水力学论文
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
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
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