CN106248548B - 包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包气带岩土饱和渗透系数测试技术，基于包气带渗透特性对井孔水入渗规律的作用效果，提出包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法。本发明包括以下步骤：第一步，试验准备、确定试验点并钻孔；第二步，确定测试岩土性质及非饱和渗透特征值；第三步，进行注水试验，并记录试验数据；第四步，数据整理，计算饱和渗透系数。本发明考虑了岩土非饱和渗透特性对井孔入渗的影响，测试结果更准确；给出了不同孔径和土性下入渗系数设计计算表，饱和渗透系数计算更方便，工作效率成倍提高。

Description

包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法

技术领域

本发明涉及包气带岩土饱和渗透系数测试技术，基于包气带渗透特性对井孔水入渗规律的作用效果，提出包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法。

背景技术

饱和渗透系数是综合反映岩土渗透能力的一个指标，其数值的准确确定对水在岩土中的渗流计算有着非常重要的意义。影响饱和渗透系数大小的因素很多，如岩土颗粒的形状、大小、不均匀系数及水的粘滞性等，要建立计算饱和渗透系数的精确理论公式比较困难，通常采用试验方法，包括室内试验法和原位试验法来确定。室内试验法具有工作强度小、快速便捷、试验条件可控稳定等优点，同时也存在着土样易被扰动、尺寸较小、代表性差等缺点；原位试验法测得的饱和渗透系数为较大范围的渗流区内岩土的平均值，可以较为真实地反映天然状态下岩土的渗透性质。

关于野外原位测试方法，《注水试验规程》(YS5214-2000，由中国有色金属工业协会颁布，中国计划出版社出版，简称《规程一》)及《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007，由中华人民共和国水利部颁布，中国水利水电出版社出版，简称《规程二》)均提供了试坑单环注水试验、试坑双环注水试验、钻孔降水头注水试验及钻孔常水头注水试验四种方法，这些方法在冶金、水利及建筑等行业岩土工程勘探作业中起到了重要的指导作用。

试坑单/双环注水试验可用于地下水位以上岩土层饱和渗透系数的测试，是目前包气带岩土层饱和渗透系数测试的常用方法，具有设备简单、操作方便的优点，但是也具有试验段较浅、数据误差大等缺点。其中，单环法流线复杂且侧向扩散渗透流量较大，所测得的饱和渗透系数偏大，双圆环法虽然可以避免侧渗影响，但入渗试段较浅，所测的饱和渗透系数偏小。若要测试深层岩土饱和渗透系数，则应采用钻孔注水试验法。《规程一》提供了包气带钻孔降水头注水试验饱和渗透系数测试方法，但由于计算公式与影响条件十分复杂，目前一般应用较少而处于研究和积累资料阶段。在《规程一》基础之上形成的《规程二》则将该方法修正为钻孔常水头注水试验，并给出了饱和渗透系数计算公式及适用条件，然而，对张贻火的文章“钻孔注水试验方法浅析”(《资源环境与工程》期刊,2008,22(10))、盛林的文章“常水头注水试验不同水头对渗透系数的影响”(《小水电》期刊，2015(02))的研究发现，修正后的试验方法其饱和渗透系数计算公式和适用条件具有较大的局限性，甚至存在矛盾的地方，应用十分不便。因此，目前针对包气带岩土，尤其是深层岩土，缺乏准确可靠的饱和渗透系数原位测试技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前包气带岩土饱和渗透系数原位测试上的不足，提供一种包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法。

本发明的技术方案：一种包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法，包括以下步骤：

第一步，试验准备、确定试验点并钻孔：

注水试验钻孔除应符合中华人民共和国水利部颁布的SL291-2003《水利水电工程钻探规程》有关规定外，钻孔不可使用泥浆钻进，孔底沉淀物厚度在10厘米以内，并防止岩土层被扰动；对孔壁稳定性差的钻孔采用花管护壁，钻孔试验段为注水试验中孔内注水范围，试验段要位于均匀的岩土层，试验段高度H在0.6-2米之间；

第二步，确定测试岩土性质及非饱和渗透特征值：

采集第一步钻孔所得岩土，根据工程经验或采用粒径分析的方法确定岩土的性质与分类，根据Van Genuchten模型拟合并绘制岩土相对渗透特征曲线，根据关系式(1)计算岩土非饱和渗透特征值F；

关系式(1)：

关系式(1)中F为岩土非饱和渗透特征值，K_r为相对渗透系数；K_s为饱和渗透系数；K_θ为含水率为θ时的渗透系数；ψ为基质吸力；

第三步，进行注水试验，并记录试验数据：

钻孔完成后，按照试验段高度H在0.6-2米之间的要求，向钻孔内注入清水，并保持钻孔内水位恒定不变，用流量计量测注入流量，按照SL345-2007《水利水电工程注水试验规程》附录A表A.0.3-1进行记录，并绘制注入流量与时间的关系曲线；

量测应符合下列规定：

开始每隔5分钟量测一次，连续量测5次；以后每隔30分钟量测一次并至少连续量测6次，当连续2次量测的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10％时，试验即可结束；取最后一次注入流量作为计算值；

