碾壓混凝土滲透系數(shù)的確定方法

　　摘要：現(xiàn)場壓水試驗的碾壓混凝土滲流常處于非恒定狀態(tài)，壓水試驗規(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確定滲透系數(shù)的方法，推導出壓水試驗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。該方法曾應用于江埡工程現(xiàn)場壓水試驗，較為真實的反映了碾壓混凝土的滲透特性。

　　關鍵詞：碾壓混凝土滲透系數(shù) 壓水試驗

　　碾壓混凝土（RCC）壩的施工特點是通倉、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)的機率要比常規(guī)混凝土大，這些薄弱環(huán)節(jié)對抗剪強度和滲透性影響是相當大的。大壩作為擋水建筑物，穩(wěn)定性、滲透性是人們最關心的問題。在碾壓混凝土壩施工技術日趨成熟，碾壓混凝土壩施工質(zhì)量不斷提高的同時，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、準確性是至關重要的。反映混凝土滲透性指標有：透水率、滲透系數(shù)及抗?jié)B標號。由于目前尚無水工碾壓混凝土壓水試驗規(guī)程，只能套用《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程SL-25-92》進行操作。SL-25-92是針對裂隙巖體壓水試驗而編制的，裂隙巖體壓水試驗容易達到滲流量Q的恒定值，應特別提出的是，SL-25-92推薦采用如下公式計算滲透系數(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—試驗水頭（由試驗壓力換算為水頭），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)，由于在壓水試驗前RCC內(nèi)部存在未被水填滿的孔隙，要達到恒定不變的壓水流量需要極長的時間，這在實際上辦不到的。因此，不能用式（1）來確定其滲透系數(shù)。

　　1 混凝土試塊快速滲透試驗滲透系數(shù)分析

　　由于混凝土試件存有孔隙，壓水試驗只有試件孔隙全部被水填充后才能達到恒定滲流狀態(tài)，即滲透流量達到一恒定值。由于混凝土滲透性很微小，混凝土滲透試驗達到恒定流狀態(tài)歷時非常長，設備效率極低，且試驗歷時過長，發(fā)生意外試件的概率就越高。因此，這種正規(guī)試驗方法必須有裝備良好的試驗室內(nèi)進行，且不受時間的限制時才能進行。快速求得混凝土試件滲透系數(shù)，特別是在工地試驗室條件下混凝土滲透試驗常采用如下簡易方法：即通過較短時間（T）壓水，不等待水將整個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.

　　混凝土試塊如圖1，由底面向上壓水，壓水的水頭為?H.設時間為t時，飽和水面上升高度為y，該處水力梯度為J=H/y.依達西定律水面上升速度為：v=KJ=KH/y，設時間增量d_t，水面升高d_y，混凝土孔隙率為m，則水量增量為：d_q=mBd_y=B_vd_t，或mydy=KHdt.壓水時間T時水面上升到D_m，通過積分，，積分后可求得：

　　K=mD²m/2TH （2）

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

　　2 RCC鉆孔壓水試驗滲透系數(shù)分析

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

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

　　RCC壩鉆孔壓水試驗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=d_h/d_r=H₀/lnr₀/r₁/r；飽和水面軸向外擴散的速度為Ur=Kd_h/d_r.

　　設壓水試驗段長為L，時間dt后飽和區(qū)半徑增大dr，則由水量平衡：2πrLurdt=2πrLmdr，兩邊進行積分，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?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)的總水量應等于

　　w=π（r21-r²₀）m （4）

　　w可由試驗求得，因而r1即可求。知r₁后，K由式（3）即可求得。

　　3 工程應用

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

　　例如某壓水段壓水，總時間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的滲透系數(shù)，也適合常態(tài)混凝土鉆孔壓水試驗。

　　參考文獻：