試坑雙環注水試驗裝置

一、裝置概述

試坑雙環注水試驗裝置是依據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》設計研發的原位試驗設備，主要用于測定地下水位以上砂土、砂卵礫石等無粘性土層，以及粘性土層的垂向滲透系數^。該裝置通過在試坑內設置同心雙環，維持固定水頭高度注水，量測滲入土層的水量，結合達西定律計算滲透系數，且保留一只流量瓶和一只鐵環即可開展單環注水試驗，具備一裝置多用的特點^。

雙環法通過外環形成的緩沖帶，可有效消除側向滲流干擾，使內環水僅垂向滲入土層，相較試坑法、單環法，測量精度提升40%-60%，尤其適用于滲透系數小于10??cm/s的致密巖層測試，試驗結果更貼合實際土層滲透情況，可為區域性水均衡研究、水庫及灌區渠道滲漏量計算等提供關鍵參數。

二、設備組成及參數

（一）核心組件

1. 同心雙環：采用不銹鋼材質，內環直徑25cm、高15cm，外環直徑50cm、高15cm，用于限定試驗區域，約束滲流方向^。

2. 流量瓶：容量7000mL，帶有斜口玻璃管和橡皮塞，分度值50mL，可精準量測注入水量，試驗時需倒置固定于支架上^。

3. 支架：采用防水材料制作，用于固定流量瓶，確保其穩定倒置，保障供水順暢。

4. 輔助工具：包括土鉆、吸水球、原位測含水率設備、鐵鍬、尺子、水桶、膠帶、橡皮塞、溫度計（量程0℃~50℃，分度值1℃）等，用于試坑開挖、裝置安裝、含水率測定及水溫記錄。

（二）可選配件

激光水平儀，用于輔助調整雙環及支架水平度；洛陽鏟套裝，便于試驗前鉆孔取樣測定含水率。

三、試驗前期準備

（一）場地選擇

試驗場地需滿足潛水埋藏深度大于5m，若潛水埋深小于2m，因滲透路徑過短，測得的滲透系數會失真，不宜開展試驗。同時，應選擇地形相對平坦、土層結構均勻且無明顯擾動的區域，避免在溝渠、陡坡或近期有施工活動的地點進行試驗。

（二）設備檢查

1. 檢查雙環是否存在變形、破損，確保環壁光滑，無影響與土層緊密接觸的缺陷。

2. 校驗流量瓶的刻度準確性，檢查玻璃管、橡皮塞是否密封良好，有無漏水、漏氣情況。

3. 確認支架穩定性，檢查輔助工具是否齊全、可正常使用。

（三）預試驗取樣

在距擬定試驗場地3m~4m以外，鉆取3m~4m深的鉆孔，每隔0.2m取土樣1個，平行測定其初始含水率，為試驗后確定水的滲入深度提供對比依據^。

四、試驗操作步驟

（一）試坑開挖

在選定的測試土體中，開挖一個面積不小于1.0m×1.5m的試坑，開挖深度根據試驗需求確定，需確保坑底土層結構未受擾動。隨后在坑底再下挖一個直徑等于外環、深10cm~15cm的貯水坑，仔細整平坑底，避免出現凹凸不平影響雙環安裝^。

（二）雙環安裝

將雙環細心放入貯水坑中，使鋼環入土深度至環上的起點刻度，雙環需保持同心圓狀，兩環上緣處于同一水平面上。壓環過程中動作要輕柔，防止土被壓實或變形，若土層擾動過大，需重新開挖試坑進行試驗。之后在環底部土體上均勻鋪設2cm厚的礫石層，起到緩沖作用，避免注水時直接沖刷坑底土層^。

（三）裝置調試

1. 向環內注入清水至滿，將支架調整至水平位置，把注滿清水的流量瓶倒置于支架上，雙環法需使用兩個流量瓶，分別對應內環和內外環之間的區域^。

2. 將流量瓶的斜口玻璃管插入環內水面以下，且玻璃管的斜口應處于同一高度（即環口水平面），打開橡皮塞，調節供水瓶出水量，確保環內水位穩定保持在0.1m高度，雙環法需保證內環和內外環之間的水面高度一致。

（四）數據采集

1. 試驗開始初期，因滲入水量較大，觀測間隔時間宜設置為5分鐘，記錄每次的滲入水量。

2. 隨著試驗推進，當滲入水量逐漸穩定后，可將觀測間隔調整為每10分鐘一次，準確記錄每次的時間和對應的滲入水量。

3. 持續觀測直至單位時間滲入水量達到相對穩定，即連續四次觀測值波動小于10%，且最后2小時內的平均流量之差不大于10%，再延續觀測2～4小時即可結束試驗^。

（五）試驗收尾

試驗結束后，拆除儀器設備，使用吸水球吸出貯水坑中的水。在試坑中心鉆取與預試驗深度相同的鉆孔，每隔0.2m取土樣測定含水率，與預試驗的初始含水率對比，確定水的滲入深度^。

五、滲透系數計算

（一）基本公式

根據達西定律，滲透系數計算公式為： $$K=\frac{QL}{F(H_K + Z + L)}$$ 其中：

• $K$為滲透系數（cm/min）；

• $Q$為穩定的滲入水量（cm3/min）；

• $F$為試坑內環的滲水面積（cm2）；

• $Z$為試坑內環中的水層厚度（cm，試驗中為10cm）；

• $H_K$為毛細壓力（cm，一般等于巖土毛細上升高度的一半，不同土層取值參考表1）；

• $L$為試驗結束時水的滲入深度（cm）。

（二）不同土層取值參考

對于粗砂或粗砂卵石層，當試坑中水層厚度為10cm時，毛細壓力$H_K$與$Z$及$L$相比很小，可忽略不計，此時公式簡化為$K=\frac{Q}{FZ}$^。

六、注意事項

1. 試驗過程中需隨時監測內環和內外環之間的水位，確保始終保持在0.1m的同一高度，若水位出現波動，及時調整流量瓶出水量。

2. 向供水瓶注水時，要做好水量轉換的換算，準確記錄注入水量，避免因水量統計誤差影響試驗結果^。

3. 雙環安裝時務必保證與土層緊密接觸，防止環內水外漏，若發現漏水情況，需重新調整雙環位置或重新開挖試坑。

4. 試驗過程中要注意避免人員、設備對試坑及周邊土層造成擾動，確保試驗條件穩定。

5. 若試驗過程中遇到降雨、大風等惡劣天氣，應暫停試驗，待天氣恢復正常且土層狀態穩定后再繼續進行。

七、設備維護與保養

1. 試驗結束后，及時清理雙環、流量瓶等設備上的泥土、水漬，用干凈的布擦拭干凈，避免泥土殘留腐蝕設備。

2. 檢查設備部件是否有損壞、磨損情況，若發現雙環變形、玻璃管破裂等問題，及時維修或更換。

3. 將設備存放于干燥、通風的庫房內，避免陽光直射和潮濕環境，防止設備生銹、老化。

4. 定期對流量瓶的刻度進行校驗，確保量測精度，對支架等金屬部件可適當涂抹防銹油，延長設備使用壽命。