CN103940724B - 支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，包括步骤1：选取支挡工程系统反滤层上的一个泄水孔为试验泄水孔，将其余的普通泄水孔作临时性封堵；步骤2：通过进水系统从所述反滤层靠近岩土体的一侧向反滤层注入定量的水，在一定的测试时间内，通过排水量量测系统获取排水量，通过监测系统获取试验泄水孔位置的水头高度；步骤3：改变注入的水量，重复步骤2，获取多次排水量和试验泄水孔位置的水头高度的测量数据；步骤4：根据测得的排水量和水头高度计算出反滤层的等效渗透系数K(m/s)。本发明试验方法思路新颖、操作流程易于操作、可重复性强、试验设备简便，具有很强的现场可操作性。

Description

支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法

技术领域

本发明涉及土工试验领域，具体地指一种支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法。

背景技术

目前，支挡工程反滤层材料主要有散体集料、无砂混凝土块和土工合成材料等，各种反滤层均具有大孔隙特性等渗排水性能，由于组成材料不同，其渗排水性能有明显差异，如果能够合理准确地评价各种反滤层材料的渗透特性，则对于支挡工程反滤层设计和理论创新具有重要意义。对于岩土体的渗透特性及其参数，可以参考《铁路工程土工试验规程(TB10102-2010)》等规范中的渗透试验进行评价；对于土工合成材料的渗透特性，可参照《公路工程土工合成材料塑料排水板(带)(JT/T521-2004)》、《水运工程塑料排水板应用技术规程(JTS206-1-2009)》等规范中的纵向通水量试验进行评价。但上述既有试验方法均无法运用于现场测试，同时由于现场支挡工程反滤层无论在受力状态、墙后岩土体等条件均难以模拟，室内试验参数与实际状态存在差异，因此无法合理准确地测试和评估支挡工程墙背反滤层的渗排水性能及其指标参数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能较好地评价支挡工程反滤层渗排水性能的现场试验方法，可通过测试获取相关试验参数对反滤层的渗排水性能进行定量评价分析，以指导支挡工程反滤层的优化、创新设计及理论研究。

为实现上述目的，本发明一种支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1：选取支挡工程系统的反滤层上的一个泄水孔为试验泄水孔，将其余的普通泄水孔作临时性封堵；

步骤2：通过进水系统从所述反滤层靠近岩土体的一侧向反滤层注入定量的水，在一定的测试时间t内，通过排水量量测系统获取排水量Q(m³)，通过监测系统获取试验泄水孔位置的水头高度Δh(m)，所述水头高度Δh(m)为反滤层内水面至试验泄水孔中间位置的高度；

步骤3：改变注入的水量，重复步骤2，获取多次排水量Q(m³)和试验泄水孔位置的水头高度Δh(m)的测量数据；

步骤4：根据测得的排水量Q(m³)和水头高度Δh(m)计算出反滤层的等效渗透系数K(m/s)：

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δ}h\·t}$

其中：Q为排水量(m³)，δ为反滤层的厚度(m)，A为试验泄水孔的面积(m2)；Δh为试验泄水孔位置的水头高度(m)，t为试验时间(s)；并计算出等效通水量q(m³/s)。

优选地，在所述步骤1之前，还包括：选择所述支挡工程系统的水平一段为试验段，其他部分则为非试验段，以支挡工程系统的结构缝为界，采用水泥砂浆或混凝土将试验段与非试验段的反滤层之间隔开。将试验段与非试验段隔开，防止试验时水进入非试验段，影响试验数据。

优选地，所述支挡工程系统的施工过程中在所述反滤层中设置进水系统、监测系统。待支挡工程整体结构施工完成后墙体结构达到设计强度时，方可进行现场渗排水性能试验。

优选地，在所述步骤2中通过进水系统从反滤层靠近岩土体的一侧向反滤层注入定量的水之前，将所述反滤层中的水位加至试验泄水孔的高度。在测量试验数据之前进行预注水，缓慢供水将反滤层中的水位加至试验泄水孔位置，保持3～5分钟，然后再进行正式注水试验，预注水使获得的试验数据更准确。

