達(dá)西定律與滲流控制

廖原

摘 要：結(jié)合達(dá)西定律，探討了滲流控制措施。

關(guān)鍵詞：達(dá)西定律；滲流控制；措施

現(xiàn)在的交通網(wǎng)越來越密集，小車也越來越多，然而超載現(xiàn)象卻也越來越普遍了。我們現(xiàn)在應(yīng)該清醒地意識到，盡管已經(jīng)有大量的高等級公路已投入運(yùn)行，然而在兩三年后，在某些時(shí)候，甚至在還不到一年的使用時(shí)間壽命里，在松散的瀝青面層就會發(fā)生松散，坑洼，調(diào)粒等等種種的水損現(xiàn)象。這時(shí)，就需要改建瀝青面層，維修或是翻新。這不單單只是增加了對公路的維修以及養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用，同時(shí)也大大的影響著高等級公路的處事水平以及服務(wù)群眾的能力，從而將傳遞給社會種種的負(fù)能量。水會通過裂縫、松散等病害處或者面層空隙下滲、側(cè)向滲入、地下水位逐漸上升等多種途徑進(jìn)入面層構(gòu)造內(nèi)部，在凍融循環(huán)或行車荷載的反復(fù)作用下瀝青面層內(nèi)部的水會產(chǎn)生動水壓力或真空負(fù)壓抽吸的作用，使瀝青粘附性消減，喪失了與集料之間的粘結(jié)力，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面脫落，造成了瀝青面層的水病害[1-2]。

在降雨條件下，面層的運(yùn)動方向?yàn)檠仄旅娴慕涤甑木C合積累，然后形成一層水膜。此外，動水壓力迫使更多的水進(jìn)入面層構(gòu)造，導(dǎo)致瀝青與集料間是分開的，老齡化趨勢增加，沖擊道路的耐久性，導(dǎo)致過早的損壞之路，特別是在炎熱和潮濕多雨地區(qū)的影響。這個(gè)時(shí)候，研究達(dá)西定律與滲流控制就是十分有必要的了。

在1856，一位叫作達(dá)西亨利（Henry Darcy）的著名科學(xué)家在解決有關(guān)于供水方面課題的時(shí)候，嘗試著用直立的均質(zhì)沙柱來實(shí)現(xiàn)了滲流的實(shí)驗(yàn)方面的鉆研[3]，他做的測試的裝置構(gòu)造如下圖所示。

該實(shí)驗(yàn)使用一組通信管實(shí)驗(yàn)室，通信管道在沙子中間放置穿透試樣，分別在水的容器溢出的通信管道的兩端，裝水的容器，一端比另一端高水容器、水容器和兩個(gè)高度可以調(diào)節(jié)，所以當(dāng)水在裝水的容器，在水容器比另一端高一端，而在水兩水容器溢流口不變。由于在水容器水位的一端比另一端，是以，在水容器中的水可以從終端的低水位高端流。

達(dá)西觀察到通過用以上手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，水流經(jīng)砂柱的水量Q，并通過截面發(fā)現(xiàn)這一滲透水量不光與過水?dāng)嗝鍭成正比，與滲流路徑L成反比，不光量水的滲透是水的比例，還與水流的流徑成反比，除此之外它與差容器之間的水兩頭的變化有關(guān)，這就是眾所周知的達(dá)西定律。

達(dá)西通過上述裝置觀測了單位時(shí)間內(nèi)流過砂柱的，發(fā)現(xiàn)，而且隨著兩盛水器之間的水頭差h1-h2而變化，這就是著名的達(dá)西定律。即：

iii.達(dá)西實(shí)驗(yàn)定律中的對象是驅(qū)動的水上運(yùn)動。是以，達(dá)西的實(shí)驗(yàn)規(guī)律適應(yīng)的范圍是受重力驅(qū)動作用下的不均勻流體原料下的層流。

