陈润桥 温伟光 何绪升 刘建刚

(天津市勘察院，天津 300191)

0 引言

近几年随着天津市城市建设的快速发展，地下空间的开发深度不断加大，深大基坑数量剧增，在深基坑设计、施工中，渗透系数是计算深基坑渗流和基坑降水设计的重要参数之一，其准确性尤为重要。传统的计算渗透系数的方法为室内试验及现场抽水试验。室内试验方法由于取样的代表性、取样及搬运和制作中的扰动等因素，试验值与实际偏差较大。现场抽水试验，由于周期较长、经济投入大等原因，对工程建设产生较大影响。钻孔注水试验作为一种原位试验方法以其不扰动原土层、试验周期短、经济投入少、操作简便的特点，在上海地区得到了广泛的应用，且已总结出当地注水试验计算土层渗透系数的公式，获得了良好的经济效益与社会效益。

天津地区土层分布情况与上海地区土层分布情况相似，然而对钻孔降水头注水试验方面理论研究较少，技术尚不成熟，实践经验也相对不足，目前该方法在天津地区应用相对较少。

1 降水头注水试验的计算方法

注水试验是向钻孔中注入稳定水量形成稳定水头，原理及过程与抽水试验相类似。降水头注水试验主要适用于地下水位以下渗透性较小的岩土层，如粉土、粘性土等。在注水过程中，水流外渗以水平向外渗为主，在实际应用中，为简化计算过程，一般采用二维渗流计算模型，模型中土体被假定为半无限空间体，承压含水层土层是均质的，地下水渗流为层流且天然水位是水平的。降水头注水试验计算渗透系数通常采用公式法及图解法。

1.1 公式法

降水头注水试验渗透系数计算公式是基于达西定律推导得到的。依据达西定律在dt时间内流过土样的水量:

此水量可通过立管水位下降度量，即:

在时间t1和t2间积分，此时水头H从H1降至H2，得:

最终可得渗透系数K:

式中:K——渗透系数，cm/s;

H1——观测时间t1时的试验水头高度，cm;

H2——观测时间t2时的试验水头高度，cm;

d——立管内径，cm;

D——渗透段直径，cm;

r——立管内半径，cm;

a——立管内面积，cm2;

M——渗透段面积，cm2;

l——渗透段长度，cm;

A——渗透段形状系数，cm，其与渗透段面积和水流边界条件有关。

1.2 图解法

通过试验记录绘制ln(Ht/H0)—t关系曲线，求得注水试验特征时间T0，采用式(2)计算试验岩土层的渗透系数:

其中，T0为注水试验的特征时间，min;即Ht/H0=0.37时所对应的t值，可在ln(Ht/H0)—t曲线上确定，Ht为注水时间为t时的水头值，cm;H0为注水试验的初始水头值，cm;其余符号意义同式(1)。

2 工程实例

本次研究以天津地铁5号线某站点降水头注水试验案例进行分析。本场地埋深30 m以上主要以粉质粘土及粉土为主，本次主要针对埋深约27.9 m～30.0 m段上更新统第五组陆相冲积层粉土(地层编号⑨2)进行试验。

本次试验的试验井井深为29.0 m，井壁管采用无缝钢管，滤水管长度为1.10 m，周围填级配较好的2 mm～4 mm水洗砾料，填入部位从井底向上1.0 m，在砾料的围填面以上填入粘土球止水封隔，以防上下含水层连通。成井后采用空压机进行洗井。试验井示意图见图1，井身结构参数见表1。

表1 井身结构参数表

采用公式法按式(1)计算⑨2层渗透系数，计算结果见表2。

根据实验数据绘制的ln(Ht/H0)—t关系曲线见图2，从图中可知本次注水试验特征时间T0=2.85 min，采用图解法渗透系数为 2.09 m/d。

表2 公式法渗透系数计算参数及结果表

综合分析，本次降水头注水试验测得的⑨2承压含水层渗透系数平均值可按2.08 m/d考虑。

图1 灌水试验井示意图

图 2 ln（Ht/H0）—t曲线

在勘察过程中，本场地对⑨2承压含水层进行抽水试验，试验结果见表3。通过两种试验结果的对比可以看出，两种方法测得的数据较为接近，也就是说，通过“简单”的注水试验即可获得“复杂”的抽水试验才能获得的渗透系数。

3 结语

通过降水头注水试验计算渗透系数在天津地区是可行的，与抽水试验相比，降水头注水试验操作简便、易于实现，结果与抽水试验较为接近，效果较好。由于降水头注水试验在天津地区的实际应用目前还相对较少，对于地区经验的总结及进一步提高试验准确性方面的技术要求尚需进行后续研究。

表3 抽水试验成果表

影响注水试验成果精度的因数较多，实际工作中应根据地层条件、地下水位、试验条件等选取适当的钻探设备和成孔工艺，过程中要保证有足够的稳定注水时间，同时需要做好试验段的止水隔离工作。

［1］ 陈南祥.水文地质学［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［2］ 沈日庚.上海地区钻孔降水头注水试验公式应用探讨［J］.上海地质，2010，3(3):51-53.

［3］ SL 345-2007，水利水电工程注水试验规程［S］.