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水利论文:探讨常用注水试验的过程及成果差异性产生的原因

来源:985论文网 添加时间:2020-09-11 15:39

水利论文:探讨常用注水试验的过程及成果差异性产生的原因
  摘    要: 结合工程实践对比分析常用注水试验的过程及成果,探讨其差异性产生的原因,以最终合理确定均质土堤堤身的渗透性参数,土坝渗透性参数亦可类比确定。
 

  关键词: 均质土堤; 注水试验; 渗透系数;

  1. 引言

  堤防中均质土堤的结构形式最为简单,在粘性土料丰富的地区应用也最为广泛。在新建堤防设计及已建堤防的除险加固设计中,该类土堤堤身渗透系数是进行渗流和渗透稳定计算的关键性参数,但通过各类试验方法提出该参数后,其代表性及真实性往往存在较大争议,现结合工程实践对比分析常用注水试验的过程及成果。试验背景:肇庆市某段土堤位于花岗岩地区,需加固的堤长约3.2km,堤顶宽度一般3.0~3.5m,堤顶多为土路,局部为砂石路及水泥路,堤高4.5~5.0m。堤身填土主要以硬可塑状砂质粘土为主,堤身局部为粘土夹碎石,土堤与下部粘土质细砂及粘土层共同构成迎水面岸坡。该土堤存在多处蚁害,且局部段洪水期发生堤身渗漏,堤后坡有多处渗漏点。根据现有水利行业规程规范,为了获得该段土堤堤身渗透性参数,各试验点位均同时采用了现场钻孔注水试验、试坑注水试验及室内渗透试验等三种方法。

  2. 试验设定

  为了注水试验在一定的堤身深度下进行,并查明堤身土层结构及可能存在的生物洞穴及裂缝分布情况,且双环注水法的渗入深度也需采用挖坑法确定,因此全部试验点位均布置了探坑。为了统一试验环境,探坑均设置在终孔后的钻孔孔位旁,且探坑深度H接近钻孔降水头试验点深度h,各试验方法的设定如下:

  (1)试坑注水试验:粘性土堤身毛细力作用一般较大,单环注水法虽然程序较为简单耗时短,但测得的渗透系数误差较大,因此选用双环注水法更为合适。为了增加垂向渗流面面积,试环选50cm较大直径的尺寸。该法用下列公式计算渗透系数值:

  式中:K—渗透系数(cm/s);Q—内环的注入流量(L/min);F—内环的底面积(cm2);H—试验水头(cm);Ha—试验土层的毛细上升高度(cm);z—从试坑底算起的渗入深度(cm)。

  (2)钻孔注水试验:堤身为渗透性较小的粘性土,常水头注水试验不适用,大部分堤身均位于水位以上,试验区域均可视为在包气带内,宜采用降水头注水试验方法,其计算公式如下:

  式中:K—试验土层的平均有效渗透系数(cm/m in);r—注水管内半径(cm);t1、t2—观测时间(min);H1、H2—当t=t1、t=t2时从孔底算起的管内水柱高度(cm);Sr—试验土层的最终饱和度;n—试验土层的孔隙度。

  (3)室内渗透试验:堤身为细粒土,宜采用变水头试验。试验的试样来源于试坑的坑壁及坑底,其计算公式如下:

  式中:a—变水头管截面积(cm2);L—渗径(cm);h1、h2—开始、终止时水头(cm);A—试样的断面积(cm2)。

 

  3. 试验成果对比

  由于各点进行的三种注水试验土层基本一致,且各试验间先后进行互不干扰,试验成果具可比性。由表1中数据可得出,大部分试验均有K1(试坑双环注水试验)>K2(钻孔降注水试验)>K3(侧壁样室内变水头试验)>K4(坑底样室内变水头试验)的规律;从试验成果平均值来具体看,各数值比例K1:K2:K3:K4=30:6:4.5:1,但具体到某一试验点,各渗透系数值对比后的比例及大小顺序可能发生一定变化。

  一定差距,其中试坑注水试验成果远大于室内试验成果,但钻孔注水试验成果略大于室内试验成果,分析差距产生的原因为:试坑注水试验所用试环内径为49.6cm,钻孔注水试验套管内径为11.8cm,室内变水头试验所用环刀内径为6.18cm,对应试验土层截面积分别为:1932cm2、109cm2、30cm2;可见试坑注水法的试验土层截面积远大于其他试验方法,且现场试环内见土中细微裂隙分布,局部存在裂隙宽度大于2mm,试验土层截面积大更有利于还原试验土层结构及其存在的裂隙,而环刀取样截面上大多只有少量裂隙,钻孔内套管底面情况类似,此时试验条件的尺寸效应影响将会变得很大,若截面积较小可能导致试验成果严重偏小。室内侧壁样的渗透系数值有一

  表1 三种注水试验成果对比表
表1 三种注水试验成果对比表

  室内侧壁样的渗透系数值有一半数据大于室内坑底样,最大是后者的22倍,另外一半两者间数据基本持平。侧壁样成果可视为堤身的水平渗透系数,坑底样成果可视为堤身的垂直渗透系数,该表反映了堤身K水平>K垂直,与相关研究相符。这进一步验证了土堤组成存在分层现象,探坑揭示取料均一性一般,有砂质粘土、粘土夹碎石、含碎石粘土、且局部含中等透水的粘土质细砂层(分布在T6、T10)。

  在T1、T5、T6、T8、T11试验点附近,洪水期土堤曾出现渗漏现象,试坑注水试验渗透系数值在2.61×10-4~2.89×10-3cm/s,属于中等透水,且T8及T11探坑中发现蚁穴,蚁穴分布较频繁,仅K1+580~K1+880范围就发现16处蚁穴。试坑试验成果和探坑揭露情况均与历史险情一致,但室内试验所反映的土层透水性均为弱透水,其代表性较差。

  4. 结论

  通过以上分析比较可知,试坑双环注水试验明显优于其他注水试验方法,由于试验中在内环和内外环之间同时注水,内外环之间为三维流,内环近似为平行流,其成果可视为土堤的垂直渗透系数,但土堤及土坝渗透性评价主要取决于水平渗透系数,结合有关资料结论K水平:K垂直=3,堤坝渗透系数可取K1的3倍左右。另外,无论单环法还是双环法,都要求试验土层是均质各向同性的,若试验土层是互层或存在夹层,试验成果将出现较大误差,因此选用该法宜提前通过探坑揭示堤身土层,尽量避免在分层中进行试验。

  参考文献

  [1]中华人民共和国水利部.SL345-2007水利水电工程注水试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,2008.
  [2] 中华人民共和国水利部.SL237-1999土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.
  [3]姜顺龙,邱晓亮.土石坝防渗心墙料渗透系数测试方法对比研究[J].人民长江,2015(8).
  [4]李朝政,张永全,沈蓉.心墙防渗土料原位渗透与室内渗透试验对比研究[J].水利与建筑工程学报,2015,13(4):178-182.
  [5]韦港,闫宇.关于注水试验不适合均质土坝坝体渗透性测试的讨论[J].水利水电科技进展,2009,29(4):18-20.

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