优选地，所述步骤2中试验泄水孔位置的水头高度Δh(m)通过设置在所述反滤层中、与所述试验泄水孔同一高度位置的水位计获得。

优选地，所述步骤1中选取的试验泄水孔为步骤2中进水管在反滤层中的注水口。

优选地，所述步骤1中选取的试验泄水孔为步骤2中进水管在反滤层的注水口同一水平位置相邻的泄水孔。

优选地，所述步骤4中计算出等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

其中：Q为排水量(m³)，δ为反滤层的厚度(m)，t为试验时间(s)，Δh为试验泄水孔位置的水头高度(m)。

优选地，所述步骤4中计算出等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·l}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

其中：Q为排水量(m³)，l为排水路径长度(m)，即所述试验泄水孔与进水管在反滤层中注水口的距离，t为试验时间(s)，Δh为试验泄水孔位置的水头高度(m)。

该发明的设计原理为：在支挡工程反滤层施工前挖槽埋设进水系统和监测系统，试验时安装排水量量测系统，通过记录一段测试时间内的排水量和试验泄水孔位置水头高度，测量得到反滤层的厚度、试验泄水孔的孔径等数据，并根据公式

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δ}h\·t}$

计算出支挡工程反滤层的现场渗排水性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：试验方法思路清晰、操作流程易于操作、可重复性强、试验设备简便，具有很强的现场可操作性，作为一种新的探索和尝试，弥补了当前支挡工程反滤层渗排水性能现场试验方法的空白，可以定性和定量地评价支挡工程的反滤层的施工质量和渗排水效果，通过后期试验数据的积累，不仅可以用于指导支挡工程反滤层的优化设计，还对支挡工程反滤层的理论研究和创新设计也具有一定的指导意义。

附图说明

图1为本发明单孔渗水实施方式的主视结构示意图；

图2为本发明隔孔排水实施方式的主视结构示意图；

图3为图1和图2的剖视结构示意图。

图中：1.供水系统，1.1.水泵，1.2.控制阀门，1.3.水管，2.进水系统，2.1.进水管，2.2.透水体，2.3.隔水体，3.监测系统，3.1.记录仪，3.2.水位计，3.3.测试导线，4.排水量量测系统，5.支挡工程系统，5.1.支挡工程墙体，5.2.反滤层，5.3.普通泄水孔，5.4.试验泄水孔，5.5.防渗层，5.6.封闭层，5.7.结构缝，A.岩土体，B.试验段，C.非试验段。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，包括如下步骤：

选择所述支挡工程系统(5)的水平一段为试验段(B)，其他部分则为非试验段(C)，以支挡工程系统(5)的结构缝(5.7)为界，采用水泥砂浆或混凝土将试验段(B)与非试验段(C)的反滤层(5.2)之间隔开。

步骤1：选取支挡工程系统5的反滤层5.2上的一个泄水孔为试验泄水孔5.4，将其余的普通泄水孔5.3作临时性封堵；

步骤2：施工过程中在反滤层5.2中设置进水系统2、监测系统3，将反滤层5.2中的水位加至试验泄水孔5.4的高度；通过进水系统2从反滤层5.2靠近岩土体A的一侧向反滤层5.2注入定量的水，在一定的测试时间t(s)内，通过排水量量测系统4获取排水量Q(m³)，通过监测系统3获取试验泄水孔5.4位置的水头高度Δh(m)，水头高度Δh(m)为反滤层5.2内水面至试验泄水孔5.4中间位置的高度；试验泄水孔5.4位置的水头高度Δh(m)通过设置在反滤层5.2中、与试验泄水孔5.4同一高度位置的水位计3.2获得；

