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含水层渗透系数快速测定
2011-07-26
探讨介绍一种量测弱含水层渗透系数的快速测定方法。同常规提水方法相比,具有量测水位准确、连续,只需 一次提水,能大量节省人力物力,缩短了勘测周期,同时避免了地面变形及造成的地面环境污染。
总 第 97 期 004 年 第 6 期 西 部 探 矿 工 程 series No. 97 WEST - CHINA EXPLORATION EN GINEERIN G June. 2004   2 文 章 编 号 :1004 — 5716 (2004) 06 — 0054 — 02 中 图 分 类 号 : TV641 文 献 标 识 码 :B 含 水 层 渗 透 系 数 快 速 测 定 陈 永 生 铁 道 第 三 勘 察 设 计 院 ,天 津 300142) ( 摘 要 :探 讨 介 绍 一 种 量 测 弱 含 水 层 渗 透 系 数 的 快 速 测 定 方 法 。 同 常 规 提 水 方 法 相 比 ,具 有 量 测 水 位 准 确 、连 续 ,只 需 一 次 提 水 ,能 大 量 节 省 人 力 物 力 ,缩 短 了 勘 测 周 期 ,同 时 避 免 了 地 面 变 形 及 造 成 的 地 面 环 境 污 染 。 关 键 词 :渗 透 系 数 ;快 速 ;测 定   在 工 程 当 中 ,弱 含 水 地 层 常 常 做 为 岩 土 工 程 建 筑 的 地 基 或 大 的 误 差 。 结 合 工 程 勘 察 现 状 ,开 发 和 发 展 工 程 岩 土 中 含 水 层 地 下 水 更 为 可 靠 便 捷 的 测 试 手 段 ,就 显 得 更 具 有 现 实 性 和 实 用 性 , 本 文 就 是 基 于 以 上 分 析 而 进 行 的 一 种 渗 透 系 数 快 速 测 试 方 法 。 1   快 速 试 验 计 算 模 型 围 岩 ,其 含 水 性 及 渗 透 性 对 建 筑 物 有 着 很 大 影 响 ,如 果 勘 察 治 理 不 当 ,极 易 形 成 诸 如 严 寒 地 区 隧 道 冻 涨 、斜 坡 地 段 路 基 翻 浆 冒 泥 、 膨 胀 土 路 基 陷 槽 、地 基 土 饱 水 而 导 致 地 道 、立 交 桥 、建 筑 物 下 沉 开 裂 等 多 种 病 害 。 因 此 ,对 相 应 地 基 土 的 渗 透 性 做 出 正 确 评 价 ,尤 其 是 渗 透 系 数 的 准 确 测 定 就 显 得 尤 为 重 要 ,同 时 也 是 各 类 地 基 工 程 采 用 何 种 防 水 、排 水 措 施 的 重 要 依 据 ,从 而 确 保 各 类 建 筑 物 的 安 全 使 用 。 快 速 试 验 方 法 是 以 泰 斯 公 式 为 基 础 ,采 用 简 化 条 件 为 计 算 模 型 ,同 时 也 充 分 利 用 W(u) - u 曲 线 中 的 直 线 部 分 ,尤 其 在 试 验 初 期 。 岩 性 和 试 验 条 件 变 化 ,观 测 时 间 推 移 ,曲 线 相 互 分 离 ,这 是 由 泰 斯 公 式 的 理 论 分 析 和 实 践 所 决 定 的 ,也 是 开 发 快 速 试 验 的 理 论 基 础 。 长 期 以 来 ,工 程 勘 察 中 测 定 地 层 的 渗 透 系 数 主 要 采 用 给 水 工 程 中 的 试 验 方 法 ,以 稳 定 流 为 基 本 试 验 手 段 。 而 供 水 水 源 地 的 含 水 层 大 多 富 水 含 地 下 水 ,流 量 稳 定 ,渗 透 系 数 大 ,通 常 将 地 下 水 作 为 可 利 用 资 源 对 待 ,对 其 涌 水 量 的 勘 察 、计 算 有 相 对 完 善 的 方 法 。 