高 阳

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳 110003)

渗透系数是河道堤防、水利工程防渗设计的主要参数，也是区域地下水分析的重要指标[1]。渗透系数受到土层质地和材料的影响，变化十分明显，很难采用数学、物理模型进行推求[2]。采用渗透仪进行渗透系数测定是常用的方法，可以对土层渗透系数进行较为准确的测定。用于渗透系数测定的渗透仪种类较多，功能也不同，很难采用单一渗透仪进行区域渗透系数的测定，需要结合区域土层地质概况，综合选取渗透仪进行渗透系数的测定[3]。当前，国内外针对渗透系数分析的研究成果较多[4- 14]，但是对于其如何准确测定的研究还较少。为提高辽宁地区渗透系数测定的精准性，本文通过对比当前应用较为广泛的两种渗透仪，通过透水试验方式，观测不同渗透仪下的透水性能。

1 渗透仪测定主要原理

垂直型渗透仪在国内应用较为成熟，其主要原理可详见文献[15]，本文仅对变水头渗透仪进行简要介绍。变水头渗透仪主要通过设置密闭的侧壁进行水汽压缩，并进行包裹，压缩的水汽通过液压控制装置进入到试验装置的底座区域，渗透的水流通过过滤石进行渗透过滤后进入到试验收集装置内完成整个渗透试验。结合土工试验标准，基于试验测定的渗透水体的容积，进行渗透系数的计算，计算方程为：

(1)

(2)

变水头渗透仪主要有以下几个特点：

(1)变水头渗透仪由于可以进行橡胶密封压缩，解决了水利工程防渗处理时蜡封的难题，可有效降低侧壁的渗透水量，提高渗透性能测试的精度和效率。

(2)结合气水隔离措施增加渗透气压，有效解决了灌浆固结材料渗透系数的快速测定难题，而且有效解决了气体渗入导致的渗透性能测试精度低的问题。

(3)渗透水流高差可以在50～180mm之间进行调控，渗透管径的范围也可进行有效调节，并可结合工程实际的工况条件进行渗透模拟试验。

(4)自动化的渗透性能测试数据处理系统可有效降低人为数据读取的误差，可实现自动化在线测试。

2 试验方案

结合透水试验方式对比分析不同类型渗透性的渗透性能，变水头渗透仪选用三种管径的渗透仪进行试验测定，试验仪器如图1所示。为提高试验测定数据的准确性，采用三种土样进行测定，此外充分考虑管径对渗透性能的影响，分别选用5.0、6.5、8cm三种管径进行渗透系数的测定。

3 试验结果分析

3.1 水泥硬土渗透性能对比测定结果

水泥硬土是水库、河道堤防建设的主要材料，为综合对比两种渗透仪在水泥硬土的测定性能，选用10种不同材料的水泥硬土进行透水试验分析，试验分析结果见表1。

从测试对比分析结果可看出，水泥硬土的养护时间以及渗透水头对渗透系数影响较为显著，随着养护时间和水头的增加，渗透系数测定的误差逐步加大。在10种土样中，变水头渗透仪渗透系数测定值均小于垂直型渗透仪，这主要是变水头渗透仪可有效调整渗透水流的压力差，使得其水流的渗透性能更符合实际情况，从而提高渗透系数的测定性能。从对比误差可看出，两种渗透仪渗透系数绝对误差均在0.24×10-6cm/s之内，基本可满足相关规范要求。垂直型渗透仪在水泥硬土的测试效果不如变水头的渗透仪，变水头渗透仪适合于渗透系数低于1.38×10-6cm/s的水泥硬土的渗透系数测定。

3.2 普通土样的渗透对比测试

分别选取10种类型普通土样，进行不同渗透仪的渗透性能对比测试，对比测试结果见表2。

从测试分析结果可看出，相比于水泥硬土，普通土样下渗透系数受养护时间影响程度更大，但水头对其渗透性能影响较弱。变水头渗透仪由于可以对其底部进行塑胶密封处理，有效解决水利工程底部防渗处理难题，通过对其渗透侧壁水量的有效控制，提高水流的渗透性能，相比于垂直型渗透仪，其渗透性能有所提高。