步骤3：改变注入的水量，重复步骤2，获取多次排水量Q(m³)和试验泄水孔5.4位置的水头高度Δh(m)的测量数据；

步骤4：根据测得的排水量Q(m³)和水头高度Δh(m)计算出反滤层5.2的等效渗透系数K(m/s)：

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δ}h\·t}$

其中：Q为排水量(m³)，δ为反滤层5.2的厚度(m)，A为试验泄水孔5.4的面积(m2)；Δh为试验泄水孔5.4位置的水头高度(m)，t为试验时间(s)；并计算出等效通水量q(m³/s)。

等效通水量q(m³/s)通过两种方式获得：当步骤1中选取的试验泄水孔5.4为步骤2中进水管2.1在反滤层5.2中的注水口时，等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

式中：Q为试验时间t(s)内试验泄水孔5.4的排水量(m³)；δ为墙后反滤层5.2的厚度(m)；Δh为试验泄水孔5.4位置的水头高度(m)，可通过水位计3.2数据计算得到。

当步骤1中选取的试验泄水孔5.4为步骤2中进水管2.1在反滤层5.2的注水口同一水平位置相邻的泄水孔时，等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·l}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

式中：Q为试验时间t(s)内试验泄水孔5.4的排水量(m3)；l为排水路径长度(m)；δ为墙后反滤层5.2的厚度(m)；Δh为试验泄水孔5.4位置的水头高度(m)，可通过水位计3.2数据计算得到。

如图1～图3所示，上述试验方法通过以下试验装置实现，包括提供水源的供水系统1、设置在反滤层5.2靠近岩土体A一侧的进水系统2、监测系统3和排水量量测系统4。

供水系统1包括水泵1.1、控制阀门1.2和水管1.3，为试验中提供稳定持续的水流。

水泵1.1，宜采用电水泵，可以提供恒定的水量。

控制阀门1.2，应具有调节水量大小的功能。

水管1.3，宜采用柔性管，长度根据实际情况确定。

进水系统2包括进水管2.1、透水体2.2、隔水体2.3。进水系统2，应埋设与试验泄水孔5.4对应的位置。进水系统2紧贴支挡工程系统5的反滤层5.2设置。进水系统2在反滤层5.2施工前挖槽埋设，其上部为隔水体2.3、下部为透水体2.2、中间包裹有进水管2.1。

进水管2.1与供水系统1的水管1.3相连，将供水系统1提供的水流输送至反滤层5.2位置。进水管2.1应具有一定的硬度，可采用直径10cm的硬质PVC管，亦可采用其它形式的管材。进水管2.1高出支挡工程系统顶面不少于20～30cm。进水管2.1周边设置预钻的圆形孔洞，圆形孔洞外侧包裹反滤层。进水管2.1可以采用图1所示的形式，也可以采用图2所示的形式，设置长度有所不同。

进水管2.1底部四周设置有透水体2.2，透水体2.2一般采用干净的粗砂填充密实。

进水管2.1上部四周设置有隔水体2.3，隔水体2.3一般采用黏性土填充密实，也可采用水泥浆填充密实。

监测系统3包括记录仪3.1、水位计3.2、测试导线3.3。

记录仪3.1用以记录试验过程中水位计3.2的数据。

水位计3.2在反滤层5.2施工前预先挖坑埋设，埋设标高与试验泄水孔5.4相同，水平方向距离试验泄水孔5.4约1m，坑体轮廓为近似长方体形，三个方向均比水位计3.2宽1～2cm，水位计3.2周围用干净的粗砂充填密实，并振捣平整。水位计3.2的测试导线3.3从墙后引出至坡顶。

排水量量测系统4对试验过程中试验泄水孔5.4的排水量进行测量。

排水量量测系统4可采用以下几种形式：①试验水量较小时，可采用有刻度的塑料桶、金属桶等，也可采用无刻度的塑料桶、金属桶、待试验完毕后再量测桶中水量大小。②当试验水量较大时，可利用支挡工程系统5外侧排水沟的一段，将两端封堵以容纳试验水量，待试验完成后再采用接有水量表的水泵将沟内的水排完即可测出试验过程中的排水量。

