CN103091229B

CN103091229B - 一种变水头分段渗透系数测量设备及测量方法

Info

Publication number: CN103091229B
Application number: CN201310038456.2A
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 王保田; 黄德文; 詹泸成; 赵敬川; 罗志琳
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: CN103091229A

Abstract

本发明提供的一种变水头分段渗透系数测量设备，包括降水头微水试验装置、双栓塞封堵装置和探头；所述微水试验装置包括通过导水管连接的量筒和漏水花管；所述双栓塞封堵装置包括通过导气管自上而下依次连接的高压气筒、单向阀、压力计、第一栓塞和第二栓塞，所述单向阀和压力计之间还设有气阀；所述第一栓塞、漏水花管和第二栓塞自上而下依次设于探头内。本发明还提供了一种利用上述设备测量分段渗透系数的方法。该测量设备结构简单、成本低廉、使用方便，通过高压气筒压入空气使第一栓塞和第二栓塞膨胀并封堵隔离一段钻孔，利用微水试验装置即可测量封堵段钻孔附近含水层的渗透系数，测量结果准确。

Description

一种变水头分段渗透系数测量设备及测量方法

技术领域

本发明属于岩土工程参数探测领域，特别涉及一种变水头分段渗透系数测量设备，还涉及利用该设备测量渗透系数的方法。

背景技术

利用钻孔测量含水层的渗透系数一般采用注水法或抽水法，这两种方法测量的都是钻孔揭露的地层的平均渗透性。然而，由于地质条件的复杂性，不同深度的地层的渗透系数并不相同，有的甚至相差好几个数量级；因此，这两种方法不能反映渗透的不均匀性。

目前对钻孔的分段渗透系数测量通常采用压水法，例如《水利水电工程钻孔压水试验规程SL25－92》。压水法对钻孔及栓塞的要求比较严格，如采用金刚石钻进、岩石坚硬、孔壁完整、连续钻进深度不超过40m等。然而，由于钻孔的施工工艺不同，地质情况复杂多变，导致很多钻孔难以满足上述要求。同时，由于压水法中的水压较大，一般分为三级压力值（0.3MPa、0.6MPa、1.0MPa），因此对栓塞的密封性能要求很高，例如上述规程中要求栓塞的长度达到7.5倍钻孔孔径，即对于钻孔孔径为1dm的钻孔需要的封堵栓塞的长度达到了7.5dm；然而，即使这样也很难达到较好的封堵效果。此外，压水法测量时间较长，成本较高，对于急于得到岩土体渗透系数的工程不太实用。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种测定时间短、结果准确的变水头分段渗透系数测量设备，还涉及利用该设备测量渗透系数的方法。

技术方案：本发明提供的一种变水头分段渗透系数测量设备，包括降水头微水试验装置、双栓塞封堵装置和探头；所述微水试验装置包括通过导水管连接的量筒和漏水花管；所述双栓塞封堵装置包括通过导气管自上而下依次连接的高压气筒、单向阀、压力计、第一栓塞和第二栓塞，所述单向阀和压力计之间还设有气阀；所述第一栓塞、漏水花管和第二栓塞自上而下依次设于探头内。

作为本发明变水头分段渗透系数测量设备的一种改进，还包括三脚架，所述三脚架设于量筒底部。

作为本发明变水头分段渗透系数测量设备的一种优选，所述第一栓塞和第二栓塞均为弹性材料制成，由于第一栓塞和第二栓塞膨胀性能、密封性能良好的弹性材料制成，从而保证了良好的封堵密封性；进一步优选地，所述弹性材料为橡胶等材料，如轮胎内胆等。

作为本发明变水头分段渗透系数测量设备的另一种优选，所述第一栓塞的长度为15-20cm，所述第二栓塞的长度为15-20cm。

本发明还提供了一种变水头分段渗透系数测量方法，包括以下步骤：

（1）确定待测钻孔的封堵气压和极限气压：无水压的条件下，测定待测钻孔所需的封堵气压和极限气压，所述封堵气压为确保钻孔中待测段不漏水的最小气压，所述极限气压为确保栓塞安全的最大气压；

