CN121431323A - 一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，该方法根据防渗墙所在位置的地质条件和浇筑记录，选择墙体槽段并布置若干检查孔，并将每个检查孔按预定深度分段钻孔；在每个检查孔的第一段钻孔完成后进行注水试验，记录起始水头与稳定水头及其对应时刻；后续各段钻孔后，通过在段上下边界安装防水阻塞器封堵段体，再次注水并记录水位变化；重复完成每个检查孔的分段注水试验后，依据变水头试验原理，计算每段的渗透系数；最终选取每段的最大渗透系数，与预设评定标准进行比较评定。本发明适用于不同结构形式防渗墙，能够准确评定各槽段渗透特性，施工后可原位实施的测试与评定方法，为质量控制和缺陷诊断提供可靠依据。

Description

一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法

技术领域

本发明属于水利水电工程防渗墙的技术领域，具体涉及一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法。

背景技术

防渗墙是利用钻孔、挖（铣）槽机械，在松散透水地基或基岩中以泥浆固壁，挖掘槽孔或连锁桩柱孔，在泥浆下浇筑混凝土，形成的具有防渗性能的地下防渗体。由于工程的需要，混凝土防渗墙深度越来越深，目前有的深度甚至达100m～200m，墙厚一般60～120cm。由于防渗墙深埋地下，且厚度较薄，防渗墙浇筑完成后其浇筑质量尤其是防渗墙渗透系数的测定与渗透特性的准确评定一直困扰工程界。以竖井式圆形防渗墙为例，如图1所示，防渗墙深度H≥100m，防渗墙厚度D=100cm，竖井半径R≥15m，在基岩中采用双轮铣+旋挖钻成槽，分二序成槽，每个槽宽约6m，槽段数约20个，成槽后浇筑混凝土，形成圆形混凝土防渗墙。

墙体质量检查一般在成墙后28天进行，检查内容为必要的墙体物理力学性能指标、墙段接缝和可能存在的缺陷。目前，多采用钻孔抽取防渗墙岩芯，拿到室内进行力学性能和抗渗试验，通过测定防渗墙岩芯的抗压强度以及渗透系数，间接评价防渗墙施工质量，该方法的缺点在于其为间接测定，难以准确反映防渗墙的渗透特性。此外，也有的工程采取大范围的抽水试验，比如在圆形竖井内钻取大口径（≥200mm）钻孔后，通过抽水试验，对圆形防渗墙的防渗性能进行评价，该方法的缺点在于只能评价防渗墙的整体防渗性能，不能具体检测和评价某个槽段混凝土防渗墙的渗透特性和混凝土质量，而且该方法只适用于圆形竖井或矩形竖井等封闭式防渗墙，不适用于“一”字开敞式防渗墙。

综上，现有混凝土防渗墙渗透性能检测技术在真实性、分段性、适用范围等方面存在明显不足，尚缺乏一种既能够原位检测具体槽段渗透性能，又能适用于不同结构形式防渗墙的可靠评定方法。

发明内容

本发明是为了解决上述不足而提出，目的在于提供一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，该方法基于变水头测定渗透系数试验法原理，建立了防渗墙渗透系数计算数学模型，适用于不同结构形式防渗墙，能够准确评定各槽段渗透特性，施工后可原位实施的测试与评定方法，提升了防渗墙质量控制的科学性与实用性。

为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：

一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，包括：

根据防渗墙所在位置的地质条件和防渗墙混凝土浇筑记录，选择墙体槽段并布置若干个检查孔，每个检查孔按预定深度分为若干段，并逐段进行钻孔；

每个检查孔在第一段钻孔完成后进行注水试验，向钻孔内注入清水直至水位达到防渗墙墙顶，作为该段的起始水头并记录其对应时刻，监测钻孔内水位下降直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；

每个检查孔在后续每一段钻孔后进行注水试验，在该段孔内的上下边界处安装防水阻塞器封堵该段，通过防水阻塞器向钻孔内注入清水至预定高度，作为该段的起始水头并记录起始水头对应时刻，监测钻孔内水位变化直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；依次进行每个检查孔各段的钻孔及注水试验；

基于变水头测定渗透系数试验法原理，计算得出防渗墙每个检查孔各段的渗透系数；选择每个检查孔各段中的最大渗透系数与评定标准进行比较，评定混凝土防渗墙的渗透性能。

进一步地，所述检查孔布置在断层破碎带或裂隙发育部位的墙体槽段处，所述检查孔的数量不少于3个。

进一步地，所述检查孔采用地质钻机成孔，钻孔孔径为100～120mm。

进一步地，所述检查孔按预定深度5～10m划分为若干段，并在钻进过程中保证孔身垂直度。

进一步地，在注水试验时，通过设置于检查孔内的摄像头和水位计观察钻孔内水位变化情况，待水位稳定后，记录稳定水头对应时刻，连续测量5～10次，每次间隔20～30min，当连续两次观测水位数据变幅小于10cm时，判定该段水位已稳定并终止该段的注水试验。