而 工 程 建 筑 一 般 将 地 下 水 视 为 有 害 物 进 行 排 除 或 堵 截 ,测 定 其 渗 透 系 数 由 于 采 用 供 水 水 源 地 的 勘 察 方 法 ,往 往 容 易 形 成 较 本 试 验 所 建 立 的 方 法 ,来 源 于 非 稳 定 流 理 论 ,是 建 立 在 拉 普 拉 斯 方 程 的 另 一 特 解 基 础 上 的 。 本 试 验 利 用 “δ ”函 数 和 镜 象 原 理 、误 差 分 析 等 理 论 建 立 起 来 ,与 泰 斯 方 程 初 期 的 线 性 理 论 相 似 , 可 以 说 是 泰 斯 方 程 式 的 推 广 和 实 际 应 用 。 本 试 验 采 用 的 计 算 模 型 是 瞬 态 方 程 :   ③ 钢 筋 笼 制 作 :主 筋 采 用 电 焊 机 同 心 双 面 搭 接 焊 ,搭 接 长 度 符 合 要 求 ,搭 接 点 相 互 错 位 。 压 灌 混 凝 土 :搅 拌 混 凝 土 并 用 高 压 砼 输 送 泵 通 过 导 管 、钻 (2) 钢 筋 笼 下 不 到 位 :采 用 边 转 边 用 平 板 振 动 器 在 笼 顶 进 行 振 捣 。 ④ 4. 6 桩 基 检 测 效 果 具 压 灌 到 孔 内 ,孔 底 压 灌 压 力 应 > 5MPa ,以 保 证 孔 底 虚 土 被 压 实 ,其 它 桩 身 部 位 压 灌 压 力 为 3~ 4 MPa ,且 缓 慢 上 拔 钻 具 ,应 始 终 保 持 钻 头 在 砼 面 1m 以 下 ,防 止 缩 径 、断 桩 等 质 量 事 故 发 生 ,为 确 保 桩 头 质 量 应 超 灌 1. 0m 左 右 ,钻 头 提 到 孔 口 时 ,应 适 当 埋 入 一 定 深 度 ,确 保 桩 头 部 位 的 桩 径 达 到 设 计 要 求 ,待 新 鲜 砼 溢 出 时 方 可 提 出 钻 具 。 工 程 结 束 后 ,进 行 小 应 变 随 机 抽 检 ,桩 身 质 量 完 好 。 单 桩 静 载 荷 试 验 加 载 至 设 计 标 准 承 载 力 的 1. 5 倍 左 右 ,单 桩 沉 降 量 均 < 30mm。 5   结 束 语 (1) 螺 旋 钻 孔 压 灌 混 凝 土 施 工 工 艺 ,在 沈 阳 地 区 应 用 取 得 了 较 好 的 效 果 ,具 有 推 广 应 用 的 价 值 。 ⑤ 下 入 钢 筋 笼 :压 灌 砼 后 ,将 孔 口 周 围 的 泥 土 清 除 干 净 ,用 副 (2) 工 艺 要 求 如 孔 底 提 钻 时 间 、高 度 、泵 送 过 程 中 提 钻 速 度 , 混 凝 土 配 制 管 需 要 在 生 产 实 践 中 不 断 总 结 。 (3) 钻 头“ 活 门 ”形 式 、位 置 还 应 进 一 步 研 究 分 析 。 (4) 桩 长 和 桩 端 持 力 层 是 保 证 单 桩 承 载 力 的 关 键 ,要 严 格 按 设 计 要 求 施 工 。 卷 扬 将 钢 筋 笼 吊 起 直 立 于 孔 口 ,扶 正 居 孔 中 心 迅 速 下 入 孔 内 ,扶 笼 时 应 有 专 人 指 挥 且 不 可 倾 斜 、插 帮 ,边 压 边 转 动 压 入 孔 内 ,直 至 设 计 深 度 。 当 钢 筋 笼 因 种 种 原 因 不 能 下 到 设 计 深 度 时 ,可 采 用 平 板 震 动 器 边 震 边 压 入 孔 内 ,达 到 设 计 深 度 。 4 . 