工程实例——压水试验

某水闸第四系松散堆积含水层压水试验原始数据及相关参数计算见以下图、表。

1.1.4.3　注水（渗水）试验

1.钻孔注水（渗水）试验

钻孔注水（渗水）试验是野外测定岩（土）层渗透性的一种比较简单的方法，其原理与抽水试验相似，仅以注水代替抽水。

钻孔注水试验通常用于：①地下水位埋藏较深，而不便于进行抽水试验；②在干的透水岩（土）层，常使用注水试验获得渗透性资料。

钻孔注水试验包括常水头法渗透试验和变水头法渗透试验。常水头法适用于砂、砾石、卵石等强透水地层；变水头法适用于粉砂、粉土、黏性土等弱透水地层。变水头法又可分为升水头法和降水头法。

注水试验装置示意见图1.18。

（1）钻孔常水头注水试验。钻孔常水头注水试验是在钻孔内进行的，在试验过程中水头保持不变。根据试验的边界条件，分为孔底进水和孔壁与孔底同时进水两种。钻孔常水头注水试验步骤如下：

1）造孔与试段隔离。用钻机造孔，按预定深度下套管，如遇地下水位时，应采用清水钻进，孔底沉淀物厚度不得大于5cm，同时要防止试验土层被扰动。钻至预定深度后，采用栓塞或套管塞进行试段隔离，确保套管下部与孔壁之间不漏水，以保证试验的准确性。对孔底进水的试段，用套管塞进行隔离，对孔壁孔底同时进水的试段，除采用栓塞隔离试段外，还要根据试验土层种类，决定是否下人护壁花管，以防孔壁坍塌。

2）流量观测及结束标准。试段隔离以后，用带流量计的注水管或量桶向套管内注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度（或至管口）并保持固定，测定试验水头值。保持试验水头不变，观测注入流量。开始按1min、2min、2min、5min、5min，以后均按5min间隔记录一次流量，并绘制Q－t曲线。直到最终的测读流量与最后两个小时内的平均流量之差不大于10%时，即可结束试验。

（2）饱和带钻孔降水头注水试验。钻孔降水头与钻孔常水头注水试验的主要区别是，在试验过程中，试验水头逐渐下降，最后趋近于零。根据套管内试验水头下降速度与时间的关系，计算试验土层的渗透系数。它主要适用于渗透系数比较小的黏性土层，其饱和带钻孔降水头注水试验步骤如下：

1）试验设备、钻孔要求与钻孔常水头方法相同。

2）流量观测及结束标准：试段隔离后，向套管内注入清水，使管中水位高出地下水位一定高度（或至套管顶部）后，停止供水，开始记录管内水头高度随时间的变化，直至水位基本稳定。间隔时间按地层渗透性确定，一般按1min、2min、2min、5min、5min，以后均按5min间隔记录一次，并绘制流量ln H与时间t关系曲线。最后根据水头下降速度，一般可按30～60min间隔进行，对较强透水层，观测时间可适当缩短。在现场，采用半对数坐标纸绘制水头下降比与时间的关系曲线，当水与时间关系曲线呈直线时说明试验正确，即可结束试验。

2.试坑注水（渗水）试验

试坑渗水试验是野外测定包气带非饱和岩（土）层渗透系数的简易方法，最常用的有试坑法、单环法和双环法，具体见表1.20。

（1）试坑法。试坑法是在表层土中挖一试坑进行试验。坑深30～50cm，坑底面积30cm见方（或直径为37.75cm的圆形）。坑底离潜水位3～5m。坑底铺设2cm厚的砂砾石层。试验开始时，控制流量连续均衡，并保持坑中水层厚（z）为常数值（厚10cm）。当注入水量达到稳定并延续2～4h，一试验即可结束。当试验岩层为粗砂、砂砾或卵石层，可控制坑内水层的厚度为z＝2～5cm。

上两式中　Q——稳定的入渗流量，cm3/min；

F——试坑的渗水面积，cm2；

Hk——毛细压力水头，cm，其值可参见表1.21确定；

L——试验结束时水的入渗深度，cm，可由实验结束后利用麻花钻（或其他钻具）探测确定；

K——渗透系数，cm/min。

（2）单环法。单环法是在试坑底嵌入一高为20cm，直径为37.75cm的铁环，该铁环圈定的面积为1000cm2。在试验开始时，用Mariotte瓶控制铁环内水层厚度，使之保持在10cm高度附近。试验一直进行到渗入水量Q固定不变时为止，如图1.19所示，就可按式（1.14）计算此时的渗透速度V：

式中　V——渗透速度，cm/min，此时等于该岩（土）层的渗透系数K；

F——入渗面积，cm2；

Q——渗入水量，cm3/min。

此外，尚可通过系统地记录各个时间段（如30min）内的渗水量，据此编绘出渗透速度的历时曲线图。如图1.20所示。

由图1.20可见，渗透速度随时间延长而逐渐减小，并趋向于常数（呈水平线），此时的渗透速度即为所求的渗透系数K值。

（3）双环法。双环法是在试坑底嵌入两个铁环，外环直径采用0.5m，内环直径采用0.25m。试验时往铁环内注水，用Mariotte瓶控制外环和内环的水柱一直保持在同一高度（如10cm）。根据内环所取得的资料按上述方法确定岩（土）层的渗透系数。由于内环中的水只产生垂向渗入，已排除了侧向渗流带的误差，因此该法获得的成果精度比试坑法和单环法都高。

