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摘要：在水利水电堤防、大坝、船闸等枢纽工程中，对建筑物地基土体积基岩风化层，及本身以土作材料和防渗体的防渗帷幕中，常用渗透系数(K)对其进行渗透性及渗透稳定性的分析评价。本文结合锡澄运河新夏港船闸项目，浅析了微水头试验在铣削水泥搅拌墙渗透性检测方面的便利应用。
关键词：渗透系数；微水头试验；应用
中图分类号：Q272文献标识码： A
1、工程概况
锡澄运河新夏港船闸工程项目是锡澄运河航道整治工程的组成部分，该船闸是整治后锡澄运河的入江口门，位于江阴市新夏港河水利套闸处，船闸为Ⅲ级船闸，建设规模为2×180×23×4.0m（线数×闸室长×口门宽×最小槛上水深）。船闸下闸首距离长江主航道1.5km，船闸起点为锡澄运河航道桩号K36+472，终点桩号为锡澄运河与长江主航道交点K38+710。
船闸施工设计中考虑到分离式闸室不能满足抗渗稳定性要求，在船闸闸首、闸室周围设计永久防渗帷幕进行处理，防渗墙体沿闸室周边布置，分别形成两个闸室的封闭圈。设计防渗墙采用宽度为0.8m铣削深搅水泥搅拌墙，墙底进入相对不透水的粉质粘土层（③-2b3土层）2m，闸室墙顶标高0m，上闸首墙顶标高-7.49m，下闸首墙顶标高-8.61m，墙底标均为-28.0m，进入相对不透水的粉质粘土层（③-2b3土层）2m。
2、铣削深搅水泥搅拌墙渗透性检测方法研究
铣削深搅水泥搅拌墙近几年才开始在中国得到应用，目前为止还没形成成套施工工艺、质量控制标准和检测技术。在水利水电堤防、大坝、船闸等枢纽工程中，对建筑物地基土体积基岩风化层，以及本身以土作材料和防渗体的防渗帷幕中，常用渗透系数(K)对其进行渗透性及稳定性分析评价。
3、微水头试验的检测应用
3.1 微水头试验原理
微水头试验时，瞬时使测孔内水位发生微小变化（降低或升高，如图1、2所示），随后观测水位恢复的时间过程。与常规抽、注水试验相比，水头变化微小，因此在获取含水层渗透系数时，不仅需要很高的测量精度，还需要较高的采集频率。
图1 微水头注水试验初始状态图2 注水后状态
假定水是不可压缩的，水量平衡方程为：
（1）
等式左边代表的是向钻孔中注水后通过向周围含水层扩散的瞬时流量，右边代表的是钻孔中水位下降所消失的水量。它表明试验过程中钻孔中消失的水正好进入到了含水层中。
根据水量平衡方程和达西定律，结合边界条件与初始条件得：
式中：---相对水头；---径向半径；---纵向坐标；---垂向渗透系数；---径向渗透系数；---钻孔中相对水头；钻孔中初始相对水头；---时间；，--钻孔半径；---试验段底部纵坐标；---试验段长度。
解上述数学方程得：
（2）
式中：。
若地层渗透性各向相等，即，化简，则有
（3）
通过公式（3），利用采集得到的任意时刻钻孔中水头数据代入到公式即可计算得出渗透系数，具体的计算与数据处理步骤如下：
绘制ln（H（t）/H0） —t曲线，t表示的是注水完成后水头压力到达最大（最高水位）为初始0时刻开始计算的时间。H0 和H（t）为0时刻和t时刻的压力水头。
由公式（3）可以看出理论曲线为直线，实测曲线会一定波动，拟合数据，得到直线段的斜率为，即代入公式（3）中即可计算出渗透系数。
3.2 降水头注水试验过程
微水头注水试验主要分三各过程：(1) 瞬时改变测孔水位；(2) 测试并记录测孔水位的水位恢复过程；(3) 应用相应计算模型求解渗透系数。计算前先绘制ln（H（t）/H0）——t曲线，曲线会有一条明显的直线段，此直线段的斜率为k即为公式（3）的最后一项（k=ln（H（t）/H0）/t）。
3.3 分段微水头注水试验
3.3.1 試验仪器介绍
采用双栓塞分段微水头降水头注水试验系统进行分段微水头注水试验，该系统是基于微水头注水试验原理而设计，它可用于分段测量钻孔附近含水层的渗透系数。其基本原理为：通过打气筒向栓塞内充入一定量气压使栓塞膨胀，从而将被测段钻孔上下密封，然后通过导水管向被测段钻孔中施加一个附加水头，根据此附加水头随时间的变化计算得出被测量段的渗透系数，该试验系统成本低，测量结果准确，操作方便的优点。
