赵小龙 ，陈 亮 ，季纯波 ，黄德文 ，丁小闯

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程研究所，江苏南京210098)

1 研究现状

渗透系数的原位测定方法在国内主要采用钻孔抽水试验、注水试验和压水试验，并且都形成相应的规程，相对比较成熟，但这些原位试验往往耗费大量的人力、物力和时间，而国外已经有50多年发展历史的微水冲击试验能够很好地解决这个问题，并且有专著系统介绍了冲击试验测量设备发展的历史以及各种地层和条件下渗透参数的估算方法，近年来国内关于微水冲击试验的研究开始逐渐增多，且这方面的论文和应用研究报告大量涌现，微水冲击试验在国内也得到了显著的发展[1]。

针对裂隙粘土渗透系数测定的研究，徐连锋[2]等人采用水位恢复试验、钻孔注水试验方法，并进行了室内原状土和重塑土渗透性的研究，指出裂隙粘土具有强透水性的原因。欧钊元[3]等人通过抽水试验、注水试验来研究裂隙粘土的渗透特性。他们都是采用两种原位试验方法进行试验，再把不同方法得到的结果综合起来获得的范围值和平均值作为该粘土的渗透系数指标，没有分析现场不同实验方法获得结果差异的原因。在进行室内试验时，只是为了比较原状土样和重塑土样得到试验结果的大小，没有对裂隙粘土的渗透系数敏感性给出评定。

针对前人试验方法的局限性，文中采用多种原位试验方法来获得结构性粘土的渗透系数，对不同试验方法得到的结果之间的差别进行分析，并指出准确获得裂隙粘土渗透系数的最优原位试验方法，对工程实践具有指导意义。又通过对比不同扰动情况裂隙粘土渗透系数的结果，给出评价裂隙粘土渗透系数敏感性的指标，为增强裂隙粘土抗渗能力提供理论价值和实用价值。

2 试验介绍

这次试验分为原位试验和室内试验两种，室内试验采用变水头法测定裂隙粘土的渗透系数，原位试验主要采用钻孔抽水试验、水位恢复试验、微水冲击试验等方法。变水头法的应用极为普遍，在此不作介绍。在原位试验中，除了微水冲击试验外，其他的原位测试技术应用较为广泛，这里只叙述原理。

微水冲击试验是通过钻孔瞬时注入少量的水并观测注水后钻井内的水位随时间变化的规律，从而得出含水层水文参数的方法。图1为潜水面微水冲击试验示意图，操作时通过瞬时注水使钻孔内水位增加H(0)，并以较高频率测量注水后钻孔内的水位H(t)，根据水位响应曲线得到含水层水文参数。图2为微水冲击试验装置示意图。

图1 潜水面微水冲击试验示意图

图2 微水冲击试验装置示意图

对于本次工程中，采用Bouwer and Rice[4]潜水含水层模型的简化形式，其假设条件为:含水层为潜水层，均质各向异性，忽略含水介质的蓄水效应，其模型表达式如下:

式中:h为含水层的水头降深；Kr为径向渗透系数；Kz为垂向渗透系数；b为含水层厚度；d为水位与滤管之间的距离；H(t)为t时刻测井的水头降深；H0为测井内初始水头降深；rw为有效滤管半径；rc为有效钻孔半径；r为径向距离。

Bouwer、Rice和Zlotnik[5]等人根据公式(1)建立的模型为:

由于室内试验中测得的径向渗透系数和垂向渗透系数差别不大，假设Kr=Kz，此项在对数后，对于计算结果的影响是非常小的，那么上述公式相应的变为:

计算时，采用直线图解法求解。

抽水试验采用裘布依稳定潜水流公式[6]:

根据经验公式:

式中:Q为抽水流量(孔的涌水量)；h0为含水层外边界处的水位(从隔水底板算起)或渗流厚度，取5 m；hw为井中水位(从隔水底板算起)或水层厚度；R为圆柱形含水层的半径(假定影响半径)；rw为井的半径；K为含水层渗透系数；sw为抽水空水位下降深度。

用迭代法求解式(5)、式(6)可求出R和K。

水位恢复试验根据稳定流抽水试验或非稳定流抽水试验的规范要求[7]，当利用水位恢复资料计算渗透系数，停止抽水前动水位基本没有稳定，仍呈直线下降时，采用下列公式:

