碾壓混凝土層面滲流特性研究

黃文濤

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

碾壓混凝土層面滲流特性研究

黃文濤

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

利用長江科學院荷載作用下的碾壓混凝土滲流試驗資料，研究了碾壓混凝土層間滲流的流態(tài)，并論證了達西定律對于層面滲流的適用性；同時，考慮到實際碾壓混凝土壩承受水壓力和層面法向荷載的特點，分析了水頭及法向荷載對層面滲透系數(shù)的影響。結(jié)果表明，碾壓混凝土層面滲流介于薄層流和紊流流態(tài)之間，屬于層流，適用達西定律；滲透系數(shù)會隨水頭的增大而增大，而壓荷載對層面滲透系數(shù)影響不大。

碾壓混凝土；層面滲流；滲流流態(tài)；水頭；壓荷載

1 研究背景

碾壓混凝土筑壩技術(shù)以其施工快、投資省等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用。但在施工過程中，由于層面碾壓存在時間間隔，往往使得層面成為壩體的薄弱面，可能形成壩體滲流的主要通道，威脅大壩安全[1-2]。

碾壓混凝土本體具有低滲透多孔介質(zhì)的特性，其滲透系數(shù)與普通混凝土滲透性相當，屬于低滲透介質(zhì)[2-3]。低滲透介質(zhì)中，滲流運動的規(guī)律可能偏離達西定律，表現(xiàn)出非線性滲流的特征，具體概括為：①滲流流速與水力梯度為非線性關系；②滲流特征曲線不經(jīng)過原點，存在不為零啟動的壓力梯度[4]。錢春香[5]研究了開裂對普通混凝土滲透性的影響，結(jié)果表明，完整混凝土（不含裂縫）存在啟動壓力梯度，而開裂混凝土滲流符合達西滲透定律。

在以往研究中，一般假設碾壓混凝土層面當作等效的裂隙面，利用達西定律計算滲透系數(shù)，而假設并未進行實驗驗證。由于碾壓混凝土本體可能出現(xiàn)低滲透非線性滲流特征，若層面并未影響或改變碾壓混凝土本體低滲透的特點，那么達西定律可能不成立，因此需要對碾壓混凝土滲流流態(tài)進行判別。

同時，實際工程中的碾壓混凝土大壩并不是在單一因素下工作的，一般都承受著多種因素的共同作用，比如壓荷載和水頭作用，這些因素可能會引起碾壓混凝土層面中微裂紋產(chǎn)生和擴展，從而影響其滲透性。MeghdadHoseini[6]從荷載水平、加載歷史、裂縫寬度等幾個方面總結(jié)了荷載作用下普通混凝土的滲透性能：在臨界點之前，普通混凝土滲透系數(shù)會隨著荷載的增大而減小，在臨界點之后，滲透系數(shù)會隨荷載的增加而急劇增大。而對于荷載作用下的碾壓混凝土滲透性卻少有研究。

本文試驗數(shù)據(jù)采用自長江科學院的楊華全[2]，選擇試驗數(shù)據(jù)中的Ⅰ2、Ⅱ2和Ⅲ2組（按順序定義為A、B和C組），對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，研究了碾壓混凝土層間滲流研究的判別方法，并對滲流系數(shù)與水頭、荷載的關系進行了定量分析。

2 滲透試件的制備及外觀描述

2.1 試件的基本情況[2]

用于滲流試驗的試件采樣于某工程施工現(xiàn)場的縱向圍堰，其碾壓混凝土配合比及其性能見表1。

碾壓混凝土層面間隔及處理方式見表2，其中暴露時間是指下層攤鋪后至上層覆蓋的時間，間隔時間指下層出倉后至上層覆蓋的時間。

表1 現(xiàn)場試驗碾壓混凝土配合比及其性能表

2.2 滲透試件的形狀及尺寸

現(xiàn)場取樣的試塊為Ф500 mm的圓柱體，使用特制的設備對試件進行加工，中心鉆孔磨削，形成Ф51 mm的中心孔，然后使用巖石切割機將試件切割成高度為470 mm的試件，最后對試件外周修圓，上下表面打磨拋光。注意在加工的過程中不要擾動和破壞碾壓混凝土層面和本體，最終的試件為內(nèi)徑51 mm，外徑480 mm，高度470 mm的空心圓柱體（見圖1）。