4 主 要 施 工 设 备 (5) 由 于 泵 压 混 凝 土 可 提 高 承 载 力 (与 螺 旋 钻 进 成 孔 后 灌 注 混 凝 土 相 比 ) 30 %以 上 ,在 相 同 条 件 下 可 减 小 桩 径 ,降 低 工 程 造 价 。 步 履 式 250 长 螺 旋 钻 机 ;混 凝 土 输 送 泵 ;强 制 式 搅 拌 机 。 . 5 施 工 中 遇 到 的 主 要 问 题 及 解 决 方 法 4 ( 1) 串 笼 现 象 :施 工 中 发 生 相 邻 桩 未 凝 固 的 砼 面 下 降 ,同 时 参 考 文 献 : [ 1 ]建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 ( GB50007 - 2002) [ S]. 北 京 :中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ,2002. 带 动 钢 筋 笼 下 沉 。 为 防 止 此 类 问 题 的 发 生 ,进 行 跳 打 ,在 混 凝 土 初 凝 后 再 施 工 其 相 邻 的 桩 。 并 采 用 铁 线 在 孔 口 将 钢 筋 笼 固 定 。 2 004 年 陈 永 生 :含 水 层 渗 透 系 数 快 速 测 定 5 5 第 6 期 2 V 1 exp ( r (5) 压 力 传 导 系 数 a。 表 示 水 位 变 化 传 播 的 速 度 ,反 映 各 种 含 水 层 水 力 滞 后 的 现 象 ,是 含 水 层 压 力 传 递 的 时 间 效 应 ,由 给 水 度 与 导 水 系 数 决 定 其 数 值 。   S = 4 π km t 4at) 即 瞬 间 失 水 在 渗 流 场 内 形 成 的 时 间 、降 深 分 布 ,形 成 计 算 系 列 ,设 计 各 种 试 验 方 法 计 算 地 基 参 数 。 泰 斯 理 论 参 数 计 算 特 点 : a = TS 1 . 1 井 函 数 分 析 根 据 分 析 ,在 含 水 层 中 ,a = 200~ 0. 25 n - u 2 W(u) = - 0. 577216 - Lnu + ( - 1) e 1. 3 最 小 试 验 时 间 分 析 2 由 + ⋯ ⋯ 所 表 达 的 函 Nn ! 由 u = 4rat知 ,试 验 参 数 决 定 时 间 的 长 短 ,即 达 到 某 一 精 度 ,可 数 曲 线 和 非 稳 定 流 简 化 条 件 分 析 知 ,在 u = 4rat ≤ 0. 02 时 ,其 S - 以 结 束 观 测 。 W(u) 曲 线 在 初 始 部 分 为 直 线 段 ,与 井 的 完 整 性 无 关 或 不 明 显 。 若 K = 0. 1~ 0. 01 ,m = 4~ 10m ,r = 0. 05~ 0. 075 ,s = 0. 16~ 拐 点 以 后 ,曲 线 随 时 间 延 长 ,后 期 稳 定 部 位 极 为 相 似 ,且 均 较 接 0 0 . 005 ,u ≤ 0. 01 时 2 2 近 。 在 较 短 的 观 测 时 间 及 小 孔 径 的 条 件 下 ,u = 4rat = 0. 01 即 → e u 则 由 u = 4rat ≤ 0. 01 计 算 出 观 测 时 间 的 范 围 为 0. 0003125~ 2 1 极 易 达 到 。 当 长 期 观 测 时 ,u = 4rat → 0 ,即 e = 1 时 ,W (u) 很 u . 5625 天 ,即 27~ 48600s。 → 当 精 度 较 低 ,u 为 较 大 值 时 ,则 观 测 时 间 较 短 ,试 验 时 间 加 快 稳 定 。 