碾壓混凝土滲透系數(shù)的確定方法

　　摘要：現(xiàn)場壓水試驗(yàn)的碾壓混凝土滲流常處于非恒定狀態(tài)，壓水試驗(yàn)規(guī)程中按恒定流確定滲透系數(shù)的方法不再適用.本文仿照混凝土試件快速試驗(yàn)確定滲透系數(shù)的方法，推導(dǎo)出壓水試驗(yàn)過程中滲流處于非恒定狀態(tài)條件下碾壓混凝土求滲透系數(shù)的方法和公式.該方法曾應(yīng)用于江埡工程現(xiàn)場壓水試驗(yàn)，較為真實(shí)的反映了碾壓混凝土的滲透特性.

　　關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；滲透系數(shù)；壓水試驗(yàn)

　　基金項(xiàng)目：“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(96-220-01-02-01(1))

　　作者簡介：竇鐵生(1964-)，男，河北唐山人，高級工程師，博士，主要研究方向：水工結(jié)構(gòu).

　　碾壓混凝土(RCC)壩的施工特點(diǎn)是通倉、薄層連續(xù)鋪筑并碾壓.碾壓混凝土壩施工速度快在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，但對碾壓混凝土防滲性能又存在疑虛，這種疑慮來自碾壓混凝土的施工方法及筑壩材料的特殊性.由于分層碾壓施工，層面出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的機(jī)率要比常規(guī)混凝土大，這些薄弱環(huán)節(jié)對抗剪強(qiáng)度和滲透性影響是相當(dāng)大的.大壩作為擋水建筑物，穩(wěn)定性、滲透性是人們最關(guān)心的問題.在碾壓混凝土壩施工技術(shù)日趨成熟，碾壓混凝土壩施工質(zhì)量不斷提高的同時(shí)，如何正確測試碾壓混凝土壩宏觀滲透性，特別是碾壓混凝土滲透性的現(xiàn)場精確測試，關(guān)系到對碾壓混凝土壩的安全與耐久性.《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》^[1]中把現(xiàn)場壓水試驗(yàn)作為現(xiàn)場評定碾壓混凝土抗?jié)B性的方法^[2]_。其可靠性、準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的.反映混凝土滲透性指標(biāo)有：透水率、滲透系數(shù)及抗?jié)B標(biāo)號.由于目前尚無水工碾壓混凝土壓水試驗(yàn)規(guī)程，只能套用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程SL-25-92》進(jìn)行操作.SL-25-92是針對裂隙巖體壓水試驗(yàn)而編制的，裂隙巖體壓水試驗(yàn)容易達(dá)到滲流量Q的恒定值，應(yīng)特別提出的是，SL-25-92推薦采用如下公式計(jì)算滲透系數(shù)：

　　K=Q/2πHLlnL/r0        (1)

　　式中：K—綜合滲透系數(shù)，單位：cm/s；Q—試段內(nèi)的壓水恒定流量，單位：cm3/s；H—試驗(yàn)水頭(由試驗(yàn)壓力換算為水頭)，單位：cm；L—壓水段長，單位：cm,r0—鉆孔半徑，單位：cm.

　　式(1)是按照壓水至恒定狀態(tài)(即Q維持一不變的常量)所求得的壓水段巖體平均滲透系數(shù)，由于在壓水試驗(yàn)前RCC內(nèi)部存在未被水填滿的孔隙，要達(dá)到恒定不變的壓水流量需要極長的時(shí)間，這在實(shí)際上辦不到的.因此，不能用式(1)來確定其滲透系數(shù).

　　2 混凝土試塊快速滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)分析

　　由于混凝土試件存有孔隙，壓水試驗(yàn)只有試件孔隙全部被水填充后才能達(dá)到恒定滲流狀態(tài)，即滲透流量達(dá)到一恒定值.由于混凝土滲透性很微小，混凝土滲透試驗(yàn)達(dá)到恒定流狀態(tài)歷時(shí)非常長，設(shè)備效率極低，且試驗(yàn)歷時(shí)過長，發(fā)生意外試件的概率就越高.因此，這種正規(guī)試驗(yàn)方法必須有裝備良好的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，且不受時(shí)間的限制時(shí)才能進(jìn)行.快速求得混凝土試件滲透系數(shù)，特別是在工地試驗(yàn)室條件下混凝土滲透試驗(yàn)常采用如下簡易方法：即通過較短時(shí)間(T)壓水，不等待水將整個(gè)試件完全飽和就將試件劈開，測得飽和水上升高度Dm，即可求得滲透系數(shù)K.