瀝青面層滲水性分析：滲透到瀝青面層的水主要為大氣降水。水病害是由于水的原因，進(jìn)入瀝青面層破壞面層的粘聚性。瀝青面層水病害的水平方向的大小與道路的降水的速度是密切相關(guān)的。在寒冷的北方地區(qū)，冬季積雪逐漸滲透并保持在面層的內(nèi)部，在面層的內(nèi)部構(gòu)造的雪呈現(xiàn)反復(fù)的凍融循環(huán)作用，從而削弱了構(gòu)造的整體性。春季解凍的二年期間，面層構(gòu)造內(nèi)的自由水在行車荷載作用下將進(jìn)一步加快瀝青面層的水損壞。

通過對降雨入滲的物理過程的研究分析，可以很好地了解了雨水的瀝青面層滲透的具體情況。降雨入滲對瀝青面層的面層構(gòu)造內(nèi)部的影響過程，按照時(shí)間的順序，可以分為以下幾個(gè)過程：（1）初步滲入瀝青面層。在這個(gè)過程中，經(jīng)過雨水降落在分子力作用的瀝青面層顆粒吸附面層的表面逐漸形成薄膜水，雨水滲透瀝青面層的表面，干燥時(shí)外觀表現(xiàn)為灰色的瀝青漸漸變黑。在這一點(diǎn)上，一些在面層表面的水分，不能及時(shí)的滲透運(yùn)動到一個(gè)與瀝青面層形成的構(gòu)造層的內(nèi)部。在這種情況下，瀝青面層原料的表層是處在濕潤的狀況下。（2）填充空隙的瀝青面層雨水。孔隙瀝青面層表面只允許雨水滲入構(gòu)造層，也可以滿足車輛的一些摩擦和抗滑性能的要求，這對于一個(gè)下雨天來說是非常重要的。雨淋濕了瀝青面層的表面層后，面層的雨水在毛細(xì)力和重力本身的作用下沿面層空隙移動。當(dāng)面層的水分含量大于面層構(gòu)造的水分子的最大飽和量，水開始向下滲透到面層構(gòu)造內(nèi)，在面層孔隙率的影響下運(yùn)動，并填充所有瀝青面層表面的空隙，從而到達(dá)飽和。正常情況下，當(dāng)下雨時(shí)，總是從路邊的地表徑流滲透到面層內(nèi)部構(gòu)造。（3）在瀝青面層的水分滲透過程的積累。當(dāng)瀝青面層上達(dá)到飽和最大水分子，雨將持續(xù)在瀝青面層表面擴(kuò)散，濕面層構(gòu)造厚度的增加，直到整個(gè)面層都是濕的。如果雨繼續(xù)下，然后雨水將會流動到整個(gè)垂直面。瀝青面層的滲水方式：被雨淋的瀝青面層，在動水壓力下，在瀝青面層空隙連通或不連通的孔隙中的水運(yùn)動的過程。普通情況下，在瀝青面層滲流，有兩種情況：一是在開級配或半開級配的瀝青面層的表面層構(gòu)造的孔隙率總是在水的滲流狀況；一是孔隙率較小的密級配瀝青面層，但在這個(gè)構(gòu)造中它是很難被水分入滲，水流量很低。滲流途徑密級配瀝青砼面層，包括兩種類型的水沿著孔隙運(yùn)動，混合料的空隙相互不連通，所以瀝青面層幾乎不滲水。由此可知，減少瀝青面層滲水危害的防治措施有：盡量避免水分滲入面層構(gòu)造層；增強(qiáng)瀝青與礦料的粘附性；提高壓實(shí)水平，嚴(yán)格控制現(xiàn)場空隙率以及面層構(gòu)造層中設(shè)置排水層或防水層。

參考文獻(xiàn)

[1]沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期損壞的技術(shù)途徑[J].公路，2000，5：71-76.

[2]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]Ohnish，Y.et al.Finite element analysis of seePage flow in regularly jointed rock mass[J].5th Intern. Conf.on Numerical Methods in Geomechanies，Japan，1985（11）：673.