Guelph Permeameter 試驗

Guelph Permeameter 為加拿大 Guelph 大學之研究人員所研發出來的現 地地表入滲儀器，目前此儀器由美國 Soil Moisture Equipment Corp.所製造。

此試驗可視為 Borehole 定水頭試驗，其理論基礎為，在一鑽孔中之定水頭 狀況下，一特定大小的飽和球體（Bulb）會形成，此球體狀況穩定，形狀 則受土壤種類而影響。此穩定球體產生時，則孔中水之流量會維持為定值，

孔中的水位與流量則可用來求得土壤的滲透係數。

Guelph Permeameter 可以迅速量測得土壤的滲透係數，但是此試驗基本 假設之一是土壤為等向，此假設與現地土壤狀況可能會有出入。

試驗步驟與數據計算：

試驗首先以儀器中特製鑽頭 A（圖 3.4），鑽頭直徑 6 cm，鑽孔至試驗土層 所需之深度，再以鑽頭 B（圖 3.4）將孔底挖平，最後以刷頭（圖 3.4）將 孔壁受擾動的土刷去。將組裝好的儀器架上鑽好的孔中，整體儀器設置完 成簡圖如圖 3.5。將儲水管注滿水，並確定氣管在試驗前有確實抵住儲水管 出口防止儲水管之水流出，並將頂部水頭控制管歸零。儲水管分成內管與 外管，由儲水閥門控制，可選擇僅以內管進行試驗或雙管同時進行，在滲 透係數較小的土層中建議單獨使用內管進行試驗，一方面試驗時間可以縮 短，且讀數也較為精確容易。試驗開始時只需將氣管依照水頭控制管刻度 提高至所需高度即可，依照水流速度定時記讀儲水管讀數，直到連續三次 讀數差相同時即可進行第二階段試驗。

通常第一階段試驗採用 5 cm 定水頭進行試驗，第二階段採取 10 cm 定水頭 試驗，試驗方式只需再將氣管提高 5 cm，則可繼續記讀數據直到末三次讀 數差值相同時，試驗即可停止。利用兩階段穩定時所得時間與滲流量之關 係，再以下列公式可以求得土壤的飽和滲透係數：

(

0.0041

)( )

Y

( )

R2

⁽

0.0054

^{)( )}

Y

( )

R1

k_fs = − （3.1）

上式由（2.16）（2.17）（2.18）三式簡化而來，其中 為現地土壤飽和之滲 透係數；

kfs

R1、R₂則分別為階段一與階段二達穩定狀況下儲水管內每分鐘下 降的高度；Y 為儲水管係數，每組 Guelph Permeameter 儀器都有不同的儲水 管係數，係數分為內管係數與雙管係數，視所採取的試驗方式來使用。上 式所得的土壤滲透係數單位為cm/sec。

圖 3.4 Guelph 試驗鑽孔鑽頭 A、B、刷頭

圖 3.5 Guelph permeameter 儀器組立示意圖

3.4.2 Open Double-Ring Infiltrometer 試驗

雙環試驗分為開放式與封閉式，此試驗採取開放式雙環試驗，

實驗

儀 器是採用 Geotest Instrument Corp. 所製做的 Double-Ring Infiltrometer Instrument。儀器規格及實驗方法參考 ASTM D3385 規範。

試驗步驟與數據計算：

1. 確認所選定實驗位置後，先以鋤頭等土工器具將所定範圍之雜草、雜物 清除乾淨，並清除地表約 3～5 cm 之表土。

2. 利用土樣採樣器取土樣，以供實驗室進行土壤基本性質試驗。

3. 將地表土壤整平後，將外環打進土層約 15 cm（敲打過程先將外環蓋上 蓋子，並在蓋子上墊上木塊，用鎯頭敲擊一至兩下，繞著蓋子敲打，直 到外環打入土層約達 15 cm）。

