真空预压条件下地下水位测试新方法及其应用

真空预压条件下地下水位测试新方法及其应用 刘汉龙，周 琦，顾长存

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京210098)

摘 要：由于技术缺陷，常规敞口式水位测管法并不适合于真空预压条件下地下水位的测试，用其测得的水位并非负压状态下的真实水位。介绍一种适合于真空预压条件下地下水位测试的新方法。该方法由于采用内外管的独特设计，成功解决了水位管内部与大气相通的问题，同时配以磁环浮标可以直接测量地下水位位置，不需借助其他测试手段。通过与常规方法的现场对比试验，充分说明新方法具有工作原理清晰，装置制作简单，测量时无真空压力泄露，测试结果直观可靠等优点，所以用该法测得的负压条件下加固区内的地下水位结果更具说服力。最后对该方法尚存在的问题进行了探讨，并提出改进建议。

关键词：真空预压；地下水位；负压；常规方法；新方法

中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2009)01–0048–04

作者简介：刘汉龙(1964– )，男，长江学者特聘教授，博士生导师，主要从事土动力学与地基基础工程方向的研究工作。E-mail: hliuhhu@163.com。

New method for measuring groundwater level under vacuum preloading

LIU Han-long, ZHOU Qi, GU Chang-cun

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: Because of their technical disadvantages, the conventional methods are unsuitable to measure the groundwater level in the soft ground reinforced by vacuum preloading. The results obtained by the conventional methods are not the true groundwater level under negative pressure. A new method for measuring the groundwater level is introduced. The special design of inside and outside pipes is used to prevent the normal atmospheric pressure from entering the inside of the pipes. In addition, the groundwater level can be directly measured by the magnetic ring floating on the water surface. Based on the field tests for comparing the new method with the conventional methods, it is concluded that the working principles and apparatus of the new method are simple, with the advantage of no loss of vacuum pressure, so the groundwater level measured by the new method is reliable. Finally, some problems of the new method are discussed and some improvements are presented. Key words: vacuum preloading; groundwater level; negative pressure; conventional method; new method

0 引 言

目前，工程上用于地下水位的测试方法多采用常规的敞口式测管法，其所测得的水位变化反映的实质是水位管滤管段各点水位降深的平均值[1]。若用该方法测试真空预压加固地基时的地下水位，测试过程中必须打开管口密封，这样势必导致水位管内部与大气连通，管内气体压强会从一个低压状态（低于正常大气压）迅速增至一个正常大气压，进而引起水位管周围土体中孔隙水压力的显著变化。因此，用该法测出的水位只能反映正常大气压下的相应值，并不是负压条件下地基中地下水位的真实值，而且真空预压期间水位测试次数越多，引起的误差就越大[2]，所以常规地下水位测试方法并不适用于真空预压条件下地下水

位的测试要求。

在地下水位测试方法改进方面，有学者建议将水位管埋于膜下，并将管口密封，使管内水位能反映土体中同深度负压状态下地下水位，但是管口密封导致不能用常规的水位计进行测量，需配以电极进行电 测[3-4]，目前尚未见到这种方法的使用报道。张功新等提出一种利用水位管内孔压计和真空表读数计算得到真实地下水位变化值的测试技术，且该技术能连续测试地下水位而不影响其测试结果[2]，在测试方法上取得很大进步，但该技术需要根据孔压计和真空表读数

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基金项目：江苏省自然科学基金攀登学者创新项目资助（BK2008040）收稿日期：2007–12–13

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来反算地下水位变化值，属于间接测试方法，缺乏直观性，且测试结果受真空度影响显著。本文将首先介绍一种适用于真空预压条件下地下水位直接测试的新方法，并通过现场试验将其与常规地下水位测试方法进行比较，最后对该方法尚存在的问题进行探讨并提出改进建议。

1 地下水位测试新方法

本文介绍的适合于真空预压条件下地下水位测试新方法是河海大学岩土所开发的专利技术[5]。测试装置由内外管、磁环浮标、限位器、卡口、密封帽、电感应器等部分组成，构造示意图如图1所示，图2为内外管实物图。

