人工示踪法测试砂土渗透流速的试验研究.docx

1、水利技术人工示踪法测试砂土渗透流速的试验研究高为壮陈亮夏兵兵熊坚(河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,河海大学岩土工程与科学研究所，南京210098)摘要流速是反映岩土体渗透特性、判断水利工程防渗效果的最直观参数；而现场岩土体中的流速却很难直接测得。自行设计室内试验装置，将食盐溶液作为示踪剂，使用电导率仪采集测试管中电导率。通过拟合得出电导率随时间的变化关系遵循指数分布,利用稀释定理计算得出测试土体中的渗透流速。将测试流速与实际流速进行对比得出，在各水利梯度下，试验中测试流速均比实际流速偏大，其误差在20%30%。关键词稀释定理示踪法食盐溶液电导率渗透流速中图法分类号TV223.4；文

2、献标志码B(2)据2006年全国水库普查，我国约有40%水库存在安全隐患，在发生破坏的水库及堤防工程中渗透破坏是主要原因。只有及时有效的发现坝体形成渗漏通道的位置以及渗漏流速，有针对性的对大坝进行加固处理，才能保障大坝安全运行。目前探测大坝渗漏通道的方法很多，主要有流场法、基于电场和磁场的地球物理探测方法和示踪法等。其中基于电场和磁场的地球物理探测方法主要有自然电场法、高密度电阻率法、瑞利波法、探地雷达法和瞬变电磁法等。示踪法包括天然示踪法和人工示踪法，天然示踪法主要是利用地下水的化学成分、同位素成分以及水的温度和电导来了解地下水的补给源以及补给途径的地层性质等，获得渗漏问题。以上各种方法都是

3、间接获取渗漏通道的位置，对于渗漏区直接反映渗透特性的渗流流速却无法获得，从而不能够对堤防隐患作出较准确的判断。流速是地下水的重要参数,在水利、水文地质、工程勘察、环境保护、供水、水资源、采矿等领域都占据重要的作用。Moser最早建立了单井测定地下水渗透流速的示踪剂点稀释定理，并使用放射性同位素进行了现场试验;Michalski使用生理盐水作为示踪剂进行了现场研究，获取了试验区地下水的水平流速；Tsang使用去离子水作为示踪剂进行了现场试验研究；MPitrak使用食用色素亮蓝FCF作为示踪剂进行了现场试验研究。20世纪80年代我国引进放射性同位素单孔稀释示踪法测定地下水的流速，并研制了各种仪器，

4、将此方法应用于工程实2014年3月5日收到第一作者简介：高为壮，男。硕士研究生。E-mail：712314915。际获得了很好的效果。陈建生建立了存在垂向流条件下广义的井中示踪剂稀释物理模型。叶合欣根据示踪剂质量守恒原理重新建立了示踪稀释物理模型，利用微元法推导了含水层水平流速计算新公式，修正了广义稀释定理。林统根据示踪剂质量守恒的原理建立了基于质量守恒的示踪测速模型，考虑了测井中水流垂向运动的影响。但以往的研究大多基于理论研究及现场应用，对于室内试验相关的研究却很少，同时关于稀释法所测定的渗透流速与实际流速的对比分析也较少。通过自行设计室内试验装置,使用食盐溶液作为示踪剂,在砂土中进行了示踪

5、试验测试渗透流速，将测试流速和实际流速进行了对比，并分析了误差产生的相关因素。1试验原理Moser等人建立单孔稀释模型,设示踪剂在稀释水柱内和水均匀混合，滤水管的轴线与含水层整个厚度的水流流线正交;水平流连续均匀稳定;无垂向水流的干扰。由于渗漏水流动，则滤水管内示踪剂浓度的递减可用下述基本方程式表示：C=3土(1)式中:c°为t=0时示踪剂的浓度；，为时间;C为t时刻示踪剂的浓度;而8=Q=2心俄_2*_2的fV_irrc_7rrc式(2)中：Q为单位时间流经井的水量；/为稀释水柱体积；仁为滤水管内径；h为稀释水柱的高度；为流经井的流速；vf为含水层中水的渗透流速;a为因滤水管在含水