第四步，数据整理，计算饱和渗透系数：

采用关系式(2)计算试验岩土的饱和渗透系数；

关系式(2)：

关系式(2)中Q_s为钻孔稳定入渗流量；S为入渗系数；K_s为饱和渗透系数；F为岩土非饱和渗透特征值；R为钻孔半径，H为试验段高度，即钻孔内注水深度；

入渗系数S按表1选用，对于R与1/F值不在表中的情况，可以使用线性内插法计算；

表1：入渗系数设计计算表

表1中钻孔半径R的单位为米。

本发明的积极效果：(1)考虑了岩土非饱和渗透特性对井孔入渗的影响，测试结果更准确。(2)给出了不同孔径和土性下入渗系数设计计算表——表1，饱和渗透系数计算更方便，工作效率成倍提高。

具体实施方式

采用本发明在赣南某离子型稀土矿山进行了不公开测试，实施过程如下：

第一步，试验准备、确定试验点并钻孔。

在赣南某离子型稀土矿山山顶某处，采用洛阳铲钻孔成孔，钻孔深度2.80米，钻孔半径0.09米。

第二步，确定测试岩土性质及非饱和渗透特征值。

采集钻孔所得岩土，根据粒径分析及工程经验判断，确定为粉土。根据VanGenuchten模型拟合并绘制岩土相对渗透特征曲线，根据关系式(1)计算岩土非饱和渗透特征值，F＝8.50千帕。

关系式(1)：

关系式(1)中F为岩土非饱和渗透特征值，K_r为相对渗透系数；K_s为饱和渗透系数；K_θ为含水率为θ时的渗透系数；ψ为基质吸力；

第三步，进行注水试验，并记录试验数据。

采用水箱盛水，连续向钻孔内注入清水，保持钻孔内水深H＝1.1米恒定不变，用流量计量测注入流量，按《规程二》附录A表A.0.3-1记录数据，并绘制注入流量与时间关系曲线。当连续2次量测的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10％时，试验即完成。取最后一次注入流量作为计算值，即Q_s＝2.4立方米每天。

第四步，数据整理，计算饱和渗透系数。

根据钻孔半径及岩土分类，通过查表1得到入渗系数S＝0.946，采用关系式(2)计算试验岩土的饱和渗透系数，即K_s＝0.45米每天。

关系式(2)：

关系式(2)中Q_s为钻孔稳定入渗流量；S为入渗系数；K_s为饱和渗透系数；F为岩土非饱和渗透特征值；R为钻孔半径，H为试验段高度，即钻孔内注水深度；

应用效果：为验证采用本发明测试结果的有效性，采用室内试验法测定两组土样的饱和渗透系数，测试结果平均值为K_s＝0.42米每天，与采用本发明测试结果比较接近，表明本发明是有效的。

Claims (1)

1.一种包气带钻孔常水头注水试验饱和渗透系数测试方法，其特征是：包括以下步骤：

第一步，试验准备、确定试验点并钻孔：

注水试验钻孔除应符合中华人民共和国水利部颁布的SL291-2003《水利水电工程钻探规程》有关规定外，钻孔不可使用泥浆钻进，孔底沉淀物厚度在10cm以内，并防止岩土层被扰动；对孔壁稳定性差的钻孔采用花管护壁，钻孔试验段为注水试验中孔内注水范围，试验段要位于均匀的岩土层，试验段高度H在0.6-2米之间；

第二步，确定测试岩土性质及非饱和渗透特征值：

采集第一步钻孔所得岩土，根据工程经验或采用粒径分析的方法确定岩土的性质与分类，根据Van Genuchten模型拟合并绘制岩土相对渗透特征曲线，根据关系式(1)计算岩土非饱和渗透特征值F；

关系式(1)：

关系式(1)中F为岩土非饱和渗透特征值，K_r为相对渗透系数；K_s为饱和渗透系数；K_θ为含水率为θ时的渗透系数；ψ为基质吸力；

第三步，进行注水试验，并记录试验数据：

钻孔完成后，按照试验段高度H在0.6-2米之间的要求，向钻孔内注入清水，并保持钻孔内水位恒定不变，用流量计量测注入流量，按照SL345-2007《水利水电工程注水试验规程》附录A表A.0.3-1进行记录，并绘制注入流量与时间的关系曲线；

量测应符合下列规定：

开始每隔5分钟量测一次，连续量测5次；以后每隔30分钟量测一次并至少连续量测6次，当连续2次量测的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10％时，试验即可结束；取最后一次注入流量作为计算值；

第四步，数据整理，计算饱和渗透系数：

采用关系式(2)计算试验岩土的饱和渗透系数；

关系式(2)：

关系式(2)中Q_s为钻孔稳定入渗流量；S为入渗系数；K_s为饱和渗透系数；F为岩土非饱和渗透特征值；R为钻孔半径，H为试验段高度，即钻孔内注水深度；

入渗系数S按表1选用，对于R与1/F值不在表中的情况，可以使用线性内插法计算；

表1：入渗系数设计计算表

表1中钻孔半径R的单位为米。