。由图6可知，水头比随着时间的增大而逐减少，对比图5可知，曲线斜率较大，说明在同等时间内孔底加孔壁排水的水头比减少幅度较大，经计算得到渗透系数为4.42E-05，由此可知，此处孔底及孔壁的土层亦为弱透水层土。

3.3钻孔ZKZS02位于大坝的中间，对ZKZS02孔底进行非饱和素填土层（含砂低液限粘土）降水头注水试验，试验深度为地表以下3.5 m处，地下水位距离地表8 m，试验结果如图6所示。由图6可知，水头比随着时间的增大而逐渐减少，计算得到渗透系数为3.59E-05，由此可知，此孔底非饱和素填土层为弱透水层土。

3.4对ZKZS02孔底及孔壁饱和含砂低液限粘土降水头注水试验，试验深度离地表11.2 m，试验段长度1 m，试验结果如图8所示。由图8可知，水头比随着时间的增大而逐减少，对比图7可知，两者曲线斜率相当，经计算得到渗透系数为4.5E-05，由此可知，此处孔底及孔壁的土层亦为弱透水层土。

3.5钻孔ZKZS03位于大坝的左侧，对ZKZS03孔底进行非饱和素填土层（含砂低液限粘土）降水头注水试验，试验深度为地表以下3.00 m处，地下水位距离地表8 m，试验结果如图6所示，由图6可知，水头比随着时间的增大而逐渐减少，计算得到渗透系数为2.69E-05，由此可知，此孔底非饱和素填土层为弱透水层土。

3.6对ZKZS03孔底及孔壁饱和含砂低液限粘土降水头注水试验，试验深度离地表12.60 m，试验段长度0.8 m，试验结果如图8所示，由图8可知，水头比随着时间的增大而逐减少，对比图7可知，两者曲线斜率相当，经计算得到渗透系数为3.13E-05，由此可知，此处孔底及孔壁的土层亦为弱透水层土。

4.结论及建议

此坝体土层均为花岗岩残积土层（含砂低液限粘土层），由注水试验结果可知，此土层的透水性较弱，能够较好地防止塘中水的渗漏，有利于水库塘水的存储。由于水库处在的地势较高，塘水对四周岩土层的补给量依然较大，遂建议水库重建时对大坝与库水接触的一侧斜坡面及水库四周岩土层进行混凝土抹面，防止塘水渗漏。

参考文献：

[1] 王文双，江晓益.土坝坝体注水试验的影响因素[J] .水利水电科技进展，2013，（01）

[2] 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，（06）

[3] 魏志范.粉性土地区钻孔常水头注水试验求取渗透系数[J].岩土工程界，2009（06）

[4] 黄红儒，孙志华.双环注水试验在堤防检测中的应用[J].城市勘测，2010，（03）

[5] 周刚，程卫民，宋宪明，等.兖州及济东煤田煤层注水试验研究[J].煤炭科学技术，2006（03）

[6] 薛棋，刘林峰，赵文奎，等.防渗墙注水试验报告[J].内蒙古水利，2008，（02）

[7] 蔺明杰，谢绍敏.梁家楼浊积岩油藏不稳定注水试验[J].特种油气藏，2003（06）