该试验系统主要包括双栓塞密封装置及降水头实验装置两部分。其中双栓塞密封装置安装在一段空心圆管上，构成测量探头，栓塞通过导气管与地面的高压气筒相连，导气管地面段连接有单向阀门和压力计，单向阀门确保气体只进不出，压力计用来观察打气筒压入的气压。实验装置用三脚架设置在地面，上部为一个定制量筒，量筒底部用水管连接至被测段钻孔，通过向量筒内加水给被测段施加附加水头。两个栓塞之间的圆管上设有许多小孔，使上部施加的水头能够作用于被测段钻孔壁，并与该段含水层的水相互连通。探头顶部连接有事先标好刻度的钢丝绳来控制双栓塞的深度。
3.3.2试验步骤
本试验在现场实施时主要包括以下几点：
（1）测量钻孔内径、钻孔深度、量筒半径等必要参数。
（2）通过钢丝绳将探头放至钻孔中一定深度处，并将钢丝绳固定在地面上，计算封堵所需的气压。
（3）通过高压气筒压气至指定的封堵气压。此时栓塞已充分膨胀，被测段钻孔被上下密封。
（4）将三脚架安置在测井上方，上部装上量筒，量筒底部与通往被测段的导水管相连，向量筒内注水至某一刻度，记录此时量筒读数及时间，并记录钻孔中液面至量筒底部的高度。
（5）观察量筒内水液面的下降，每隔一定时间记录此时量筒读数和时间，记录十到二十组数据即可结束本次试验。
（6）通过阀门将栓塞内气体排出，然后把探头移至下一深度，重复步骤（3）~（5），直到测完整个测井。
3.4 测试结果及分析
3.4.1微水头注水试验分析
本次实验分别对试验段的1#墙中孔、4#墙中孔、4#和5#墙搭接处中孔、及5#墙中孔等4个钻孔进行微水头注水试验，测得各个钻孔处水泥土搅拌墙渗透系数。
1#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图如图4所示。利用公式（3）计算出1#墙中心孔渗透系数为3.4×10-6 cm/s。
图3 1#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
4#墙中孔的ln(ht/h0) ～ t 关系图如图5所示。利用公式（3）计算出4#墙中孔的渗透系数为8.6×10-6 cm/s。
图4 4#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
4#和5#墙搭接处中孔的ln(ht/h0)～t 关系图如图6所示。利用公式（3）计算出4#和5#墙搭接处中孔的渗透系数为1.5×10-6 cm/s。
图5 4#和5#墙搭接处中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
5#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图如图7所示，利用公式（3）计算出5#墙中心孔的渗透系数为2.5×10-6 cm/s。
图6 5#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
综上成果，由微水头注水试验法测得渗透系数汇总如表2所示。
表2微水头注水试验法测得各试验墙段渗透系数
3.4.2 分段微水头注水试验结果分析
对4#墙中心孔的5个不同深度进行分段微水头注水试验，结果如下：
4#墙中孔深度3m段的ln(ht/h0)～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度3m段渗透系数为4.5×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度4m段的ln(ht/h0) ～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度4m段渗透系数为6.7×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度5m段的ln(ht/h0) ～t ，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度5m段渗透系数为1.6×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度7m段的ln(ht/h0) ～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度7m段渗透系数为9.2×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度10m段的ln(ht/h0)～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度10m段渗透系数为1.4×10-6 cm/s。