式中:H为自然情况下潜水含水层的厚度(m)；h为水位恢复时的潜水含水层厚度(m)；Q为出水量(m3/s)；tk为抽水开始到停止的时间(s)；tT为抽水停止时算起的恢复时间(s)。

3 试验成果及分析

本文以有明显裂隙发育的某地裂隙粘土为研究对象，土样取自地面以下1 m～2 m处，进行5组微水冲击试验、3组钻孔抽水试验和2组水位恢复试验，室内变水头试验所用的原状土样分别采用现场原状环刀土样、放置10 d的原状环刀土样和放置20 d的原状环刀土样。试验成果汇总见表1、表2。

表1 原位试验成果

由表1、表2可以看出:钻孔抽水试验和水位恢复试验测定的结果差别较小，产生这种现象的原因主要是试验所引起的水流形式相同，影响范围内的水流都是指向测试点流动，并且两种方法具有相同的影响半径；钻孔抽水试验和水位恢复试验测得的渗透系数相差不大，且与放置0天的原状环刀土样室内渗透试验结果相近，但它们的结果明显大于微水冲击试验结果，利用微水冲击试验测得的渗透系数与钻孔抽水试验和水位恢复得到的渗透系数相差了一个量级，初步分析其原因是因为冲击试验影响的范围较其他两种试验要小(冲击试验只影响钻孔周围几米的范围，而抽水试验影响到钻孔周围十几米的范围)，微水冲击试验在研究裂隙粘土渗透性时还需要进行试验方法的改进，但这种方法在粗略估算裂隙土体渗透系数方面较为便捷、高效。

表2 室内变水头渗透试验成果

根据敏感度可以将饱和裂隙粘土分为低敏感(1.0＜Sp≤10.0)、中敏感(10.0＜Sp≤100.0)和高敏感(100.0＜Sp)三类，Sp的主要影响因素为自身的结构性。裂隙粘土的敏感度越高，说明裂隙发育程度越高，受扰动后土体渗透系数的变化就越大。渗透系数敏感度是一个综合指标，它与土的粒度成分、密实度及结构等因素有关，在一定程度上能很好的反映结构性土体抗扰动的能力，为工程实践提供强有力的参数指标。根据表2可以明显的发现随着放置时间的增长，裂隙土体的渗透系数变化越大，受扰动的程度对渗透系数影响较大，Sp均大于100.0，说明该地区的裂隙土体具有较高的敏感性。

定义渗透系数敏感度Sp作为饱和结构性粘土渗透系数敏感性指标，可按下式求得:

4 总 结

通过不同原位测试方法和不同放置时间的原状土样渗透性的研究，对裂隙粘土总结得出以下结论:

(1)在工程实践中，钻孔抽水试验和水位恢复试验可以很好地研究裂隙粘土的渗透性，微水冲击试验较为方便、高效，具有一定的适用性，在研究裂隙粘土渗透特性时，可以根据现场施工条件来选择合适的试验方法。

(2)试验方法的影响半径越大，得到的渗透系数也随之增大。但造成渗透系数随试验影响半径增大而增大的现象的机理需要更深层次的研究。

(3)本文研究的裂隙粘土较为发育，结构性明显，土体的扰动对自身的渗透系数影响较大，具有很高的敏感性。这类土作为堤基时，可以采用震动、超固结化处理等方法，破坏内部结构从而降低土体的渗透系数敏感度，达到土体稳定性和抗渗能力的要求。

[1]苏 锐，王 驹，郭永海，等.斯拉格试验技术与理论研究综述[J].岩石力学与工程学报，2007，26(S2):3882-3890.

[2]徐连峰，胡竹华，杨正春，等.南四湖湖西大堤全新统粘土强透水性原因分析[J].治淮，2008，(12):15-17.

[3]欧钊元.山东省裂隙粘土成因及水利工程应用研究[D].青岛:中国海洋大学，2006:1-41.

[4]Bouwer H，Rice R C.A slug test for determining hydraulic conductivity of unconfined aquiferswith completely or partially penetrating wells[J].Water Resources Research，1976，12(3):423-428.

[5]Zlotnik V.Interpretation of slug and packer testsinanisotropic aquifers[J].Ground water，1994，32(5):761-766.

[6]陈崇希，林 敏.地下水动力学[M].武汉:中国地质大学出版社，1999:59-64.

[7]原国家冶金工业局.GB 50027-2001.供水水文地质勘察规范[S].北京:中国计划出版社，2001:31-35.