表2 碾壓混凝土層面結(jié)合試驗條件表

圖1 碾壓混凝土滲流試驗示意圖

3 試驗成果及分析

3.1 試驗過程中的滲透現(xiàn)象

（1）A組在逐步加載和水頭逐漸增加的過程中，層面周邊各有4處滲水孔眼；B組試塊層面水流沿著不平整的半個圓周往外滲水；C組試件層面周邊有5處極細滲水孔眼。

（2）每組試件在結(jié)束一級荷載及作用水頭試驗，第2天進行下一級試驗前，都看到試塊的周邊覆蓋1層很薄的白色物質(zhì)，為層面附近水化產(chǎn)物析出。

3.2 碾壓混凝土層面滲流流態(tài)判別

低滲透介質(zhì)的標準界定因工程要求的不同而異，比如地下水領域一般把滲透率在1.00×10-5cm/s以下的稱為低滲透性巖石，石油界認為低滲透率上界限為1.00×10-10cm/s，核廢料處理工程中認為低滲透率系數(shù)的上界限為1.00×10-8cm/s[3]。碾壓混凝土本體滲透系數(shù)在1.29×10-9～ 2.61×10-9cm/s，明顯低于上述工程領域的上限，屬于低滲透介質(zhì)。

馮光遠[7]對多位學者的研究成果進行了歸納，整理出滲流從低速到高速的全過程，并用無量綱阻力系數(shù)f與雷諾數(shù)Re的過程曲線，將滲流分為Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ、Ⅲ1和Ⅲ2等5個狀態(tài)區(qū)域。其中Ⅰ1為薄層流區(qū)；Ⅰ2為薄層流至層流的過渡區(qū)（Ⅰ區(qū)符合Trebin - Irmay定律，外部附加阻力起主要作用）；Ⅱ為層流區(qū)（適用達西定律，摩阻力起主要作用）；Ⅲ1為層流至紊流的過渡區(qū)；Ⅲ2為紊流區(qū)（符合定律福希漢摩定律，附加慣性阻力起主要作用）。

對于碾壓混凝土壩而言，其滲流流速很低，可能存在低速非線性滲流的特點。因此，碾壓混凝土滲流流態(tài)的判別仍然是需要解決的問題。

3.2.1 層流—紊流流態(tài)判別

對于滲流流態(tài)的判別，以雷諾數(shù)Re為判據(jù)，一般管道雷諾數(shù)，其定義如下：

式中：V為水流流速（m/s）；D為圓管直徑（m）；ρ為水的密度（kg/m3）；μ為運動粘滯系數(shù)（Pa · s）；ν為動力粘度（m/s2）。Lomize和Louis以裂隙的水力半徑（ Rf= b/2）替代圓管的水力半徑（ Rf= d/4），得到：

在本次試驗中，已獲得流量值，得到滲流速度V = Q/(2πrb) ，代入式（2）可得：

層流與紊流流態(tài)的判別是流體力學中的經(jīng)典問題，一般采用Re = 2 300的臨界值[8]。

3.2.2 薄層流—層流流態(tài)判別

在水利、道路和油氣開采等實際工程的滲流分析中，越來越多的試驗監(jiān)測資料證實很多偏離達西定律的滲流現(xiàn)象存在，滲流速度與水力梯度不再為線性關系[9]。為了進一步研究低滲流介質(zhì)中真正的滲流情況及機理，不少學者借助微尺度流動研究方法，對微觀滲流進行研究。其中李洋[10]對半徑分別為10.0，7.5，5.0，2.5 μm的熔融石英微管中去離子水的流動特征進行了實驗研究，結(jié)果表明，當雷諾數(shù)小于1.0×10-3時，低速滲流具有非線性特征。

將試驗測得流量帶入公式(3)中，可得在B組試件試驗中，最大流量Q = 100.1 cm3/s時，內(nèi)孔徑處，Ref(max)= 1 243；同時，也注意到在A組試件試驗中，最小流量為Q = 0.001 8 cm3/s時，外孔徑處，Ref(min)= 0.002 4＞0.001 0。因此，可以判斷此次滲流試驗中，所有試件的滲流雷諾數(shù)都在0.002 4≤Ref≤1 243，處于層流區(qū)，達西定律適用。

3.3 立方定律的適用性

俄國著名水力學家Boussinesq（1868年）在粘性（牛頓流體）運動一般微分方程的基礎上，推導出流體在光滑平行板裂隙中運動的理論公式，即立方定律：并對此進行細致的滲流試驗，結(jié)果表明，光滑裂隙層流立方定律的適用范圍可以低至0.20 μm[11]。

P. A. Witherspoon（1979年）[11]適用對不同類型的巖芯（花崗巖、大理石和玄武巖）試件施加20 MPa的軸壓，使巖石裂隙“閉合”。結(jié)果表明，不管裂隙是否“閉合”，立方定律仍然適用，而且與應力加載路徑、加載頻率無關，公式如下：