4. 將內環中心，對準外環，再將內環打入土層約 10 cm（敲打過程同上述 3

之方法）。

5. 將量筒支架固定於適當位置，並維持水平。將大、小量筒架設好，大量 筒用水管接至外環，小量筒用水管接至內環，如圖 3.5。

6. 決定內外環水位高度（內外環水位高度需相等），可視現地土壤種類而調 整，其水位高度範圍大致為 2 cm～15 cm。

7. 將內外環進水浮板調整至步驟 6 所決定之內外環水位高度。並分別將水 管接至內外環浮板之進水口。

8. 分別同時於大小量筒注水，直至大小量筒注滿水（即大小量筒內之水位 均達刻度 0 之位置，並儘量縮短注水時間，減少實驗誤差）。

9. 於步驟 8 將水注滿大小量筒後，開始計時。並量測記錄水溫、土溫、水 ph 值、天氣狀況、地下水位（若附近有地下水觀測井）。記錄大、小量 筒讀數，於實驗開始第一小時內，每隔 15 分鐘記錄一次，第二小時起，

每隔 30 分鐘記錄一次，第三小時起至第六小時每隔 60 分鐘記錄一次，

記錄的頻率則視試驗滲流量的狀況增加或減少。

10. 儀器架設完成如圖 3.6，試驗數據結果僅借助於假設的水頭狀況來計算水 力梯度，並利用達西公式（3.2）計算現地飽和滲透係數。假設欲計算地 表 A 點與地表下 B 點間的水力梯度，則所利用的基本公式如下（3.3）

kiA

Q = （3.2）

D H

i= H^A − ^B （3.3）

在此計算 i 值之方式採外視導水度法：

外視導水度（Apparent Hydraulic Conductivity），是較為簡易方便的水力梯 度求取方式，假設地表下 B 點為基準點，其水頭為 0；故地表 A 點之總水 頭即為（H+D），可得水力梯度為，

D D

i= H+ （3.4）

當控制雙環試驗之試驗水位較小時，即 H 很小，則水力梯度可以假設為 1。

若試驗水位較高時，將無法假設 i 為 1，也無法求得 i 值。在一般之土層狀 況下，水力梯度 i 會略大於 1，所以利用此假設方式求得的飽和土壤滲透係 數將較實際值為高。

圖 3.6 Double-Ring Infiltrometer 儀器架設完成圖

3.4.3 Two-Stage Borehole Permeameter 試驗

Two-Stage Borehole Permeameter 試驗簡稱為 TSB 試驗，試驗可同時求 得土層之水平與垂直向滲透係數。此試驗由 Boutwell 所發展出來 （Soil Testing Engineers, 1983）。基本的試驗概念是，藉由兩個階段的試驗，各自 的飽和球體不同，導致垂直向和水平向滲透係數對入滲率之影響不同，分 別利用兩階段試驗所得的結果，可以求出垂直向和水平向之滲透係數。

試驗步驟與數據計算：

第一階段試驗，首先利用特製鑽頭，鑽頭直徑約 15 cm，在試驗土層鑽 孔至試驗深度，將孔底清理整平之後，放入套管，套管直徑 10.2 cm，孔與 套管之間之空隙則以皂土確實填充，以避免水從孔與套管間溢流。慢慢將 水注滿套管，盡量以不擾動孔底土壤為優，套上上蓋與量管，打開注水管，

並將上蓋殘留的空氣壓出。仔細檢查上蓋、量管與各接頭是否漏水。將注

水管關閉後即可開始試驗。記錄時間與流量關係，當流量達穩定之後，第 一階段試驗即告完成，可繼續進行第二階段試驗。

第二階段試驗，將套管之上蓋與量管取下後，以特製之鑽頭由套管內 往下鑽至預定深度，鑽頭直徑約 10 cm，比套管略小，同樣將孔底土壤整平 之後即可進行第二階段試驗，試驗方式同第一階段，直到流量再達穩定試 驗即可終止。利用兩階段所得時間與滲流量之關係，計算土壤之滲透係數 方式詳見第二章。

3.4.4 簡易現地滲透試驗

此試驗為『寶山第二水庫工程計畫築壩材料輾壓試驗』計畫中之現地 透水試驗，屬於孔內注水方式之變水頭 Borehole 試驗，理論與計算方式則 是由 Two-Stages Borehole 試驗簡化而來，試驗規範同樣以 TSB 試驗所提供 之方式。

試驗步驟與數據計算：

試驗僅有一階段，且試驗方式可直接利用現地工地密度試驗之試坑進 行試驗，孔徑約 16 cm、孔深 30 cm。開挖後若注水後有坍孔之虞，可事先 在孔內填補乾淨沙。孔內注水靜置 24 小時以上，若單位時間入滲量達到穩 定時，即可視為孔邊之土壤已達飽和，則可開始進行試驗觀測讀數。觀測 時間間隔則視土壤種類或滲流速度來決定，原則上每小時觀測一次數據。