支挡工程系统5一般包括支挡工程墙体5.1、反滤层5.2、普通泄水孔5.3、试验泄水孔5.4、防渗层5.5和封闭层5.6等。

试验泄水孔5.4，一般需伸出支挡工程墙胸20～30cm，以利于试验过程中收集泄水孔排出的水体。

支挡工程反滤层现场渗排水性能的具体试验流程如下：

1、试验准备工作

①该试验一般针对分段支挡工程系统进行试验，试验分段一般以支挡工程系统5的结构缝5.7为界，需采用水泥砂浆或混凝土将将试验段B与非试验段C的反滤层5.2之间隔开，以防止试验过程中水流贯通或流失。

②反滤层5.2施工前，设置好进水系统2、监测系统3。待支挡工程系统5整体结构施工完成后墙体结构达到设计强度时，方可进行现场渗排水性能试验，试验前系统检查保证供水系统1、进水系统2、监测系统3和水量量测系统4的正常使用。

2、试验内容与步骤

渗排水性能试验分为单孔渗水试验、隔孔排水性能试验。主要是模拟墙后土体富水或渗水量大、泄水孔无法及时排出，反滤层5.2充满水时的极端状况。考虑到支挡工程系统5的安全，现场试验时敞开的试验泄水孔5.4，一般设置于第二排泄水孔位置。

具体试验方法可分为单孔渗水性能试验和隔孔排水性能试验两种实施方式实现。

(1)单孔渗水性能试验

①敞开的试验泄水孔5.4对应于进水管2.1的端口位置，孔口接排水量量测系统4，其余普通泄水孔5.3均做临时性封堵。

②对预留的进水管2.1注水。首先进行预注水，缓慢供水将反滤层中的水位加至试验泄水孔5.4位置，保持3～5分钟，然后再进行正式注水试验。

③正式注水试验时，开启供水系统1的控制阀门1.2后并保持水量不变，观测试验泄水孔5.4有较为稳定的水流流出时，采用排水量量测系统4进行量测，同时记录开始时间，记录一定时间t的排水量Q(m³)。

④试验过程中，需同时记录水位计3.2的读数，并用相机、摄像机拍摄各时间节点的仪表读数、试验泄水孔5.4出水情况和现场情况。

⑤可调节控制阀门1.2，重复上述过程进行多次试验，以分析不同水位高度条件下反滤层5.2的渗水性能。

(2)隔孔排水性能试验

①打开与进水管2.1的端口位置同排相邻的试验泄水孔5.4，普通泄水孔5.3均做临时性封堵。

②对预留的进水管2.1注水。首先进行预注水，缓慢供水将反滤层5.2中的水位加至试验泄水孔5.4位置，保持3～5分钟，然后再进行正式注水试验。

③正式注水试验时，开启供水系统1的控制阀门1.2后并保持水量不变，观测试验泄水孔5.4有较为稳定的水流流出时，采用排水量量测系统4进行量测，同时记录开始时间，记录一定时间t的排水量。

④试验过程中，需同时记录水位计3.2的读数，并用相机、摄像机拍摄各时间节点的仪表读数、试验泄水孔5.4出水情况和现场情况。

⑤可调节控制阀门1.2，重复上述过程进行多次试验，以分析不同水位高度条件下反滤层5.2的排水性能。

3、数据整理

(1)根据单孔渗水性能试验数据，计算得到反映反滤层5.2渗水性能的等效渗透系数K和等效通水量q，计算公式分别如下：

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δ}h\·t},q=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

式中：Q－试验时间t(s)内试验泄水孔5.4的排水量(m³)；δ－墙后反滤层5.2的厚度(m)；A－试验泄水孔5.4面积(m2)；Δh－试验泄水孔5.4位置的水头高度(m)，可通过水位计3.2数据计算得到。