（2）将变水头分段渗透系数测量设备的探头置于待测钻孔的指定深度，测量待测钻孔水位，根据探头深度和待测钻孔水位计算附加封堵气压，所述附加封堵气压即抵抗水压力所需的气压；

（3）将第一栓塞和第二栓塞加压至封堵气压，钻孔中待测段即被封堵；

（4）向量筒内注水，并记录量筒内水位随时间的变化关系，即得钻孔中待测段地层的渗透系数；

（5）测试结束后，打开气阀，释放第一栓塞和第二栓塞内的气压；此外，改变探头深度即可进行下一次测试。

有益效果：本发明提供的变水头分段渗透系数测量设备结构简单、成本低廉、使用方便，通过高压气筒压入空气使第一栓塞和第二栓塞膨胀并封堵隔离一段钻孔，利用微水试验装置即可测量封堵段钻孔附近含水层的渗透系数，测量结果准确。

本发明提供的变水头分段渗透系数测量设备，相对于压水实验装置省去了高压注水的装置，由于采用降水头微水试验来测量渗透系数，不需要较高的水压，因此封堵栓塞较短，并能达到较好的密封效果，结构简单、成本低廉，而且操作方便。

本发明提供的变水头分段渗透系数测量方法利用量筒内水头随时间变化关系，绘制出来ln(H_t/H₀)～t变化曲线，根据相关参数即可计算出渗透系数，能够快速的现场测量出岩土体的渗透系数，测量时间短、成本低、容易实现。

附图说明

图1为本发明变水头分段渗透系数测量设备的结构示意图。

图2为本发明变水头分段渗透系数测量方法各参数示意图。

图3为ln(H_t/H₀)随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作出进一步说明。

实施例1

变水头分段渗透系数测量设备，见图1，包括降水头微水试验装置1、双栓塞封堵装置2和探头3；所述微水试验装置包括通过导水管13连接的量筒11和漏水花管12，漏水花管12下部隔水，量筒11底部还设有三脚架14；所述双栓塞封堵装置包括通过导气管26自上而下依次连接的高压气筒21、单向阀22、压力计23、第一栓塞24和第二栓塞25，所述单向阀22和压力计23之间还设有气阀27；所述第一栓塞24、漏水花管12和第二栓塞25自上而下依次设于探头3内。

所述第一栓塞24和第二栓塞25均为轮胎内胆制成；可选地，也可以采用其他弹性材料制成，优选地，所述弹性材料为橡胶等材料。

所述第一栓塞24的长度为15-20cm，所述第二栓塞25的长度为15-20cm。

利用上述变水头分段渗透系数测量设备测量分段渗透系数，包括以下步骤：

（2）通过固定钢索4将变水头分段渗透系数测量设备的探头置于待测钻孔5的指定深度，测量待测钻孔5的水位，根据探头深度和待测钻孔5的水位计算附加封堵气压，所述附加封堵气压即抵抗水压力所需的气压；

（3）将第一栓塞和第二栓塞加压至封堵气压，待测钻孔5中待测段即被封堵；

（4）向量筒内注水，并记录量筒内水位随时间的变化关系，通过以下公式即可计算出该段钻孔附近土体的渗透系数：

K_{r} = - \frac{0.24 r_{c}^{2}}{b} \frac{\ln (\frac{H_{t}}{H_{0}})}{t},

其中，

t为间隔时间，

K_r为渗透系数，

r_c为量筒半径，

b为测量段长度，

H₀为刚注入水时量筒中的水位高度，即量筒中注水后的初始液面到钻孔中液面的高度，

H_t为量筒内水位下降并间隔时间t的水位高度，即间隔时间t后量筒内液面到钻孔中液面的高度，H_t=h₀+h_t，其中h₀为绝对水头，即钻孔中液面至量筒底部的距离，h_t为相对水头，即量筒液面至量筒底部的距离，见图2，A为钻孔中地下水位，B为测量深度；