进一步地，所述检查孔的各段渗透系数按照变水头渗透试验原理计算获得，利用每一段的起始水头、稳定水头及其对应时刻差，并结合该段的钻孔孔径和钻孔长度，计算得到该段混凝土防渗墙的渗透系数。

进一步地，所述检查孔的各段渗透系数计算公式具体为：

式中，为防渗墙第段渗透系数；为防渗墙第段钻孔面积；为防渗墙第段厚度；为防渗墙第段钻孔孔径；为防渗墙第段开始注水检查对应的起始水头；为防渗墙第段注水检查终了稳定水头；为防渗墙第段径向渗透面积；为防渗墙第段开始注水检查起始水头对应的时刻，为防渗墙第段注水检查终了稳定水头对应的时刻；为防渗墙第段钻孔孔径；为防渗墙第段钻孔长度； =1,2,...,N。

进一步地，所述混凝土防渗墙渗透性能的评定包括：

若任一个检查孔各段中的最大渗透系数超过渗透系数上限值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能不合格；

若所有检查孔各段中的最大渗透系数均未超过渗透系数上限值，但某一段的渗透系数超过渗透系数允许值时，判定相应检查孔所在槽段的混凝土防渗墙渗透性能不合格；

若所有检查孔各段中的最大渗透系数均不超过渗透系数允许值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能合格。

再进一步地，所述渗透系数上限值设定为渗透系数允许值的10倍。

更进一步地，所述混凝土防渗墙的墙深≥50m，所述混凝土防渗墙为圆形防渗墙、矩形防渗墙或一字形开敞式防渗墙。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

其一，本发明通过布置多个检查孔，对检查孔分段钻孔并进行变水头注水试验，能够精确测定防渗墙沿深度方向各段的渗透系数。这种分段测试方法可及时发现防渗墙中局部渗透性较高的薄弱环节，相比传统对整墙一次性测试易遗漏局部渗漏的问题，大幅提高了检测的准确性和可靠性。此外，通过选取每个检查孔各段中的最大渗透系数与评定标准值进行比较来评定墙体渗透性能，确保评估结果安全可靠，从而有效提升混凝土防渗墙渗透性能评估的科学性和精准性。

其二，采用地质钻机成孔并将钻孔孔径控制在100～120mm，确保了检查孔的成孔质量和孔径标准统一，为后续注水试验提供了可靠保障。适当的孔径既能容纳下摄像头、水位计等测试装置，又避免过大孔径对墙体结构造成过度扰动。与现有技术中孔径大小不规范或成孔质量难以保证的情况相比，本发明的方法提高了测试条件的稳定性和一致性，从而提高了渗透性能测试过程的准确性和可靠性。

其三，将检查孔按每5～10米深度划分为若干段进行测试，并严格保证钻孔垂直度，大幅提高了测试的精细度和分辨率。每段测试长度基本一致，能够精细识别防渗墙不同深度段的渗透性能差异，避免了现有技术中一次性测试长深度范围时可能掩盖局部高渗透区域的问题。同时，保持孔身垂直确保每个测试段准确对应墙体的目标深度范围，防止钻孔倾斜导致测试段偏离预定位置，从而进一步提高测试结果的精度和可信度。

其四，本发明在注水试验过程中，通过检查孔内摄像头和水位计实时观测钻孔内水位变化，并采用连续多次观测水位且两次读数变幅小于10cm作为水位稳定判据，保证了对水位稳定状态判断的科学性和准确性。该方法避免了人工目测带来的主观误差，通过多次间隔观测及严格稳定标准，防止过早结束试验或误判水位稳定状态。与现有技术相比，本发明极大提高了渗透系数测定结果的可靠性和精度，确保获得真实反映墙体渗透特性的试验数据。

其五，本发明利用变水头渗透试验原理，结合每段的起始水头、稳定水头及对应的时间差，并考虑该段钻孔的孔径和长度，精确计算各段混凝土防渗墙的渗透系数，使测试结果建立在严谨的理论基础上。通过这种基于公式的量化计算方式，确保了对各段渗透性能评价的科学性和准确性。相较于现有技术中依靠经验估计或未分段直接测算整体渗透性的做法，本发明的方法能够更精细地反映防渗墙各深度段的实际渗透特性，为渗透性能评估提供了可靠依据。

