碾壓混凝土滲透系數的確定方法

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

　　摘要：現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的方法和公式。該方法曾應用于江埡工程現場壓水試驗，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 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場精確測試，關系到對碾壓混凝土壩的安全與耐久性?！端つ雺夯炷潦┕ひ?guī)范》[1]中把現場壓水試驗作為現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：

　　K=Q/2πHLlnL/r₀ （1）

　　式中：K—綜合滲透系數，單位：cm/s；Q—試段內的壓水恒定流量，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，由于在壓水試驗前RCC內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。

　　1 混凝土試塊快速滲透試驗滲透系數分析

　　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進行，且不受時間的限制時才能進行?？焖偾蟮没炷猎嚰B透系數，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，或根據經驗可取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試驗達到怛定流量的時間要長得多，在工地現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時的流量或用壓水過程的平均流量用式（1）求滲透系數，不僅理論上是錯誤的，而且得出的結果誤差大，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，孔內水壓力h=H0；當飽和水面半徑為r，h=0，飽和區(qū)內水壓力分布為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，在江埡大壩進行現場壓水試驗，依據本文式（3）及式（4）計算每一壓水段的綜合滲透系數。

　　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k=3.9×10-8cm/s.這一滲透系數是壩體該壓水段的綜合滲透系數，較為真實的反映了該段碾壓混凝土的滲透特性。

　　4 結論

　　按這一方法求滲透系數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。該方法不但適用于碾壓混凝土鉆孔壓水試驗的滲透系數，也適合常態(tài)混凝土鉆孔壓水試驗。

　　參 考 文 獻：

　　[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規(guī)程[S].