　　混凝土試塊由底面向上壓水，壓水的水頭為 H.設(shè)時(shí)間為t時(shí)，飽和水面上升高度為y，該處水力梯度為J=H/y.依達(dá)西定律水面上升速度為：v=KJ=KH/y，設(shè)時(shí)間增量dt，水面升高dy，混凝土孔隙率為m，則水量增量為：dq=mBdy=Bvdt，或mydy=KHdt.壓水時(shí)間T時(shí)水面上升到Dm，通過積分， ，積分后可求得：

　　K=mD2m/2TH        (2)

　　混凝土孔隙率應(yīng)通過試驗(yàn)求得，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取m=0.03這就是混凝土快速滲透試驗(yàn)所常用的公式.這種快速試驗(yàn)不如正規(guī)試驗(yàn)精度高，式(2)在理論上也不夠嚴(yán)密，但經(jīng)對比試驗(yàn)，混凝土試件快速試驗(yàn)方法可以滿足工程要求，因而仍被廣泛應(yīng)用.

　　2 RCC鉆孔壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)分析

　　實(shí)踐表明，RCC進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)要達(dá)到恒定流量值所需的時(shí)間比混凝土試件室內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到怛定流量的時(shí)間要長得多，在工地現(xiàn)場條件下是不可能的.在流量Q仍在變化時(shí)，用恒定流推導(dǎo)的式(1)是不可能的.如果用壓水試驗(yàn)終結(jié)時(shí)的流量或用壓水過程的平均流量用式(1)求滲透系數(shù)，不僅理論上是錯(cuò)誤的，而且得出的結(jié)果誤差大，甚至是錯(cuò)誤的.

　　RCC壩鉆孔壓水試驗(yàn)非恒定狀態(tài)與混凝土試件快速壓水試驗(yàn)的機(jī)理相同.前者是飽和圈擴(kuò)大的過程，后者是飽和水面上升的過程.所不同的是RCC壓水試驗(yàn)不可能測到T時(shí)間飽和半徑r1,但r1值可以通過計(jì)算來求得.

　　RCC壩鉆孔壓水試驗(yàn)是一近似軸對稱問題，壓水水頭為h.鉆孔半徑為r0,孔內(nèi)水壓力h=H0；當(dāng)飽和水面半徑為r,h=0，飽和區(qū)內(nèi)水壓力分布為h=H0lnr/r0/lnr1/r0；水力梯度為

　　J=dh/dr=H0/lnr0/r1/r；飽和水面軸向外擴(kuò)散的速度為Ur=Kdh/dr.

　　設(shè)壓水試驗(yàn)段長為L，時(shí)間dt后飽和區(qū)半徑增大dr，則由水量平衡：2πrLurdt=2πrLmdr，兩邊進(jìn)行積分 ，則壓水段綜合滲透系數(shù)為

　　K=m/H0T[r21/2lnr0/r1+r21-r20/4]        (3)

　　式中：r0—鉆孔半徑；r1—T時(shí) 段后飽和區(qū)半徑.

　　在壓水過程中如果沒有水量損失，那么壓入碾壓混凝土內(nèi)的總水量應(yīng)等于

　　w=π(r21-r20)m        (4)

　　w可由試驗(yàn)求得，因而r1即可求.知r1后，K由式(3)即可求得.

　　3 工程應(yīng)用

　　為了研究碾壓混凝土的滲透性，為高碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)提供依據(jù)，在江埡大壩進(jìn)行現(xiàn)場壓水試驗(yàn)，依據(jù)本文式(3)及式(4)計(jì)算每一壓水段的綜合滲透系數(shù).

　　例如某壓水段壓水，總時(shí)間65min，總水量2.6l，由(4)求得r1=10.3cm,再由式(3)解得滲透系數(shù)k=3.9×10-8cm/s.這一滲透系數(shù)是壩體該壓水段的綜合滲透系數(shù)，較為真實(shí)的反映了該段碾壓混凝土的滲透特性.

　　4 結(jié)論

　　按這一方法求滲透系數(shù)只要知道壓水段壓入總水量，就可以確定該段碾壓混凝土的綜合滲透系數(shù).該方法不但適用于碾壓混凝土鉆孔壓水試驗(yàn)的滲透系數(shù)，也適合常態(tài)混凝土鉆孔壓水試驗(yàn).

　　參 考 文 獻(xiàn)：

　　[1]SL53-94，水工碾壓混凝土施工規(guī)范[S].

　　[2]SL-25-92，水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程[S].