6、层中的存在引起的流程畸变的校正系数。由式（2）可得：食盐溶液在0.24422.442mol/L之间时，其浓度与其电导率成线性关系，因此，测试中可以用电导率的变化来代替食盐溶液浓度的变化。2试验范围为01.999xlOS/cm。2.3试验水力梯度本次试验共在四个水力梯度下进行，各水力梯度如表1所示。表1水力梯度Table1Hydraulicgradient水头差/mm255075100水力梯度0.0780.1560.2340.3132.1试验装置图1试验装置示意图（mm）Fig.1Schematicdiagramoftheapparatus（mm）进水口2.4试验过程2.4.1 装样与饱和试验用

7、料为现场采取的砂土，其级配曲线如图2所示，由图2可知粒径大于0.25mm的颗粒超过全重的50%,属于中砂。试验装样采用水下抛填的方法,先将试验槽内水位提升至一定高度（略低于填筑该层砂样的高度），然后将一定质量的砂土加少量水搅拌均匀并填入砂槽中，压实至预定高度（每层装样50mm,孔隙比e=0.64）o按此方法装填下一层,直至土样装填完成。采用水下抛填能够在土样饱和的过程中达到更好的效果，排除饱和不完全对试验的干扰。土样装填完成后，保持砂槽内水位高于土样上表面，继续饱和24h。饱和完成后,在砂土样上部150mm用渗透系数较小的黏土填实，模拟弱透水的上覆层。装样的同时将测试管按照设计位置埋设在土样中

8、。T7、LT(.25nirA-一一1X试验主体装置是一个长方形有机玻璃槽，尺寸为560mmx100mmx600mm（长x宽x高）。主体装置包括进水室，装样室及出水室，进水室及出水室尺寸为120mmx100mmx600mm,装样室尺寸为320mmx100mmx6CX）mm,进水室及出水室和装样室通过均匀开孔的有机玻璃板联通，土样室内侧贴有渗透系数大于10"cm/s的滤网以防止砂土样中的细小颗粒被渗流水通过开孔的有机玻璃板带出。主体装置两边各设置排水槽。装样室两侧壁有机玻璃板进行刮毛处理，以保证试验砂样和有机玻璃板有效接触，防止试验中因为试验糟侧壁光滑形成优势水流通道,造成较明显的边界效

9、应,影响测试精度。测试管为内径34mm的PVC管,PVC管底部插入砂土样部分长450mm,均匀开孔，开孔率为40%，外部包裹两层渗透系数大于10"cm/s的滤网以防止细砂进入测试管，上部黏土及突出部分长350mm,不开孔，测试管布置在试验槽的中间位置。2.2测试装置电导率采集系统为DDBJ350型温度电导率仪，电极探头为DJS-1C型电导电极，电导率测量10080604020°10I0.10.01颗粒粒径/mm图2试验用料级配曲线Fig.2Grainsizedistributionofmaterials2.4.2 加水头提高上游水头，使上下游水头差为25mm,多次测量下游出

10、水流量，当连续3次所测量出水流量稳定，无异常时，认为在此水力梯度下渗流稳定。2.4.3 投放示踪剂及电导率采集试验通过两个150mL针筒向测试管中注射食盐溶液,两个针筒通过导管，一个插入测试管底部用于抽取测试管中液体，一个插入测试管上部,用于注射食盐溶液，两个注射针筒同时同速度进行（此方法可以减小对测试管周围水流的影响），测试管中水被食盐溶液全部替换后，对测试管中溶液进行搅拌，使其在测试管中浓度分布均匀，待稳定后，将电导率电极放置在距试验槽底部200mm的位置，连接温度电导率仪，进行电导率数据采集。在电导率采集的同时通过量筒测量下游出水口渗水量。2.4.4改变上下游水头差重复以上步骤，完成四个