其六，本发明提供了各段渗透系数计算的具体公式，全面考虑了钻孔截面积、段厚度、孔径、径向渗流面积以及水头随时间变化等关键参数，使渗透系数计算过程标准化、明确化。各段渗透系数的计算更加全面和精确，不同测试人员或不同工程应用均可得到一致、可比的结果。由于公式涵盖了渗流路径面积等因素，相比现有技术中对渗流条件作简化假设的计算方法，本发明能够更真实地反映防渗墙的实际渗透情况，提高了计算结果的准确性和可信度。

其七，本发明方法适用于墙深50米及以上的混凝土防渗墙，并可覆盖圆形防渗墙、矩形防渗墙或一字形开敞式防渗墙等不同结构形式，体现出广泛的工程适用性。即使在超深防渗墙工程中，本方法依然能够有效实施，突破了现有技术在大深度或特殊形状防渗墙检测方面的局限性。无论防渗墙呈闭合环形、常规直线形还是其他复杂形式，本发明均可灵活运用，为各类大型防渗工程的渗透性能检测提供了可靠手段和技术保障。

综上，本发明克服了现有技术对于深防渗墙（墙深≥50m），常规的钻孔抽芯及室内试验测定方法和大范围抽水试验方法均存在不足之处，针对上述问题，本发明基于变水头测定渗透系数试验法原理，建立了防渗墙渗透系数计算数学模型，提出了一种适用于水利水电工程中测试与评定混凝土深防渗墙渗透特性的方法，该方法合理可行、简单直接、操作性强，参数获取简便，便于防渗墙工程实际操作，可为类似防渗墙工程的检查提供借鉴。

附图说明

图1为圆形防渗墙的结构示意图；

图2为本发明实施例的检查孔布置的示意图；

图3为本发明的检查孔平面布置示意图；

图4为图3中I处的检查孔大样布置示意图；

图5为本发明实施例的钻孔注水试验示意图；

图中，1-防渗墙、2-检查孔、3-防水阻塞器、4-钢套管、D-防渗墙厚度、H-防渗墙深度、R-竖井半径、-防渗墙钻孔孔径。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明的一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，包括：

根据防渗墙所在位置的地质条件和防渗墙混凝土浇筑记录，选择墙体槽段并布置若干个检查孔，每个检查孔按预定深度分为若干段，并逐段进行钻孔；

每个检查孔在第一段钻孔完成后进行注水试验，向钻孔内注入清水直至水位达到防渗墙墙顶，作为该段的起始水头并记录其对应时刻，监测钻孔内水位下降直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；

每个检查孔在后续每一段钻孔后进行注水试验，在该段孔内的上下边界处安装防水阻塞器封堵该段，通过防水阻塞器向钻孔内注入清水至预定高度，作为该段的起始水头并记录起始水头对应时刻，监测钻孔内水位变化直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；依次进行每个检查孔各段的钻孔及注水试验；

基于变水头测定渗透系数试验法原理，计算得出防渗墙每个检查孔各段的渗透系数；选择每个检查孔各段中的最大渗透系数与评定标准进行比较，评定混凝土防渗墙的渗透性能。

作为优选实施方式地，所述检查孔布置在断层破碎带或裂隙发育部位的墙体槽段处，所述检查孔的数量不少于3个。

作为优选实施方式地，所述检查孔采用地质钻机成孔，钻孔孔径为100～120mm。

作为优选实施方式地，所述检查孔按预定深度5～10m划分为若干段，并在钻进过程中保证孔身垂直度。

作为优选实施方式地，在注水试验时，通过设置于检查孔内的摄像头和水位计观察钻孔内水位变化情况，待水位稳定后，记录稳定水头对应时刻，连续测量5～10次，每次间隔20～30min，当连续两次观测水位数据变幅小于10cm时，判定该段水位已稳定并终止该段的注水试验。

作为优选实施方式地，所述检查孔的各段渗透系数按照变水头渗透试验原理计算获得，利用每一段的起始水头、稳定水头及其对应时刻差，并结合该段的钻孔孔径和钻孔长度，计算得到该段混凝土防渗墙的渗透系数。

作为优选实施方式地，所述混凝土防渗墙渗透性能的评定包括：若任一个检查孔各段中的最大渗透系数超过渗透系数上限值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能不合格；当所有检查孔各段中的最大渗透系数均未超过渗透系数上限值，但某一段的渗透系数超过渗透系数允许值时，判定相应检查孔所在槽段的混凝土防渗墙渗透性能不合格；当所有检查孔各段中的最大渗透系数均不超过渗透系数允许值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能合格。