3.其他试验方法

（1）地下水流向和实际流速的测定。测定地下水的实际流速，主要是为了确定地下水的补给方向和强弱径流带的位置，有时还可根据地下水的实际流速来计算地下水流过水断面的流量。在某些强富水层中测定地下水的实际流速，还可以用于判别地下水的运动性质（层流或紊流）。

测定地下水的实际流速有指示剂法和物探方法两种类型。这里仅介绍指示剂法。指示剂法又有多孔示踪法和单孔示踪法。

1）多孔示踪法。欲测定地下水的流速，首先要确定地下水流向。当有等水位线图时，可根据等水位线图来确定。否则应在试验地段布置3个钻孔，揭露地下水，测量各孔水位标高，即可确定地下水流向（图1.21）。

流向被确定后，即可沿地下水的流向布置2个钻孔，上游为投试剂孔，下游为观测孔。为了防止指示剂绕过观测孔，可在观测孔两侧0.5～1.0m处各布置一个辅助观测孔。投剂孔与观测孔之间的距离大小，取决于含水层的透水性，一般细砂为2.5m，粗砂砾石为5～10m。透水性很强的裂隙岩层为10～15m。

所投指示剂的类型及方法，可参考表1.22。

最后根据试验观测资料，绘制出观测孔内指示剂随时间的变化曲线（图1.22）。

一般情况下可选用指示剂浓度（含量）的最大值A点的出现的时间来计算流速，此时所求得的流速为地下水的实际平均流速。如以指示剂在观测孔中刚出现的时间计算，所求得的流速则为最大流速。地下水的实际流速计算式为：

式中　μ——地下水的实际流速，m/h；

L——试验孔到观测孔的距离，m；

ΔT——指示剂从试验孔到观测孔所需的时间，h。

2）单孔示踪法。单井同位素示踪法是指把放射性示踪剂投入到钻孔或测试井中，再用放射性探测器测定该点地下水流向和流速。常用的示踪剂为以NaI为载体的131I放射性同位素（半衰期为8.07天），它能释放γ和β射线。

a.流向测定的原理：当把放射性示踪剂注入到井内待测的深度，随着地下水的天然流动，示踪剂浓度在水流的上下游会产生差异，表现为不同方向的放射性强度产生变化，用流向探测器测得各方向放射性的强度，并将数据传输给地面的计算机。所测强度最大值与最小值方向的连线即为地下水动态流向，强度最大方向即为下游方向。

b.流速测定的原理：同位素单孔稀释法测定地下水流速是采用微量的放射性同位素131I标记滤水管中的水柱，标记的地下水柱被流经滤水管的水稀释而浓度淡化，其稀释的速率和地下水渗透速度之间满足式（1.16）：

式中　Vf——地下水的渗流速度，m/d；

r1——滤管的内半径，mm；

N0——同位素的初始浓度（t＝0时）计数率；

N——t时刻同位素的浓度计数率；

α——流场畸变校正系数；

β——校正系数；

V——测量水柱的体积，m3；

VT——探头的体积，m3。

根据计算机在不同时刻t采集的计数率N，采用最小二乘法回归，即可计算出地下水的渗透速度。

流场畸变校正系数是由于透水层中钻孔的存在而引起在滤水管的附近地下水流场发生畸变而引入的一个参变量。其物理意义是：地下水进入或流出滤水管的两边线，在距离滤水管足够远处，二者平行时的间距与滤水管直径之比。对于不放置滤水管、不填砾料的基岩裸孔，一般取α＝2。单孔稀释法在实际应用中的关键是对α的确定。对于只有滤水管而没有填料的试验井，其值可以用式（1.18）来确定（Ogilivi，1958）：

式中　K1——滤水管的渗透系数；

K3——含水层的渗透系数；

r1——滤水管的内半径；

r2——滤水管的外半径。

当采用只有滤水管而没有填料的井孔时，也可选用经验式（1.19）进行近似估计：

式中　n——滤网的空隙率，%；

Vf——地下水的渗流速度，m/d。

（2）连通试验。连通试验是用来查明岩溶地区：①地下水运动的方向、速度；②地下河系的连通延展、分布情况；③地表水与岩溶水转化关系；④各孤立岩溶水点之间的关系。连通试验必须在地质调查的基础上，在地质依据已确认有连通性的地段进行。

连通试验的方法可分为两类：水位传递法和指示剂法。其具体的方法选择取决于岩溶通道的形状特征、贯通情况、流量大小、流速快慢以及试验段长度等条件。现将几种常用的方法简单介绍如下。

1）水位传速法：该法利用岩溶的天然通道或钻孔，进行闸水、放水、堵水、抽水或注水，观察上下游通道及钻孔内水位、水量、水色的变化，以判断其连通性。

2）指示剂法：其具体方法很多，最常用的为浮标法。它是根据地下水的流速、流态、流途长短等因素分别用谷糠、锯木屑、油料、黄泥水等做指示剂，观测其连通的情况。另外，还可投放食盐、荧光素、天然放射性等剂料来测试。观测方法与一般地下水流速试验的相同。

3）对于无水溶洞之间的连通性，还可选用烟熏、放烟幕弹或灌水等方法测定。