根 据 数 学 分 析 、误 差 理 论 可 知 ,井 函 数 W(u) 所 代 表 的 级 数 前 n 项 之 和 小 于 第 n 项 ,即 (n + 1) 项 后 各 项 之 和 小 于 第 n 项 值 ,据 此 ,可 计 算 出 各 种 条 件 下 所 需 的 精 度 。 即 满 足 某 一 精 度 下 , 可 计 算 出 所 需 要 的 最 小 观 测 时 间 及 对 钻 孔 结 构 的 要 求 。 快 。 随 着 含 水 层 渗 透 性 的 降 低 ,压 力 传 导 系 数 变 小 ,满 足 u ≤ 0. 01 的 时 间 将 增 长 。 很 明 显 ,对 于 快 速 测 试 来 说 ,观 测 时 间 长 则 试 验 精 度 增 高 。 2 快 速 试 验 方 法 与 常 规 试 验 方 法 比 较 (见 表 1) 1 . 2 参 数 分 析 在 泰 斯 公 式 表 1 快 速 试 验 方 法 与 常 规 试 验 方 法 比 较 u∞ e- u Q Q S = 4 π T ∫ u du = 4π TW(u) 常 规 试 验 方 法 快 速 试 验 方 法 所 表 示 的 井 函 数 中 ,W(u) 是 一 个 指 数 积 分 函 数 ,可 用 一 个 无 钻 孔 直 径 ≥ 73mm,含 水 层 松 散 易 塌 地 段 应 下 滤 管 钻 孔 直 径 应 >108mm,含 水 层 松 散 易 塌 地 段 应 下 滤 管 钻 孔 要 求 使 用 设 备 穷 交 错 级 数 表 达 式 代 替 ,以 便 于 进 行 数 值 计 算 。 在 实 际 应 用 中 则 取 决 于 工 程 目 的 ,其 级 数 的 表 达 式 为 有 限 个 ,由 u 所 取 值 控 制 。 提 水 筒 一 般 比 孔 径 小 1~ 2 级 , 提 水 筒 一 般 比 孔 径 小 2~ 3 级 ,用 用 测 钟 测 量 水 位 水 位 仪 测 量 水 位 2 r 测 量 前 要 求 水 位 稳 定 ,不 需 要 形 成 降 落 漏 斗 ,只 需 快 速 提 取 一 筒 水 , 动 水 位 测 量 精 度 误 差 要 求 变 量 u = 4at中 的 各 项 参 数 大 小 ,均 可 决 定 u 达 到 某 数 值 的 速 度 。 测 量 前 要 求 水 位 稳 定 ,设 计 2~ 技 术 要 求 3次 降 深 ,水 位 降 深 应 > 0. 5m, 动 水 位 测 量 的 允 许 误 差 为 0. 1m u 是 一 个 复 合 函 数 ,变 量 t 在 实 际 应 用 时 由 给 定 精 度 值 和 各 参 数 < 0. 01m 大 小 来 决 定 。 试 验 时 间 2 天 左 右 1h以 内 ( γ 2 = (0. 05) ~ (0. 075) 。 1) 钻 孔 直 径 d。 在 工 程 勘 察 中 ,d = 0. 100~ 0. 150m ,计 算 中 根 据 不 同 地 层 ,钻 孔 结 构 采 用 不 同 计 算 公 式 结 合 钻 孔 结 构 及 化 验 报 告 确 定 含 水 层 厚 度 ,代 入 公 式 计 算 资 料 整 理 2 2 ( 2) 含 水 层 厚 度 m。 在 承 压 水 中 为 含 水 层 的 全 部 厚 度 。 在 潜   (1) 由 于 采 用 一 次 提 水 ,降 深 与 含 水 层 厚 度 相 比 为 一 小 值 ,在 快 速 试 验 中 ,可 按 承 压 含 水 层 考 虑 ; 2) 由 于 瞬 时 ,试 验 时 间 与 整 个 含 水 层 呈 稳 定 流 态 时 间 相 比 , 水 中 为 潜 水 面 下 含 水 层 的 全 部 厚 度 ,或 者 为 饱 和 含 水 层 的 厚 度 。 一 般 工 程 中 常 为 4~ 10m ; ( ( 3) 导 水 系 数 T。 