（5）测试结束后，打开气阀，释放第一栓塞和第二栓塞内的气压；

（6）重复（2）到（5）即可分段测量不同深度钻井附近地层的渗透系数。

利用上述方法对锡澄运河4#防渗墙中心钻孔（深度4m）进行分段渗透系数测量试验，钻孔中深度为4m段测量数据记录见表1。

表1锡澄运河4#防渗墙中心钻孔进行分段渗透系数测量结果

历时（秒）	量筒读数ml	转换成高度h_t	H_t=h₀+h_t	ln(H_t/H₀)
					0	365	20.678	99.678	0
60	360	20.413	99.413	-0.002662101
					120	350	19.883	98.883	-0.008007658
180	340	19.353	98.353	-0.013381943
					240	330	18.823	97.823	-0.018785267
300	317	18.134	97.134	-0.025853522
					360	305	17.498	96.498	-0.032422708
420	292	16.809	95.809	-0.039588364
					480	282	16.279	95.279	-0.045135561
540	275	15.908	94.908	-0.049036989

量筒半径r_c=2.5cm，测量段长度b=55cm，绝对水头h₀=79cm；

ln(H_t/H₀)随时间变化曲线如图3所示，取等于图3中趋势线斜率-1*10^(-4)，则由公式计算可得：

K_{r} = - \frac{0.24 r_{c}^{2}}{b} \frac{\ln (\frac{H_{t}}{H_{0}})}{t} = - \frac{0.24 * {2.5}^{2}}{55} * (- 1 * 10^{- 4}) = 2.72727 * 10^{- 6} cm / s

即测得的该段钻孔附近土体渗透系数为2.72727×10^-6cm/s。

查询相关资料得到该段水泥土防渗墙的水泥和土比例为22%，根据已有对水泥土渗透系数研究（水泥土的渗透特性，侯永峰等；水泥土渗透系数的室内试验研究，孙宇雁等）可知，当水泥和土的比例为22%时，室内实验测得的渗透系数为10^-7cm/s；然而，通常室内实验测得的渗透系数相对于原位测试结果偏小。而通过该方法测得的渗透系数介于粘土渗透系数6.16*10^-6cm/s（悬挂式防渗墙控制堤基渗透变形的机理与工程应用，王保田等）和水泥土室内实验结果之间，说明该方法的准确性和适用性。

Claims

1.一种变水头分段渗透系数测量设备，其特征在于：包括降水头微水试验装置(1)、双栓塞封堵装置(2)和探头(3)；所述微水试验装置包括通过导水管(13)连接的量筒(11)和漏水花管(12)；所述双栓塞封堵装置包括通过导气管(26)自上而下依次连接的高压气筒(21)、单向阀(22)、压力计(23)、第一栓塞(24)和第二栓塞(25)，所述单向阀(22)和压力计(23)之间还设有气阀(27)；所述第一栓塞(24)、漏水花管(12)和第二栓塞(25)自上而下依次设于探头(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种变水头分段渗透系数测量设备，其特征在于：还包括三脚架(14)，所述三脚架(14)设于量筒(11)底部。

3.根据权利要求1所述的一种变水头分段渗透系数测量设备，其特征在于：所述第一栓塞(24)和第二栓塞(25)均为弹性材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种变水头分段渗透系数测量设备，其特征在于：所述第一栓塞(24)的长度为15-20cm，所述第二栓塞(25)的长度为15-20cm。

5.一种变水头分段渗透系数测量方法，利用权利要求1至4任一项所述的变水头分段渗透系数测量设备，其特征在于：包括以下步骤：

(1)确定待测钻孔的封堵气压和极限气压：无水压的条件下，测定待测钻孔所需的封堵气压和极限气压，所述封堵气压为确保钻孔中待测段不漏水的最小气压，所述极限气压为确保栓塞安全的最大气压；

(2)将变水头分段渗透系数测量设备的探头置于待测钻孔的指定深度，测量待测钻孔水位，根据探头深度和待测钻孔水位计算附加封堵气压，所述附加封堵气压即抵抗水压力所需的气压；

(3)将第一栓塞和第二栓塞加压至封堵气压，钻孔中待测段即被封堵；

(4)向量筒内注水，并记录量筒内水位随时间的变化关系，即得钻孔中待测段地层的渗透系数。