本發(fā)明涉及包氣帶巖土飽和滲透系數(shù)測試技術(shù)，基于包氣帶滲透特性對井孔水入滲規(guī)律的作用效果，提出包氣帶鉆孔常水頭注水試驗(yàn)飽和滲透系數(shù)測試方法。

背景技術(shù)：

飽和滲透系數(shù)是綜合反映巖土滲透能力的一個指標(biāo)，其數(shù)值的準(zhǔn)確確定對水在巖土中的滲流計算有著非常重要的意義。影響飽和滲透系數(shù)大小的因素很多，如巖土顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)及水的粘滯性等，要建立計算飽和滲透系數(shù)的精確理論公式比較困難，通常采用試驗(yàn)方法，包括室內(nèi)試驗(yàn)法和原位試驗(yàn)法來確定。室內(nèi)試驗(yàn)法具有工作強(qiáng)度小、快速便捷、試驗(yàn)條件可控穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時也存在著土樣易被擾動、尺寸較小、代表性差等缺點(diǎn)；原位試驗(yàn)法測得的飽和滲透系數(shù)為較大范圍的滲流區(qū)內(nèi)巖土的平均值，可以較為真實(shí)地反映天然狀態(tài)下巖土的滲透性質(zhì)。

關(guān)于野外原位測試方法，《注水試驗(yàn)規(guī)程》(YS5214-2000，由中國有色金屬工業(yè)協(xié)會頒布，中國計劃出版社出版，簡稱《規(guī)程一》)及《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL345-2007，由中華人民共和國水利部頒布，中國水利水電出版社出版，簡稱《規(guī)程二》)均提供了試坑單環(huán)注水試驗(yàn)、試坑雙環(huán)注水試驗(yàn)、鉆孔降水頭注水試驗(yàn)及鉆孔常水頭注水試驗(yàn)四種方法，這些方法在冶金、水利及建筑等行業(yè)巖土工程勘探作業(yè)中起到了重要的指導(dǎo)作用。

試坑單/雙環(huán)注水試驗(yàn)可用于地下水位以上巖土層飽和滲透系數(shù)的測試，是目前包氣帶巖土層飽和滲透系數(shù)測試的常用方法，具有設(shè)備簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是也具有試驗(yàn)段較淺、數(shù)據(jù)誤差大等缺點(diǎn)。其中，單環(huán)法流線復(fù)雜且側(cè)向擴(kuò)散滲透流量較大，所測得的飽和滲透系數(shù)偏大，雙圓環(huán)法雖然可以避免側(cè)滲影響，但入滲試段較淺，所測的飽和滲透系數(shù)偏小。若要測試深層巖土飽和滲透系數(shù)，則應(yīng)采用鉆孔注水試驗(yàn)法?！兑?guī)程一》提供了包氣帶鉆孔降水頭注水試驗(yàn)飽和滲透系數(shù)測試方法，但由于計算公式與影響條件十分復(fù)雜，目前一般應(yīng)用較少而處于研究和積累資料階段。在《規(guī)程一》基礎(chǔ)之上形成的《規(guī)程二》則將該方法修正為鉆孔常水頭注水試驗(yàn)，并給出了飽和滲透系數(shù)計算公式及適用條件，然而，對張貽火的文章“鉆孔注水試驗(yàn)方法淺析”(《資源環(huán)境與工程》期刊,2008,22(10))、盛林的文章“常水頭注水試驗(yàn)不同水頭對滲透系數(shù)的影響”(《小水電》期刊，2015(02))的研究發(fā)現(xiàn)，修正后的試驗(yàn)方法其飽和滲透系數(shù)計算公式和適用條件具有較大的局限性，甚至存在矛盾的地方，應(yīng)用十分不便。因此，目前針對包氣帶巖土，尤其是深層巖土，缺乏準(zhǔn)確可靠的飽和滲透系數(shù)原位測試技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服目前包氣帶巖土飽和滲透系數(shù)原位測試上的不足，提供一種包氣帶鉆孔常水頭注水試驗(yàn)飽和滲透系數(shù)測試方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種包氣帶鉆孔常水頭注水試驗(yàn)飽和滲透系數(shù)測試方法，包括以下步驟：

第一步，試驗(yàn)準(zhǔn)備、確定試驗(yàn)點(diǎn)并鉆孔：

注水試驗(yàn)鉆孔除應(yīng)符合中華人民共和國水利部頒布的SL291-2003《水利水電工程鉆探規(guī)程》有關(guān)規(guī)定外，鉆孔不可使用泥漿鉆進(jìn)，孔底沉淀物厚度在10厘米以內(nèi)，并防止巖土層被擾動；對孔壁穩(wěn)定性差的鉆孔采用花管護(hù)壁，鉆孔試驗(yàn)段為注水試驗(yàn)中孔內(nèi)注水范圍，試驗(yàn)段要位于均勻的巖土層，試驗(yàn)段高度H在0.6-2米之間；

第二步，確定測試巖土性質(zhì)及非飽和滲透特征值：

采集第一步鉆孔所得巖土，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或采用粒徑分析的方法確定巖土的性質(zhì)與分類，根據(jù)Van Genuchten模型擬合并繪制巖土相對滲透特征曲線，根據(jù)關(guān)系式(1)計算巖土非飽和滲透特征值F；