图1 新型地下水位测试装置构造示意图 Fig. 1 New apparatus for measuring groundwater level

外管在砂垫层及其以下2 m部分不得漏气、漏水，否则水位管会相当于竖向排水通道，其水位必上升，所以为防止漏气，要用密封膜绑扎顶部管口进行密封，外面再包裹一层土工布防止密封膜破损。大量实测资料表明，真空预压加固地基时地下水位实际下降极限深度约为6 m[6]，所以外管长度选取6 m，其中下部4 m为透水管段，内管为6.5 m。

（2）磁环浮标套在内管上，直径介于内外管之间。外形类似分层沉降测试中使用的沉降磁环，但没有弹簧片。所选用的制作材料密度小于水的密度，所以该磁环浮标可以在内外管之间随水位自由浮动。

（3）限位器为一中空木环，通过螺丝与外管连接固定，内管从中穿过，限位器与外管顶部管口帽共同限制内管的侧向移动。上下卡口为PVC管环，通过螺丝与内管连接固定，其作用是限制内管上下移动。通过上述措施，可以固定内管和外管的相对位置。

（4）电感应器选用江苏海岩工程材料仪器有限公司生产的CTY-32型钢尺水位沉降仪，最小读数为1 mm，同时该仪器也可用于常规地下水位的测试。

上述装置的基本工作原理及测试方法是：地下水通过外管壁上进水孔渗入与大气隔绝的内外管之间，此水位即为负压条件下的地下水位。在两根不同直径且相对位置固定的内外管之间放置的磁环浮标浮于水面上，且随地下水位沿内管上下自由浮动。将电感应器探头沿内管放下，当与内外管间的磁环浮标相遇时会产生感应发出蜂鸣声，通过标尺即可读出磁环浮标与管口之间的距离。然后，利用水准仪对内管口进行高程测量，可得到地下水位高程：

H地下水位=H管口-L ， (1)

式中，H地下水位为地下水位高程，H管口为管口高程，L为磁环浮标与内管口之间的距离。

若考虑磁环浮标浮于水上因排水引起的水位升高，式（1）可修正为

H地下水位=H管口-L−∆H ， (2)

图2 新型地下水位测试装置内外管实物图 Fig. 2 Inside and outside pipes of new apparatus

（1）内外管均为UPVC塑料材质。内管为测试导管，全管一次制作成型，中间无接管，底部管口加盖管口帽并用密封胶胶结密封，与外管不连通，上端出密封膜并利用密封膜绑扎密封。外管为进水管，整体埋设于密封膜以下，不与大气相连通。下部为滤管段，管壁上钻有8 mm直径的均匀进水孔，外包土工滤布以防止土颗粒堵塞进水孔，顶部底部管口均需加盖管口帽并用密封胶胶结密封。由于内管需从外管管口帽穿出，其间势必存有缝隙，根据文献[2]的建议，

式中，∆H为磁环浮标排水引起的水位误差，该值可事先在室内测得磁环浮标的排水量，再根据内外管的截面尺寸算得，本次试验为1.55 cm。

在埋设时，首先利用成孔钻机定位开孔至设定深度，将底部已固定的本装置压入孔中，外管顶部先预留30 cm，向内外管间注入清水冲洗数遍，防止内管壁上粘附土颗粒阻碍磁环浮标自由浮动，然后放入磁环浮标，盖上涂有密封胶的外管顶部管口帽，再在内外管上绑扎密封膜密封管口，外面包裹一层土工布保护密封膜，期间切忌钻孔中的用于护壁的泥浆进入内外管间。之后将水位管压至孔底，向内管注入清水，

50 岩 土 工 程 学 报 2009年

一方面可以抵消内管承受的浮力，避免限位器因受力过大与外管滑脱，甚至造成内管底部密封破坏；另一方面可以检验内管底部密封的好坏，若内管中水位长时间不下降，则说明底部密封良好，反之则不然。最后在外管顶部预埋砂土填实，保证土体沉降后不穿出密封膜。