通过现场试验，得到了三种型号的反滤层5.2的渗透系数与单孔通水量，见表1：

表1单孔渗排水试验结果

(2)根据隔孔排水性能试验数据，计算得到反映反滤层5.2排水性能的等效渗透系数K和等效通水量q，计算公式分别如下：

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δ}h\·t},q=\frac{Q\·l}{t\·\mathrm{\Δ}h}$

式中：l－排水路径长度(m)，即试验泄水孔5.4与进水管2.1底部的距离；其余符号含义与前述内容相同。

通过现场试验，得到了三种型号的反滤层的渗透系数与单孔通水量，见表2：

表2隔孔渗排水试验结果

Claims (9)

1.一种支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：选取支挡工程系统(5)的反滤层(5.2)上的一个泄水孔为试验泄水孔(5.4)，将其余的普通泄水孔(5.3)作临时性封堵；

步骤2：通过进水系统(2)从所述反滤层(5.2)靠近岩土体(A)的一侧向反滤层(5.2)注入定量的水，在一定的测试时间t内，通过排水量量测系统(4)获取排水量Q(m³)，通过监测系统(3)获取试验泄水孔(5.4)位置的水头高度Δh(m)，所述水头高度Δh(m)为反滤层(5.2)内水面至试验泄水孔(5.4)中间位置的高度；

步骤3：改变注入的水量，重复步骤2，获取多次排水量Q(m³)和试验泄水孔(5.4)位置的水头高度Δh(m)的测量数据；

步骤4：根据测得的排水量Q(m³)和水头高度Δh(m)计算出反滤层的等效渗透系数K(m/s)：

$K=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{A\·\mathrm{\Δh}\·t}$

其中：Q为排水量(m³)，δ为反滤层(5.2)的厚度(m)，A为试验泄水孔(5.4)的面积(m2)；Δh为试验泄水孔(5.4)位置的水头高度(m)，t为试验时间(s)；并计算出等效通水量q(m³/s)。

2.根据权利要求1所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：在所述步骤1之前，还包括：选择所述支挡工程系统(5)的水平一段为试验段(B)，其他部分则为非试验段(C)，

以支挡工程系统(5)的结构缝(5.7)为界，采用水泥砂浆或混凝土将试验段(B)与非试验段(C)的反滤层(5.2)之间隔开。

3.根据权利要求2所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述支挡工程系统(5)的施工过程中在所述反滤层(5.2)中设置进水系统(2)、监测系统(3)。

4.根据权利要求3所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：在所述步骤2中通过进水系统(2)从反滤层(5.2)靠近岩土体(A)的一侧向反滤层(5.2)注入定量的水之前，将所述反滤层(5.2)中的水位加至试验泄水孔(5.4)的高度。

5.根据权利要求4所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述步骤2中试验泄水孔(5.4)位置的水头高度Δh(m)通过设置在所述反滤层(5.2)中、与所述试验泄水孔(5.4)同一高度位置的水位计(3.2)获得。

6.根据权利要求5所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述步骤1中选取的试验泄水孔(5.4)为步骤2中进水管(2.1)在反滤层(5.2)中的注水口。

7.根据权利要求5所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述步骤1中选取的试验泄水孔(5.4)为步骤2中进水管(2.1)在反滤层(5.2)的注水口同一水平位置相邻的泄水孔。

8.根据权利要求6所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述步骤4中计算出等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·\mathrm{\δ}}{t\·\mathrm{\Δh}}$

其中：Q为排水量(m³)，δ为反滤层(5.2)的厚度(m)，t为试验时间(s)，Δh为试验泄水孔(5.4)位置的水头高度(m)。

9.根据权利要求7所述的支挡工程反滤层现场渗排水性能试验方法，其特征在于：所述步骤4中计算出等效通水量q(m³/s)的计算公式为：

$q=\frac{Q\·l}{t\·\mathrm{\Δh}}$

其中：Q为排水量(m³)，l为排水路径长度(m)，即所述试验泄水孔(5.4)与进水管(2.1)在反滤层(5.2)中注水口的距离，t为试验时间(s)，Δh为试验泄水孔(5.4)位置的水头高度(m)。