综上所述，利用分段降水头注水试验法测得4#墙中心孔内5个不同深度处渗透系数试验结果均满足设计要求。
4、总结
在渗透系数测定中，微水头试验比常规注水试验方便、周期短，具有更广泛的应用。
关键词：渗透系数；微水头试验；应用
中图分类号：Q272文献标识码： A
1、工程概况
锡澄运河新夏港船闸工程项目是锡澄运河航道整治工程的组成部分，该船闸是整治后锡澄运河的入江口门，位于江阴市新夏港河水利套闸处，船闸为Ⅲ级船闸，建设规模为2×180×23×4.0m（线数×闸室长×口门宽×最小槛上水深）。船闸下闸首距离长江主航道1.5km，船闸起点为锡澄运河航道桩号K36+472，终点桩号为锡澄运河与长江主航道交点K38+710。
船闸施工设计中考虑到分离式闸室不能满足抗渗稳定性要求，在船闸闸首、闸室周围设计永久防渗帷幕进行处理，防渗墙体沿闸室周边布置，分别形成两个闸室的封闭圈。设计防渗墙采用宽度为0.8m铣削深搅水泥搅拌墙，墙底进入相对不透水的粉质粘土层（③-2b3土层）2m，闸室墙顶标高0m，上闸首墙顶标高-7.49m，下闸首墙顶标高-8.61m，墙底标均为-28.0m，进入相对不透水的粉质粘土层（③-2b3土层）2m。
2、铣削深搅水泥搅拌墙渗透性检测方法研究
铣削深搅水泥搅拌墙近几年才开始在中国得到应用，目前为止还没形成成套施工工艺、质量控制标准和检测技术。在水利水电堤防、大坝、船闸等枢纽工程中，对建筑物地基土体积基岩风化层，以及本身以土作材料和防渗体的防渗帷幕中，常用渗透系数(K)对其进行渗透性及稳定性分析评价。
3、微水头试验的检测应用
3.1 微水头试验原理
微水头试验时，瞬时使测孔内水位发生微小变化（降低或升高，如图1、2所示），随后观测水位恢复的时间过程。与常规抽、注水试验相比，水头变化微小，因此在获取含水层渗透系数时，不仅需要很高的测量精度，还需要较高的采集频率。
图1 微水头注水试验初始状态图2 注水后状态
假定水是不可压缩的，水量平衡方程为：
（1）
等式左边代表的是向钻孔中注水后通过向周围含水层扩散的瞬时流量，右边代表的是钻孔中水位下降所消失的水量。它表明试验过程中钻孔中消失的水正好进入到了含水层中。
根据水量平衡方程和达西定律，结合边界条件与初始条件得：
式中：---相对水头；---径向半径；---纵向坐标；---垂向渗透系数；---径向渗透系数；---钻孔中相对水头；钻孔中初始相对水头；---时间；，--钻孔半径；---试验段底部纵坐标；---试验段长度。
解上述数学方程得：
（2）
式中：。
若地层渗透性各向相等，即，化简，则有
（3）
通过公式（3），利用采集得到的任意时刻钻孔中水头数据代入到公式即可计算得出渗透系数，具体的计算与数据处理步骤如下：
绘制ln（H（t）/H0） —t曲线，t表示的是注水完成后水头压力到达最大（最高水位）为初始0时刻开始计算的时间。H0 和H（t）为0时刻和t时刻的压力水头。
由公式（3）可以看出理论曲线为直线，实测曲线会一定波动，拟合数据，得到直线段的斜率为，即代入公式（3）中即可计算出渗透系数。
3.2 降水头注水试验过程
微水头注水试验主要分三各过程：(1) 瞬时改变测孔水位；(2) 测试并记录测孔水位的水位恢复过程；(3) 应用相应计算模型求解渗透系数。计算前先绘制ln（H（t）/H0）——t曲线，曲线会有一条明显的直线段，此直线段的斜率为k即为公式（3）的最后一项（k=ln（H（t）/H0）/t）。
3.3 分段微水头注水试验
3.3.1 試验仪器介绍
采用双栓塞分段微水头降水头注水试验系统进行分段微水头注水试验，该系统是基于微水头注水试验原理而设计，它可用于分段测量钻孔附近含水层的渗透系数。其基本原理为：通过打气筒向栓塞内充入一定量气压使栓塞膨胀，从而将被测段钻孔上下密封，然后通过导水管向被测段钻孔中施加一个附加水头，根据此附加水头随时间的变化计算得出被测量段的渗透系数，该试验系统成本低，测量结果准确，操作方便的优点。
该试验系统主要包括双栓塞密封装置及降水头实验装置两部分。其中双栓塞密封装置安装在一段空心圆管上，构成测量探头，栓塞通过导气管与地面的高压气筒相连，导气管地面段连接有单向阀门和压力计，单向阀门确保气体只进不出，压力计用来观察打气筒压入的气压。实验装置用三脚架设置在地面，上部为一个定制量筒，量筒底部用水管连接至被测段钻孔，通过向量筒内加水给被测段施加附加水头。两个栓塞之间的圆管上设有许多小孔，使上部施加的水头能够作用于被测段钻孔壁，并与该段含水层的水相互连通。探头顶部连接有事先标好刻度的钢丝绳来控制双栓塞的深度。