2 现场对比试验

为验证本文介绍的地下水位测试新方法，特在南京滨江大道新建工程2.1标段真空预压工地开展了现场试验研究，并与常规方法测得的结果进行对比。这里只介绍两组对比试验的基本情况。第一组的两根水位管NP1（NP代表新型水位管）和CP1（CP代表常规水位管）位于路基加固区中央，第二组的两根水位管NP2和CP2则位于路基加固区边缘。为尽量减少土层条件、透水管段长度、真空度等因素对测试结果的影响，常规方法采用的敞口式水位管长度、透水管段长度和埋设深度与本文的新型水位管相同，并且每组的两根水位管在路基纵向上仅相距4 m。

图3为本文新方法和常规方法测试结果的对比曲线。如图所示，两种方法在抽真空前和真空卸载后测得的地下水位相差不多，但在真空预压期间两者则存在较大差距，最大相差1.665 m。对于同组对比试验而言，本文新方法实测曲线（实线）均在常规方法实测曲线（虚线）之上，即前者测得的地下水位均比后者高。如前所述，常规方法在测试过程中必须打开管口密封膜，故水位管中的气体压强会迅速从低压状态增至正常大气压，改变了水位管内的真空状态，管内水位势必被迫下降并向周围土体扩散。与路基加固区边缘的NP2，CP2相比，该现象在路基加固区中央的NP1，CP1的实测结果对比中表现的更为显著，这主要是因为处于加固区不同位置受排水沟积水和周围地下水补给影响程度不同所致。

如果不考虑天气、停电等因素的影响，真空预压期间新方法测得的地下水位变化比较平稳，而常规方法测试结果存在明显的波动现象，除去地下水位的正常变化外，测试时间的长短也会对结果产生显著影响。为此，在抽真空第8天的时候，打开CP2水位管口密封连续观测90 s内水位随时间的变化过程，此时膜下真空度为-78 kPa，忽略短时间内管口高程变化，测试结果如图4所示。从图中可以看出，在后80 s时间内地下水位随时间基本呈线性下降，平均下降速率为3.45 mm/s，整个测试过程从打开管口密封到稳定读数至少需要15 s，若可以根据后面水位平均下降速率则能推断出每次的测试误差约为5 cm，但这种误差具有累积性，即测试次数越多，误差越大[2]。此外，打开管口密封瞬间，会听到“呼呼”的进气声，说明管内气体压强会迅速增至正常大气压，管内水位很可能存在一个骤降过程，由于无法获取地下水位的初始高程,由此产生的误差也很难估计。

图4 地下水位测试结果与测试时间关系图 Fig. 4 Relationship between groundwater level and time

综上所述，常规敞口式水位管法并不适合于真空预压条件下地下水位的测试要求，用该法测出的地下水位不能反映真空条件下的真实水位。而本文介绍的新方法由于采用了内外管的独特设计，成功解决了常规水位管内部与大气相通的问题，测量时无真空压力泄露，且可以直接测量地下水位的位置，不需借助于其他测试手段，所以测得的负压条件下加固区内的地下水位结果更具说服力。

3 探讨与改进

由于本文介绍的新方法系首次正式现场试验，在使用过程中也发现该方法尚存在一些问题。从严格意义上讲，只有当水位管内水位以上真空度与周围土体中地下水位以上的真空度一致时，管内水位才为真实的地下水位。本文介绍的新型水位管外管全部埋入密封膜以下，为防止漏气提水，从管口至砂垫层以下2 m范围内与周围土体不连通，所以很难保证水位管内外真空度一致。实际上，由于水位管为中空，其真空度也不可能与周围土体中真空度

图3 两种方法测试结果对比曲线

Fig. 3 Comparison between the two measuring methods

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分布规律完全一致。受文献[2]方法的启示，这里提出一种近似解决方法。利用类似于应变测试中常用的温度补偿原理，在原有水位管基础上增加一套“真空度补偿”装置，构造示意图见图5。如图所示，在水位管附近埋设一根短UPVC塑料管，埋设深度与水位管滤管段顶部持平。其管口密封，砂垫层以下部分做成滤管，外裹土工滤布，整个装置通过钢丝软管与水位管内外管之间连通。不同于一一对应温度补偿，该装置只能做到水位管口至砂垫层以下2 m部分与周围土体平均真空度近似相等，从而尽量减少因真空度不同造成的测试误差。