作为优选实施方式地，所述渗透系数上限值设定为渗透系数允许值的10倍。

作为优选实施方式地，所述混凝土防渗墙的墙深≥50m，所述混凝土防渗墙为圆形防渗墙、矩形防渗墙或一字形开敞式防渗墙。

实施例：

本实施例所涉及的圆形防渗墙结构示意图、检查孔布置示意图、检查孔平面布置示意图、检查孔大样布置示意图、钻孔注水试验示意图分别见图1～图5所示。

具体地，本实施例的一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，包括如下步骤：

S1：防渗墙钻孔：根据防渗墙所处位置的地质条件和防渗墙混凝土浇筑记录，选择地质条件相对较差（例如：断层破碎带或者裂隙发育部位）、混凝土浇筑疑似存在质量问题（根据现场监理工程的浇筑记录）的槽段布置检查孔，孔径一般Φ110mm，采用地质钻机，每5m一段逐段进行钻孔，钻孔过程中严格控制孔斜，防止钻孔偏斜，破坏墙体，逐段进行的注水试验，并测量并记录数据，直至墙底，钻孔数量一般不少于3个，如图2和图3所示。

S2：第1段注水试验：第1段钻孔（孔径Φ110mm、段长为5m）完成后，向孔内注入清水，注满至墙顶，记录第1段起始水头（墙顶水头）对应的时刻，对应的墙顶水头即为；通过孔内摄像头和孔内水位计观察水位变化情况，待水位基本稳定后，记录稳定水头对应的时刻，连续测量5次，每次间隔20min，当连续2次观测水位数据变幅小于10cm时，该段水位观测即可结束，上述连续2次中的第1次稳定水位对应的时刻即为，终了稳定水头即为。

S3：第段注水试验：进行第段钻孔（孔径Φ110mm、段长为5m），孔内塞入Φ91mm钢套管专用防水阻塞器，防水阻塞器为可封堵段体的常规止水装置。防水阻塞器位于第段底部、第段顶部，阻塞完成后，向钢套管及第段钻孔内注入清水至预定高程，记录第段起始水头对应的时刻，对应的水头即为，通过孔内摄像头和孔内水位计观察水位变化情况，待水位基本稳定后，记录稳定水头对应的时刻，连续测量5次，每次间隔20min，当连续2次观测水位数据变幅小于10cm时，该段水位观测即可结束，上述连续2次中的第1次稳定水位对应的时刻即为，终了稳定水头即为。

按照上述方法，依次进行各段的钻孔及注水试验，记录相应时刻及水位高程，完成第1个检查孔第1至N段的全部注水试验。依次类推，完成其他检查孔各段注水试验。

S4：基于变水头测定渗透系数试验法原理，建立深防渗墙渗透系数计算数学模型，具体如下：

1）根据变水头测定渗透系数试验法原理，即式（1）～式（3），如图2所示，推导得出防渗墙通用渗透系数，即式（4）；

（1）

（2）

（3）

（4）

式中，：防渗墙渗透系数，：防渗墙钻孔孔径（cm）；：防渗墙厚度（cm）；：防渗墙钻孔面积（cm²）；：防渗墙径向渗透面积（cm²）；：防渗墙开始注水检查起始水头对应的时刻（min）；：防渗墙注水检查终了稳定水头对应的时刻（min）；：防渗墙开始注水检查对应的起始水头（cm）；：防渗墙注水检查终了稳定水头（cm）。

2）根据式（5）～式（10）分别计算得出防渗墙钻孔第段、第段、第段、第段的渗透系数、、、；

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

式中：

、、：防渗墙第段、第段、第段钻孔孔径（cm）；

、、：防渗墙第段、第段、第段厚度（cm）；

、、：防渗墙第段、第段、第段钻孔面积（cm²）；

、、：防渗墙第段、第段、第段径向渗透面积（cm²）；

、、：防渗墙第段、第段、第段开始注水检查起始水头对应的时刻（min）；

、、：防渗墙第段、第段、第段注水检查终了稳定水头对应的时刻（min）；

、、：防渗墙第段、第段、第段开始注水检查对应的起始水头（cm）；

、、：防渗墙第段、第段、第段注水检查终了稳定水头（cm）；

：第段钻孔长度，一般为5m。

3）根据式（11）分别计算得出该防渗墙段的最大渗透系数；

（11）

式中，～：分别为防渗墙第1～N段的渗透系数（cm/s）。

S5：评价防渗墙渗透性能

渗透系数允许值可依据相关工程规范或设计要求确定。具体地，根据类似工程经验，防渗墙渗透系数一般按照不超过渗透系数允许值控制；若渗透系数大于10倍的该值，即渗透系数上限值，则渗透系数过大，可判定为墙体质量不满足要求；若渗透系数处于1～10倍之间，可认为墙体可能存在质量问题；若渗透系数不超过渗透系数允许值，可判定墙体质量满足工程要求。