3.3.2试验步骤
本试验在现场实施时主要包括以下几点：
（1）测量钻孔内径、钻孔深度、量筒半径等必要参数。
（2）通过钢丝绳将探头放至钻孔中一定深度处，并将钢丝绳固定在地面上，计算封堵所需的气压。
（3）通过高压气筒压气至指定的封堵气压。此时栓塞已充分膨胀，被测段钻孔被上下密封。
（4）将三脚架安置在测井上方，上部装上量筒，量筒底部与通往被测段的导水管相连，向量筒内注水至某一刻度，记录此时量筒读数及时间，并记录钻孔中液面至量筒底部的高度。
（5）观察量筒内水液面的下降，每隔一定时间记录此时量筒读数和时间，记录十到二十组数据即可结束本次试验。
（6）通过阀门将栓塞内气体排出，然后把探头移至下一深度，重复步骤（3）~（5），直到测完整个测井。
3.4 测试结果及分析
3.4.1微水头注水试验分析
本次实验分别对试验段的1#墙中孔、4#墙中孔、4#和5#墙搭接处中孔、及5#墙中孔等4个钻孔进行微水头注水试验，测得各个钻孔处水泥土搅拌墙渗透系数。
1#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图如图4所示。利用公式（3）计算出1#墙中心孔渗透系数为3.4×10-6 cm/s。
图3 1#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
4#墙中孔的ln(ht/h0) ～ t 关系图如图5所示。利用公式（3）计算出4#墙中孔的渗透系数为8.6×10-6 cm/s。
图4 4#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
4#和5#墙搭接处中孔的ln(ht/h0)～t 关系图如图6所示。利用公式（3）计算出4#和5#墙搭接处中孔的渗透系数为1.5×10-6 cm/s。
图5 4#和5#墙搭接处中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
5#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图如图7所示，利用公式（3）计算出5#墙中心孔的渗透系数为2.5×10-6 cm/s。
图6 5#墙中孔的ln(ht/h0) ～t 关系图
综上成果，由微水头注水试验法测得渗透系数汇总如表2所示。
表2微水头注水试验法测得各试验墙段渗透系数
3.4.2 分段微水头注水试验结果分析
对4#墙中心孔的5个不同深度进行分段微水头注水试验，结果如下：
4#墙中孔深度3m段的ln(ht/h0)～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度3m段渗透系数为4.5×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度4m段的ln(ht/h0) ～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度4m段渗透系数为6.7×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度5m段的ln(ht/h0) ～t ，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度5m段渗透系数为1.6×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度7m段的ln(ht/h0) ～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度7m段渗透系数为9.2×10-6 cm/s。
4#墙中孔深度10m段的ln(ht/h0)～t，利用公式（3）计算出4#墙中心孔深度10m段渗透系数为1.4×10-6 cm/s。
综上所述，利用分段降水头注水试验法测得4#墙中心孔内5个不同深度处渗透系数试验结果均满足设计要求。
4、总结
在渗透系数测定中，微水头试验比常规注水试验方便、周期短，具有更广泛的应用。