表 示 单 位 宽 度 含 水 层 的 透 水 能 力 ,即 单 位 还 是 短 暂 的 ,所 以 影 响 降 深 的 含 水 层 就 是 渗 透 性 较 好 的 地 层 ,这 有 利 于 评 价 含 水 层 的 渗 透 性 和 简 化 渗 透 性 试 验 ; 水 力 梯 度 下 含 水 层 厚 度 内 渗 流 的 大 小 ,其 数 值 为 T = Km ,在 弱 含 水 层 中 由 于 K = 0. 1 ~ 0. 01 ,常 用 工 程 围 岩 厚 度 内 T = 1 ~ ( 3) 水 位 变 化 过 程 的 时 间 与 水 力 坡 度 出 现 最 大 (最 大 降 深 ) 时 刻 的 计 算 匹 配 ,提 水 器 离 开 液 面 ,低 水 位 出 现 的 时 刻 为 计 算 起 点 ; 4) 数 据 处 理 采 用 回 归 方 法 ,因 此 初 始 水 位 的 计 算 点 不 会 影 响 直 线 斜 率 和 渗 透 系 数 的 计 算 ,只 影 响 曲 线 过 原 点 的 吻 合 度 。 结 论 通 过 近 几 年 在 天 津 、北 京 、辽 宁 、深 圳 等 地 大 量 的 铁 路 、公 路 、 2 0 . 04m / 天 ; ( 4) 给 水 度 s。 单 位 体 积 含 水 层 释 放 出 的 水 体 比 值 ,对 于 潜 水 ( 来 说 ,是 释 放 重 力 水 的 能 力 ,为 饱 和 水 容 度 与 最 大 分 子 水 容 度 之 差 ;对 于 承 压 水 体 ,可 由 水 体 膨 胀 ,岩 体 的 压 缩 形 成 ,由 势 能 运 动 、 扩 散 原 理 或 重 力 疏 干 引 起 。 也 是 提 供 出 水 量 的 一 个 指 标 ,由 试 验 实 测 而 来 。 一 般 说 ,潜 水 的 给 水 度 远 大 于 承 压 水 的 给 水 度 ,甚 至 可 达 到 几 个 数 量 级 。 根 据 资 料 ,其 经 验 数 据 是 :细 砂 0. 102~ 0. 3 地 铁 以 及 工 民 建 的 试 验 ,结 果 表 明 ,用 本 方 法 测 定 渗 透 系 数 快 速 、 便 捷 ,由 于 不 需 要 形 成 降 落 漏 斗 ,所 以 即 可 以 减 轻 大 量 的 体 力 劳 动 又 可 避 免 因 大 量 提 取 地 下 水 而 导 致 的 地 面 变 形 及 环 境 污 染 . 通 过 工 程 开 挖 ,结 果 表 明 本 方 法 得 出 的 结 果 与 实 际 情 况 较 吻 合 ,尤 其 是 渗 透 系 数 为 0. 01~ 0. 1m/ 天 的 粘 性 土 地 层 准 确 性 更 高 ,对 渗 透 系 数 > 0. 1m/ 天 的 地 层 应 结 合 地 层 及 钻 孔 结 构 对 含 水 层 厚 度 进 行 适 当 的 修 正 ,效 果 会 更 好 。 1 8 ,粗 砂 0. 10~ 0. 16 ,亚 粘 土 0. 10~ 0. 12 ,粘 土 0. 04~ 0. 07 ,亚 砂 土 0. 12~ 0. 14 ,泥 岩 0. 02~ 0. 05 ,粘 质 砂 岩 0. 02~ 0. 03 ,强 裂 隙 岩 0. 1~ 0. 002 ,裂 隙 砂 岩 0. 002~ 0. 0002 ,强 岩 溶 0. 15~ 0. 05 ,岩 溶 0. 05~ 0. 01 ,弱 岩 溶 0. 1~ 0. 005。 颗 粒 细 ,裂 隙 小 ,其 值 也 小 。 在 弱 含 水 层 中 ,S = 0. 16~ 0. 005。
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