11、水力梯度下的示踪试验。每一级水力梯度下电导率测试完成后,保持上下游水头差不小于1h,以使试样中食盐溶液被渗透水流完全带出，从而不影响下一级水力梯度下电导率的采集。3试验结果及分析3.1试验结果图3水力梯度0.078时试验结果Fig.3Thehydraulicgradientof0.078testresultsrEpsm、»浙矛根据以上试验过程获得四个水力梯度下电导率随时间的变化关系分别如图3图6所示。时间/s时间/s图4水力梯度0.156时试验结果Fig.4Thehydraulicgradientof0.156testresults753»$由以上各图可以看出，各水力梯度下

12、，通过本实验获得的电导率随时间的变化关系符合指数分布Ct=C°ei,其拟合关系如表2所示。由拟合函数可以通过公式3=畔计算得出示2a踪试验测试的不同水力梯度下对应的流速，同时通过多次测量下游出水口出水流量，通过公式=时间/s图5水力梯度0.234时试验结果Fig.5Thehydraulicgradientof0.234testresults7S.SM裕於-S1C=836虹蜘R2=0.9949000r80007000r60005000!4000：3000!2000：1000：0l0100200300400500600700时间/s图6水力梯度0.313时试验结果Fig.6Thehydr

13、aulicgradientof0.313testresults。/彳可以得出各水力梯度下实际渗透流速。各水力梯度下测试流速及实际流速如表3所示。表2示踪试验拟合结果Table2Tracertestresults水头差/mm水力梯度拟合函数R2250.078G=8610e_0°°,2r0.9961500.156G=9760e_0()026r0.9969750.234G=8530e-°-003610.99061000.313=8360£-0°°蜘0.9940表3测试流速与实际流速对比结果Table3Theresultsoftestflow

14、andactualflowvelocity水头差/mm水力梯度测试流速/(cm,s,)实际流速/(cms1)误差/%250.0781.6011.25827.3500.1563.4702.85621.5750.2344.8043.87324.01000.3136.1394.89625.43.2误差分析对比表3的计算结果，各种水力梯度下测试流速都比实际流速大，其误差在20%30%。试验根据测试通过式=碧计算出的流速并不是岩土体中真实的流速，测试管内测得的流速除了包含实际渗透流速外，还要考虑天然情况下的各种流动，其相关关系表示为：=%!+%+Q&+5m+(4)式(4)中：氏为钻孔中测出的流速

15、；为测试砂土中的渗透流速；队为密度影响(浓度，温度等)引起的渗透流速；%为垂向流流速；徐为人工搅拌引起的渗透流速；力为示踪剂分子扩散引起的渗透流速;%为各流速对应的系数。以上各影响因素在实际测试中都是不可以避免的，同时试验中，砂土不能完全均匀填充，试验装置的边界条件、试验所用的温度电导率仪所产生的误差也将对试验结果产生一定的影响。综上分析,在精确计算时,应对现场测试流速值进行一定的折算，由于相关关系比较复杂，目前还不能给出一个定量的折算系数，下一步应对该方面进行系统研究。4结论(1) 通过试验研究，在各水力梯度下，测试管中电导率随时间的变化关系符合指数分布G=(2) 各水力梯度下通过电导率变化

16、计算得出的测试流速均比通过流量计算得出的实际流速偏大，其误差在20%30%。(3) 在实际工程应用中,对测试精度要求不是特别精确的情况下，通过示踪法完全可以测试出任意位置处的流速大小,为判断岩土体渗透性提供可靠的依据，此方法在实际工程中具有较大的应用前景。参考文献1 DrostW,KlotzD,KochA,elal.Pointdilutionmethodsofinvestigatinggroundwaterflowbymeansofradioisotopes.WaterResourcesResearch,1968；4(1)：125146MichalskiA,KleppGM.Characteri

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