具体地，评价防渗墙渗透性能方法如下：

①若各检查孔中某一段最大渗透系数大于渗透系数上限值，即，则可直接判定该圆形防渗墙渗透系数不满足规范要求，该防渗墙整体混凝土浇筑质量可能存在问题，需进行补充加固处理；

②若所有检查孔各段中的最大渗透系数均未超过渗透系数上限值，但某一段的渗透系数超过渗透系数允许值时，即若，但某一段渗透系数，则判定该孔所在的槽段（防渗墙局部）渗透系数不满足要求，该槽段混凝土浇筑质量可能存在问题，该槽段需进一步检查后进行补强处理；

③若所有检查孔各段中的最大渗透系数均不超过渗透系数允许值时，即若所有孔段渗透系数，则可判定该防渗墙渗透系数和混凝土浇筑质量均满足规范要求。

上述①～③步的判定表达式见式（12）所示：

（12）

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种测试与评定混凝土防渗墙渗透特性的方法，其特征在于，包括：

根据防渗墙所在位置的地质条件和防渗墙混凝土浇筑记录，选择墙体槽段并布置若干个检查孔，每个检查孔按预定深度分为若干段，并逐段进行钻孔；

每个检查孔在第一段钻孔完成后进行注水试验，向钻孔内注入清水直至水位达到防渗墙墙顶，作为该段的起始水头并记录其对应时刻，监测钻孔内水位下降直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；

每个检查孔在后续每一段钻孔后进行注水试验，在该段孔内的上下边界处安装防水阻塞器封堵该段，通过防水阻塞器向钻孔内注入清水至预定高度，作为该段的起始水头并记录起始水头对应时刻，监测钻孔内水位变化直至稳定，记录该段的稳定水头及其对应时刻；依次进行每个检查孔各段的钻孔及注水试验；

基于变水头测定渗透系数试验法原理，计算得出防渗墙每个检查孔各段的渗透系数；选择每个检查孔各段中的最大渗透系数与评定标准进行比较，评定混凝土防渗墙的渗透性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检查孔布置在断层破碎带或裂隙发育部位的墙体槽段处，所述检查孔的数量不少于3个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检查孔采用地质钻机成孔，钻孔孔径为100～120mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检查孔按预定深度为5～10m划分为若干段。

5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，在注水试验时，通过设置于检查孔内的摄像头和水位计观察钻孔内水位变化情况，待水位稳定后，记录稳定水头对应时刻，连续测量5～10次，每次间隔20～30min，当连续两次观测水位数据变幅小于10cm时，判定该段水位已稳定并终止该段的注水试验。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述检查孔的各段渗透系数按照变水头渗透试验原理计算获得，利用每一段的起始水头、稳定水头及其对应时刻差，并结合该段的钻孔孔径和钻孔长度，计算得到该段混凝土防渗墙的渗透系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述检查孔的各段渗透系数计算公式具体为：

；

式中，为防渗墙第段渗透系数；为防渗墙第段钻孔面积；为防渗墙第段厚度；为防渗墙第段钻孔孔径；为防渗墙第段开始注水检查对应的起始水头；为防渗墙第段注水检查终了稳定水头；为防渗墙第段径向渗透面积；为防渗墙第段开始注水检查起始水头对应的时刻，为防渗墙第段注水检查终了稳定水头对应的时刻；为防渗墙第段钻孔孔径；为防渗墙第段钻孔长度； =1,2,...,N。

8.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述混凝土防渗墙渗透性能的评定包括：

若任一个检查孔各段中的最大渗透系数超过渗透系数上限值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能不合格；

若所有检查孔各段中的最大渗透系数均未超过渗透系数上限值，但某一段的渗透系数超过渗透系数允许值时，判定相应检查孔所在槽段的混凝土防渗墙渗透性能不合格；

若所有检查孔各段中的最大渗透系数均不超过渗透系数允许值时，判定混凝土防渗墙的渗透性能合格。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述渗透系数上限值设定为渗透系数允许值的10倍。

10.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述混凝土防渗墙的墙深≥50m，所述混凝土防渗墙为圆形防渗墙、矩形防渗墙或一字形开敞式防渗墙。