關(guān)系式(1)：

$F=\underset{0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{K}_{r}d\mathrm{\ψ}=\underset{0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{K_s}d\mathrm{\ψ}---\left(1\right);$

關(guān)系式(1)中F為巖土非飽和滲透特征值，K_r為相對滲透系數(shù)；K_s為飽和滲透系數(shù)；K_θ為含水率為θ時的滲透系數(shù)；ψ為基質(zhì)吸力；

第三步，進(jìn)行注水試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

鉆孔完成后，按照試驗(yàn)段高度H在0.6-2米之間的要求，向鉆孔內(nèi)注入清水，并保持鉆孔內(nèi)水位恒定不變，用流量計或量桶量測注入流量，按照SL345-2007《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》附錄A表A.0.3-1進(jìn)行記錄，并繪制注入流量與時間的關(guān)系曲線；

量測應(yīng)符合下列規(guī)定：

開始每隔5分鐘量測一次，連續(xù)量測5次；以后每隔30分鐘量測一次并至少連續(xù)量測6次，當(dāng)連續(xù)2次量測的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10％時，試驗(yàn)即可結(jié)束；取最后一次注入流量作為計算值；

第四步，數(shù)據(jù)整理，計算飽和滲透系數(shù)：

采用關(guān)系式(2)計算試驗(yàn)巖土的飽和滲透系數(shù)；

關(guān)系式(2)：

$K_s=\frac{Q_s}{2\mathrm{\π}S\·F\·R\·H},R\<\<2H---\left(2\right);$

關(guān)系式(2)中Q_s為鉆孔穩(wěn)定入滲流量；S為入滲系數(shù)；K_s為飽和滲透系數(shù)；F為巖土非飽和滲透特征值；R為鉆孔半徑，H為試驗(yàn)段高度，即鉆孔內(nèi)注水深度；

入滲系數(shù)S按表1選用，對于R與1/F值不在表中的情況，可以使用線性內(nèi)插法計算；

表1：入滲系數(shù)設(shè)計計算表

表1中鉆孔半徑R的單位為米。

本發(fā)明的積極效果：(1)考慮了巖土非飽和滲透特性對井孔入滲的影響，測試結(jié)果更準(zhǔn)確。(2)給出了不同孔徑和土性下入滲系數(shù)設(shè)計計算表——表1，飽和滲透系數(shù)計算更方便，工作效率成倍提高。

具體實(shí)施方式

采用本發(fā)明在贛南某離子型稀土礦山進(jìn)行了不公開測試，實(shí)施過程如下：

第一步，試驗(yàn)準(zhǔn)備、確定試驗(yàn)點(diǎn)并鉆孔。

在贛南某離子型稀土礦山山頂某處，采用洛陽鏟鉆孔成孔，鉆孔深度2.80米，鉆孔半徑0.09米。

第二步，確定測試巖土性質(zhì)及非飽和滲透特征值。

采集鉆孔所得巖土，根據(jù)粒徑分析及工程經(jīng)驗(yàn)判斷，確定為粉土。根據(jù)Van Genuchten模型擬合并繪制巖土相對滲透特征曲線，根據(jù)關(guān)系式(1)計算巖土非飽和滲透特征值，F(xiàn)＝8.50千帕。

關(guān)系式(1)：

$F=\underset{0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{K}_{r}d\mathrm{\ψ}=\underset{0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{K_s}d\mathrm{\ψ}---\left(1\right);$

關(guān)系式(1)中F為巖土非飽和滲透特征值，K_r為相對滲透系數(shù)；K_s為飽和滲透系數(shù)；K_θ為含水率為θ時的滲透系數(shù)；ψ為基質(zhì)吸力；

第三步，進(jìn)行注水試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用水箱盛水，連續(xù)向鉆孔內(nèi)注入清水，保持鉆孔內(nèi)水深H＝1.1米恒定不變，用量桶量測注入流量，按《規(guī)程二》附錄A表A.0.3-1記錄數(shù)據(jù)，并繪制注入流量與時間關(guān)系曲線。當(dāng)連續(xù)2次量測的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10％時，試驗(yàn)即完成。取最后一次注入流量作為計算值，即Q_s＝2.4立方米每天。

第四步，數(shù)據(jù)整理，計算飽和滲透系數(shù)。

根據(jù)鉆孔半徑及巖土分類，通過查表1得到入滲系數(shù)S＝0.946，采用關(guān)系式(2)計算試驗(yàn)巖土的飽和滲透系數(shù)，即K_s＝0.45米每天。

關(guān)系式(2)：

$K_s=\frac{Q_s}{2\mathrm{\π}S\·F\·R\·H},R\<\<2H---\left(2\right);$

關(guān)系式(2)中Q_s為鉆孔穩(wěn)定入滲流量；S為入滲系數(shù)；K_s為飽和滲透系數(shù)；F為巖土非飽和滲透特征值；R為鉆孔半徑，H為試驗(yàn)段高度，即鉆孔內(nèi)注水深度；

應(yīng)用效果：為驗(yàn)證采用本發(fā)明測試結(jié)果的有效性，采用室內(nèi)試驗(yàn)法測定兩組土樣的飽和滲透系數(shù)，測試結(jié)果平均值為K_s＝0.42米每天，與采用本發(fā)明測試結(jié)果比較接近，表明本發(fā)明是有效的。