當所得的單位時間入滲量達到穩定時，現場試驗即告完成。

簡易試驗之滲透係數是根據Two-Stage Borehole Permeameter規範，將 ASTM D 6391-99 中第二階段之公式將水位高H1稍微修改，以符合此試驗之 條件，

(

_{1 2}

) (

_{2 1}

)

2Ln H H / t t

G

k = − （3.6）

3 1 2

2 16 G

FH G D ⎟⎟⎠×

⎜⎜ ⎞

⎝

=⎛ （3.7）

( )

4

( )

5 of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter。

3.5.2 試驗步驟

試體之準備，將現地以薄管取樣之土壤，利用頂土器頂出適當長度後，

小心以線鋸將試體切下，試體兩端需平整避免試驗過程土壤傾倒，維持土 體長徑比約 1：1.2～1：1.4 之間。

試體飽和過程，因室內三軸滲透試驗以模擬現地土壓狀況為前提，有 效應力應控制不要太大，最佳狀況為與現地土壓狀況相同，避免過大有效 應力造成土壤試體壓密，影響土壤滲透係數。飽和過程室壓 2.87 ， 上下反水壓為 2.73 ，讓試體飽和 48 小時後進行滲透。

/cm2

kg /cm2

kg

試體在飽和後即可進行滲流，調整下反水壓為 2.8 ²，上反水壓 為 2.6 m²，造成下上之反水壓壓力差為 0. ²，使之由下往上產 生滲流，室壓則維持 2.8 m²不變。

/cm kg

6 kg 14

7 kg

/c kg/cm

/c

滲透終止條件需要達成下列二點：

1.末三次連續流入與流出的滲透係數比值介於 0.75 跟 1.25 之間；

2.最終三次數據不可有明顯上升或下降的趨勢。

3.5.3 結果計算

此試驗之計算原理與定水頭試驗相同，飽和狀況下土壤之滲透係數採 用以下定水頭試驗公式計算，

Aht

k_s = QL （3.12）

其中：k_s為土壤飽和狀況之滲透係數、Q為流量、L為試體長度、A為試體 截面積、h為試體兩端之水頭差、t為對應流量Q所需之時間。

3.6 FEMWATER 程式模擬

現地試驗結果使用 FEMWATER 程式進行模擬，因現地土層試驗狀況為

未飽和，FEMWATER 計算過程除了需要提供各方向之土壤滲透係數 k，另 外還需要三組曲線以表示土壤特性，分別為相對滲透係數與張力之關係、

體積含水比對張力之關係（土壤之保持曲線）與保水容量對張力之關係。

依據 van Genuchten 所提出 k 值與壓力頭 h 間之關係式（2.22），其中之α 與 n，即為 FEMATER 產生上述三組曲線之參數 van Genuchten alpha 和 van Genuchten beta。

( ) ( ) ( ) ( )

FEMWATER 所需輸入之土壤參數 van Genuchten alpha and beta，透過美 國環境保護協會（EPA）提供之 RETC（Retention Curve Computer Code）軟 體計算，利用室內試驗所得之土壤保持曲線，求取 FEMWATER 所需參數。

RETC 用以計算不飽和狀況土層之土壤保持曲線與土壤滲透係數關 係，程式同樣根據 van Genuchten 所建立的參數模型，利用最小平方法，迴 歸計算求取未知參數。

630 公處。寶山三峰土層設定，第一層三峰黃色粉土深度 800 cm，利用 RETC 計算得到之参數輸入，地下水位於 600 cm 處，第二層為灰黑色砂岩，厚度 200 cm，採 FEMWATER 內建參數設定。基本上 FEMWATER 網格之設定以

630 公處。寶山三峰土層設定，第一層三峰黃色粉土深度 800 cm，利用 RETC 計算得到之参數輸入，地下水位於 600 cm 處，第二層為灰黑色砂岩，厚度 200 cm，採 FEMWATER 內建參數設定。基本上 FEMWATER 網格之設定以

在文檔中 現地導水度試驗評估 (頁 49-0)