3.3 不同渗透水压及水头下渗透性能测试结果

渗透水压和水头是渗透性能影响的关键参数，为此本文结合透水试验，分析不同渗透水压以及渗透水头下的各土样的渗透性能，测定结果见表3—4。

表1 水泥硬土渗透系数对比测试结果

表2 普通土样渗透系数对比测试结果

表3 渗透水压对各土样渗透性能测定的结果分析

表4 渗透水头对各土样渗透性能测定的结果分析

从试验分析结果可看出，在水头相同的前提下，当渗透水压递增后，各试验土样的渗透系数也呈现较为明显的递增变化，渗透水压和渗透系数呈现正相关性，当渗透水压递增时，渗透进下一土层的渗透水量增多，使得其渗透系数增加。从表3中还可看出，在渗透水压变化后，其测定的渗透系数的总体误差变化不大，可见渗透水压对渗透系数的测定误差影响程度较低。从表4中可看出，在同一种渗透水压下，随着水头高度的变化，各高度下土样测定的渗透系数总体变化不大，是因为渗透系数主要和土层的质地相关，因此其受水头高度影响程度较小，但从其渗透系数测定的绝对误差来看，随着水头高度的递增，其误差逐步减小，水头高度增加，提升了其渗透系数的测定精度。

3.4 渗透管径对渗透系数影响的测定分析结果

试验测定了三种渗透管径下的渗透系数，分析不同管径对各土样渗透系数的影响，试验分析结果见表5—6及图2。

表5 垂直型渗透仪下不同管径对渗透性能的影响试验分析结果

表6 变水头渗透仪下不同管径对渗透性能的影响试验分析结果

从试验分析结果可看出，当各类型渗透仪直径加大后，在相同水压条件下，各直径下的渗透系数逐步递增，渗透管径有效增加其渗透系数。相比于垂直型渗透仪，变水头渗透仪下渗透直径对渗透系数的影响更为显著，垂直型渗透仪由于管径相对固定，因此其管径对渗透系数影响程度较低。而变水头的渗透仪由于可以调整其渗透管径的大小，使得其管径对不同渗透水压的渗透系数影响程度较大。从各类型渗透仪下的不同管径的渗透系数～渗透水压的变化关系可看出，垂直型渗透仪随着管径的增加，渗透系数～渗透水压的相关度逐步增加，而变水头渗透仪随着管径的递增，渗透系数～渗透水压的相关度有所减弱。这主要是因为垂直型渗透仪管径对渗透系数～渗透水压相关性影响程度较低，而变水头渗透仪对其相关性影响程度较高，因此其增加管径后，渗透系数～渗透水压的相关度逐步降低。

3.5 不同渗透仪渗透性能对比测定结果

对两种渗透仪下各渗透水压的渗透性能进行了测试，测试结果见表7—8。

从表7—8可以看出，不同水压下变水头渗透仪的渗透性能总体好于垂直型渗透仪。两种渗透仪各水压下的渗透性能效率值变化较为接近，均随着水压的增加，其渗透性能逐步增加，渗透时间趋于递减变化。变水头渗透仪总体性能好于垂直型渗透仪的关键，在于其渗透水流的高差可以进行有效调控，调控的范围在45～175mm之间，也可对其渗透仪进行管径的调控，从而提高其渗透性能。

表7 垂直型渗透仪的渗透性能测试结果

表8 变水头渗透仪的渗透性能测试结果

4 试验结论

(1)在进行渗透系数的测定时，应尽量控制水头高度在6～9cm之间，渗透水压控制在90～110kPa之间，可确保渗透系数误差低于1.0×10-6cm/s，满足渗透系数设计规范。

(2)在进行渗透性能测定的过程中，应将渗透管径控制在5.0～6.5cm之间，这样可使得渗透系数～渗透水压之间的相关性趋于稳定。

(3)变水头渗透仪由于可调节渗流高差和渗透管径，相比于垂直型渗透仪，渗透性能可提升20%，推荐在工程实践中使用。

(4)本文尚未探讨土层质地对渗透系数的影响，在以后的研究中还应重点分析土层质地变化对渗透系数的综合影响。