碾压混凝土渗透系数的确定方法

　　摘要：现场压水试验的碾压混凝土渗流常处于非恒定状态，压水试验规程中按恒定流确定渗透系数的方法不再适用.本文仿照混凝土试件快速试验确定渗透系数的方法，推导出压水试验过程中渗流处于非恒定状态条件下碾压混凝土求渗透系数的方法和公式.该方法曾应用于江垭工程现场压水试验，较为真实的反映了碾压混凝土的渗透特性.

　　关键词：碾压混凝土；渗透系数；压水试验

　　基金项目：“九五”国家重点科技攻关项目(96-220-01-02-01(1))

　　作者简介：窦铁生(1964-)，男，河北唐山人，高级工程师，博士，主要研究方向：水工结构.

　　碾压混凝土(RCC)坝的施工特点是通仓、薄层连续铺筑并碾压.碾压混凝土坝施工速度快在世界范围内得到广泛认可，但对碾压混凝土防渗性能又存在疑虚，这种疑虑来自碾压混凝土的施工方法及筑坝材料的特殊性.由于分层碾压施工，层面出现薄弱环节的机率要比常规混凝土大，这些薄弱环节对抗剪强度和渗透性影响是相当大的.大坝作为挡水建筑物，稳定性、渗透性是人们最关心的问题.在碾压混凝土坝施工技术日趋成熟，碾压混凝土坝施工质量不断提高的同时，如何正确测试碾压混凝土坝宏观渗透性，特别是碾压混凝土渗透性的现场精确测试，关系到对碾压混凝土坝的安全与耐久性.《水工碾压混凝土施工规范》^[1]中把现场压水试验作为现场评定碾压混凝土抗渗性的方法^[2]_。其可靠性、准确性是至关重要的.反映混凝土渗透性指标有：透水率、渗透系数及抗渗标号.由于目前尚无水工碾压混凝土压水试验规程，只能套用《水利水电工程钻孔压水试验规程SL-25-92》进行操作.SL-25-92是针对裂隙岩体压水试验而编制的，裂隙岩体压水试验容易达到渗流量Q的恒定值，应特别提出的是，SL-25-92推荐采用如下公式计算渗透系数：

　　K=Q/2πHLlnL/r0        (1)

　　式中：K—综合渗透系数，单位：cm/s；Q—试段内的压水恒定流量，单位：cm3/s；H—试验水头(由试验压力换算为水头)，单位：cm；L—压水段长，单位：cm,r0—钻孔半径，单位：cm.

　　式(1)是按照压水至恒定状态(即Q维持一不变的常量)所求得的压水段岩体平均渗透系数，由于在压水试验前RCC内部存在未被水填满的孔隙，要达到恒定不变的压水流量需要极长的时间，这在实际上办不到的.因此，不能用式(1)来确定其渗透系数.

　　2 混凝土试块快速渗透试验渗透系数分析

　　由于混凝土试件存有孔隙，压水试验只有试件孔隙全部被水填充后才能达到恒定渗流状态，即渗透流量达到一恒定值.由于混凝土渗透性很微小，混凝土渗透试验达到恒定流状态历时非常长，设备效率极低，且试验历时过长，发生意外试件的概率就越高.因此，这种正规试验方法必须有装备良好的试验室内进行，且不受时间的限制时才能进行.快速求得混凝土试件渗透系数，特别是在工地试验室条件下混凝土渗透试验常采用如下简易方法：即通过较短时间(T)压水，不等待水将整个试件完全饱和就将试件劈开，测得饱和水上升高度Dm，即可求得渗透系数K.

　　混凝土试块由底面向上压水，压水的水头为 H.设时间为t时，饱和水面上升高度为y，该处水力梯度为J=H/y.依达西定律水面上升速度为：v=KJ=KH/y，设时间增量dt，水面升高dy，混凝土孔隙率为m，则水量增量为：dq=mBdy=Bvdt，或mydy=KHdt.压水时间T时水面上升到Dm，通过积分， ，积分后可求得：

　　K=mD2m/2TH        (2)

　　混凝土孔隙率应通过试验求得，或根据经验可取m=0.03这就是混凝土快速渗透试验所常用的公式.这种快速试验不如正规试验精度高，式(2)在理论上也不够严密，但经对比试验，混凝土试件快速试验方法可以满足工程要求，因而仍被广泛应用.

　　2 RCC钻孔压水试验渗透系数分析

　　实践表明，RCC进行压水试验时要达到恒定流量值所需的时间比混凝土试件室内试验达到怛定流量的时间要长得多，在工地现场条件下是不可能的.在流量Q仍在变化时，用恒定流推导的式(1)是不可能的.如果用压水试验终结时的流量或用压水过程的平均流量用式(1)求渗透系数，不仅理论上是错误的，而且得出的结果误差大，甚至是错误的.

　　RCC坝钻孔压水试验非恒定状态与混凝土试件快速压水试验的机理相同.前者是饱和圈扩大的过程，后者是饱和水面上升的过程.所不同的是RCC压水试验不可能测到T时间饱和半径r1,但r1值可以通过计算来求得.

　　RCC坝钻孔压水试验是一近似轴对称问题，压水水头为h.钻孔半径为r0,孔内水压力h=H0；当饱和水面半径为r,h=0，饱和区内水压力分布为h=H0lnr/r0/lnr1/r0；水力梯度为

　　J=dh/dr=H0/lnr0/r1/r；饱和水面轴向外扩散的速度为Ur=Kdh/dr.

　　设压水试验段长为L，时间dt后饱和区半径增大dr，则由水量平衡：2πrLurdt=2πrLmdr，两边进行积分 ，则压水段综合渗透系数为

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

　　式中：r0—钻孔半径；r1—T时 段后饱和区半径.

　　在压水过程中如果没有水量损失，那么压入碾压混凝土内的总水量应等于

　　w=π(r21-r20)m        (4)

　　w可由试验求得，因而r1即可求.知r1后，K由式(3)即可求得.

　　3 工程应用

　　为了研究碾压混凝土的渗透性，为高碾压混凝土重力坝设计提供依据，在江垭大坝进行现场压水试验，依据本文式(3)及式(4)计算每一压水段的综合渗透系数.

　　例如某压水段压水，总时间65min，总水量2.6l，由(4)求得r1=10.3cm,再由式(3)解得渗透系数k=3.9×10-8cm/s.这一渗透系数是坝体该压水段的综合渗透系数，较为真实的反映了该段碾压混凝土的渗透特性.

　　4 结论

　　按这一方法求渗透系数只要知道压水段压入总水量，就可以确定该段碾压混凝土的综合渗透系数.该方法不但适用于碾压混凝土钻孔压水试验的渗透系数，也适合常态混凝土钻孔压水试验.

　　参 考 文 献：

　　[1]SL53-94，水工碾压混凝土施工规范[S].

　　[2]SL-25-92，水利水电工程钻孔压水试验规程[S].