充分说明新方法具有工作原理清晰，装置制作简单，测量时无真空压力泄露损失真空能量，测试结果直观等优点，所以用该法测得的负压条件下加固区内的地下水位结果更具说服力。

（3）为解决水位管内外真空度不一致的问题，在原有设计基础上提出一套“真空度补偿”装置，其实用效果尚需进一步现场试验验证。 参考文献：

[1] NEUMAN S P. Theory of flow in unconfined aquifers

considering delayed response of the water table[J]. Water Resource Research, 1972, 18(4): 1031–1045.

[2] 张功新, 董志良, 莫海鸿, 等. 真空预压中地下水位测试技

术探讨与改进[J]. 岩土力学, 2007, 28(9): 1899–1903. (ZHANG Gong-xin, DONG Zhi-liang, MO Hai-hong, et al. Discussion and reform of groundwater level measuring technique in soft soil reinforced by vacuum preloading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(9): 1899–1903. (in Chinese))

[3] 娄 炎. 真空排水预压法加固软土技术[M]. 北京: 人民交

通出版社, 2002: 108. (LOU Yan. Soft soil reinforced by vacuum method of preloading[M]. Beijing: China Communications Press, 2002: 108. (in Chinese))

[4] 明经平, 赵维炳. 真空预压地下水位变化的研究[J]. 水运

工程, 2005(1): 1–6. (MING Jing-ping, ZHAO Wei-bing. Study on groundwater level in vacuum preloding[J]. Port & Water Engineering, 2005(1): 1–6. (in Chinese))

[5] 顾长存, 王桂珍, 刘汉龙, 乔小利. 一种真空预压地基加固

区内水位测量装置与方法: 中国, 200610085337.2[P]. 2006. (GU Chang-cun, WANG Gui-zhen, LIU Han-long, QIAO Xiao-li. Device and method for testing water level in vacuum prepressing foundation reinforced area: China, 200610085337.2[P]. 2006. (in Chinese))

[6] 岑仰润. 真空预压加固地基的试验及理论研究[D]. 杭州:

浙江大学, 2003: 40–43. (CEN Yang-run. Vacuum preloading: experiment and theory[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2003: 40–43. (in Chinese))

[7] 董志良. 堆载及真空预压法加固地基地下水位及测管水位

高度的分析与计算[J]. 水运工程, 2001(8): 15–19. (DONG Zhi-liang. Analysis and calculation of the soil foundation’s ground water level and measuring tube’s water level under the situations of surcharge preloding and vacuum preloading[J]. Port & Water Engineering, 2001(8): 15–19. (in Chinese))

图5 改进后的水位测试装置构造示意图

Fig. 5 Improvements of the apparatus for measuring groundwater

level

另外，为确保磁环浮标能沿内管自由浮动，本文介绍的水位管内管不能采用常规接管方式，是一次制作成型的，但受生产、运输和埋设的制约，其长度又是相对有限的。由于实测地下水位降深实质是滤管段各点水位降深的平均值，所以只有水位管的滤管段较长且基本与地基饱和土层同长并吻合设置时，测得的水位才是较合理反映整个地基平均竖向超孔隙压力变化的真实水位[7]。所以建议内管接管方式采用螺纹接管，外管仍可采用常规接管方式。

4 结 论

（1）常规地下水位测试方法在测试过程中需打开管口密封，水位管中气体压强发生显著变化，因此，其实测水位与负压条件下的真实水位存在较大误差，说明常规方法不适合于真空预压条件下地下水位的测试要求。

（2）本文介绍的新方法由于采用内外管的独特设计，成功解决了水位管内部与大气相通的问题，同时配以磁环浮标可以直接测量地下水位位置，不需借助于其他测试手段。通过与常规方法的现场对比试验，