试坑双环注水试验装置

一、装置概述

试坑双环注水试验装置是依据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》设计研发的原位试验设备，主要用于测定地下水位以上砂土、砂卵砾石等无粘性土层，以及粘性土层的垂向渗透系数^。该装置通过在试坑内设置同心双环，维持固定水头高度注水，量测渗入土层的水量，结合达西定律计算渗透系数，且保留一只流量瓶和一只铁环即可开展单环注水试验，具备一装置多用的特点^。

双环法通过外环形成的缓冲带，可有效消除侧向渗流干扰，使内环水仅垂向渗入土层，相较试坑法、单环法，测量精度提升40%-60%，尤其适用于渗透系数小于10⁻⁴cm/s的致密岩层测试，试验结果更贴合实际土层渗透情况，可为区域性水均衡研究、水库及灌区渠道渗漏量计算等提供关键参数。

二、设备组成及参数

（一）核心组件

1. 同心双环：采用不锈钢材质，内环直径25cm、高15cm，外环直径50cm、高15cm，用于限定试验区域，约束渗流方向^。

2. 流量瓶：容量7000mL，带有斜口玻璃管和橡皮塞，分度值50mL，可精准量测注入水量，试验时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，确保其稳定倒置，保障供水顺畅。

4. 辅助工具：包括土钻、吸水球、原位测含水率设备、铁锹、尺子、水桶、胶带、橡皮塞、温度计（量程0℃~50℃，分度值1℃）等，用于试坑开挖、装置安装、含水率测定及水温记录。

（二）可选配件

激光水平仪，用于辅助调整双环及支架水平度；洛阳铲套装，便于试验前钻孔取样测定含水率。

三、试验前期准备

（一）场地选择

试验场地需满足潜水埋藏深度大于5m，若潜水埋深小于2m，因渗透路径过短，测得的渗透系数会失真，不宜开展试验。同时，应选择地形相对平坦、土层结构均匀且无明显扰动的区域，避免在沟渠、陡坡或近期有施工活动的地点进行试验。

（二）设备检查

1. 检查双环是否存在变形、破损，确保环壁光滑，无影响与土层紧密接触的缺陷。

2. 校验流量瓶的刻度准确性，检查玻璃管、橡皮塞是否密封良好，有无漏水、漏气情况。

3. 确认支架稳定性，检查辅助工具是否齐全、可正常使用。

（三）预试验取样

在距拟定试验场地3m~4m以外，钻取3m~4m深的钻孔，每隔0.2m取土样1个，平行测定其初始含水率，为试验后确定水的渗入深度提供对比依据^。

四、试验操作步骤

（一）试坑开挖

在选定的测试土体中，开挖一个面积不小于1.0m×1.5m的试坑，开挖深度根据试验需求确定，需确保坑底土层结构未受扰动。随后在坑底再下挖一个直径等于外环、深10cm~15cm的贮水坑，仔细整平坑底，避免出现凹凸不平影响双环安装^。

（二）双环安装

将双环细心放入贮水坑中，使钢环入土深度至环上的起点刻度，双环需保持同心圆状，两环上缘处于同一水平面上。压环过程中动作要轻柔，防止土被压实或变形，若土层扰动过大，需重新开挖试坑进行试验。之后在环底部土体上均匀铺设2cm厚的砾石层，起到缓冲作用，避免注水时直接冲刷坑底土层^。

（三）装置调试

1. 向环内注入清水至满，将支架调整至水平位置，把注满清水的流量瓶倒置于支架上，双环法需使用两个流量瓶，分别对应内环和内外环之间的区域^。

2. 将流量瓶的斜口玻璃管插入环内水面以下，且玻璃管的斜口应处于同一高度（即环口水平面），打开橡皮塞，调节供水瓶出水量，确保环内水位稳定保持在0.1m高度，双环法需保证内环和内外环之间的水面高度一致。

（四）数据采集

1. 试验开始初期，因渗入水量较大，观测间隔时间宜设置为5分钟，记录每次的渗入水量。

2. 随着试验推进，当渗入水量逐渐稳定后，可将观测间隔调整为每10分钟一次，准确记录每次的时间和对应的渗入水量。

3. 持续观测直至单位时间渗入水量达到相对稳定，即连续四次观测值波动小于10%，且最后2小时内的平均流量之差不大于10%，再延续观测2～4小时即可结束试验^。

（五）试验收尾

试验结束后，拆除仪器设备，使用吸水球吸出贮水坑中的水。在试坑中心钻取与预试验深度相同的钻孔，每隔0.2m取土样测定含水率，与预试验的初始含水率对比，确定水的渗入深度^。

五、渗透系数计算

（一）基本公式

根据达西定律，渗透系数计算公式为： $$K=\frac{F(H_K + Z + L)}$$ 其中：

• $K$为渗透系数（cm/min）；

• $Q$为稳定的渗入水量（cm³/min）；

• $F$为试坑内环的渗水面积（cm²）；

• $Z$为试坑内环中的水层厚度（cm，试验中为10cm）；

• $H_K$为毛细压力（cm，一般等于岩土毛细上升高度的一半，不同土层取值参考表1）；

• $L$为试验结束时水的渗入深度（cm）。

（二）不同土层取值参考

对于粗砂或粗砂卵石层，当试坑中水层厚度为10cm时，毛细压力$H_K$与$Z$及$L$相比很小，可忽略不计，此时公式简化为$K=\frac$^。

六、注意事项

1. 试验过程中需随时监测内环和内外环之间的水位，确保始终保持在0.1m的同一高度，若水位出现波动，及时调整流量瓶出水量。

2. 向供水瓶注水时，要做好水量转换的换算，准确记录注入水量，避免因水量统计误差影响试验结果^。

3. 双环安装时务必保证与土层紧密接触，防止环内水外漏，若发现漏水情况，需重新调整双环位置或重新开挖试坑。

4. 试验过程中要注意避免人员、设备对试坑及周边土层造成扰动，确保试验条件稳定。

5. 若试验过程中遇到降雨、大风等恶劣天气，应暂停试验，待天气恢复正常且土层状态稳定后再继续进行。

七、设备维护与保养

1. 试验结束后，及时清理双环、流量瓶等设备上的泥土、水渍，用干净的布擦拭干净，避免泥土残留腐蚀设备。

2. 检查设备部件是否有损坏、磨损情况，若发现双环变形、玻璃管破裂等问题，及时维修或更换。

3. 将设备存放于干燥、通风的库房内，避免阳光直射和潮湿环境，防止设备生锈、老化。

4. 定期对流量瓶的刻度进行校验，确保量测精度，对支架等金属部件可适当涂抹防锈油，延长设备使用寿命。