式中：q為單位流量（m2/s）；ν為流體運動粘度（m2/s）；b為隙寬（m）；g為重力加速度（m/s2）；J為水力梯度。

對于單個裂隙的水流運動，Lomiz（1951年）和Romm（1966年）進行了實驗研究，指出當水流處于層流時，立方定律是適用的。Louis（1966年）將試驗巖石裂隙分為微裂隙（10.00 ～ 100.00 μm）和超微裂隙（0.25 ～ 4.30 μm），

式中：Q為滲流流量（m3/s）；Δh為水頭（m）；b為水力隙寬（m）；C為常數(shù)。當滲流為輻向流時，常數(shù)C的計算公式如下：

將不同水頭Δh測得的流量Q代入公式（5）中，得到不同組別試件在不同壓力荷載作用下的等效水力隙寬（見表3）。

表3 不同組別試件的等效水力隙寬表

從表3中可以看出，A組層面等效隙寬最小，在μm級別，抗?jié)B性最好；C組等效隙寬較大，是A組的4倍左右，抗?jié)B性次之；B組等效隙寬最大，是A組的13倍左右，抗?jié)B性最差。

3.4 層面間隔時間及處理方式的影響

式中：R表示試件的外半徑（m）；r0表示試件的內(nèi)孔半徑（m）；Δh表示壓力水（m）。根據(jù)公式（5）計算出外徑R處的滲流流速v，由公式（8）計算出外徑R處的水力梯度J，根據(jù)達西定律擬合出試件的滲透系數(shù)k，所有值見表4。

根據(jù)公式（7），可以得到不同半徑r處的水力梯度J：

碾壓混凝土層面間隔時間的長短及層面處理對層面滲流特性的影響十分顯著。A組間隔時間為7.0 h左右，層面不處理；B組層面間隔時間13.5 h左右，層面不處理，C組層面間隔時間70.0 h左右，層面刷毛鋪水泥漿。

在輻向流中，當外邊界水頭為0時，試件內(nèi)部不同半徑r處的水頭與半徑的關系見公式（7）：

表4 各組試件擬合的滲透系數(shù)表

A、B和C組試件的平均滲流速度與水力梯度關系見圖3 ～ 5。從圖3 ～ 5中可以看出，將A、B組進行對比，可以發(fā)現(xiàn)A組的滲透系數(shù)比B組低2個數(shù)量級。C組雖然間隔時間很長，但在刷毛鋪水泥漿后，滲透系數(shù)比B組小1個數(shù)量級，但仍然比A組大。這是因為A組層面間隔在碾壓混凝土初凝時間（8.0 h）之內(nèi)，所以再次被碾壓時，由于液化作用，上層碾壓混凝土的骨料下層，與層面接觸，有較好的膠結(jié)、嵌固和嚙合作用。B組層面間隔時間在終凝時間（13.0 h）后，上下層面之間的膠結(jié)、嵌固和嚙合都很弱，而C組雖然刷毛鋪漿處理，但上下層之間沒有嚙合，只有水泥漿的膠結(jié)和嵌固，因此C組滲透系數(shù)比A組大，比B組小。

圖3 A組試件平均滲流速度與水力梯度關系圖

圖4 B組試件平均滲流速度與水力梯度關系圖

圖5 C組試件平均滲流速度與水力梯度關系圖

3.5 水頭的影響

層面的滲流特征受滲流水頭的影響比較顯著。一般來說，層面的平均滲透系數(shù)隨著滲流水頭的增加而加大，當滲流水頭增大到一定程度時，滲水的壓力會剪壞上下層面之間的連接，形成新的滲流通道[12]。

3.6 應力的影響

方永浩[13]用壓力—滲流實驗裝置研究了持續(xù)單向壓荷載作用對混凝土的水滲透性的影響，結(jié)果表明：壓荷載的存在會影響混凝土的滲透性。當應力比（實際壓荷載與極限荷載的比值）低于60%時，混凝土的滲透性隨應力比的增大而減?。划攽Ρ雀哂?0%時，混凝土的滲透性隨應力比的增大而急劇增大。但是不同的學者對于臨界應力比的判斷不同，Kermani[14]認為拐點應力比是30%，Banthia[15]認為42%，Hearn[16]則認為拐點在80%左右。

在本次試驗中，為了定量分析層面滲透系數(shù)隨水頭隨壓應力的變化關系，繪制了滲透系數(shù)比k / k3.0隨應力比f變化的關系曲線（見圖6），其中k3.0表示法向應力為3.0 MPa時，各組試件對應的滲透系數(shù)。

圖6 滲透系數(shù)比(k / k3.0)與應力比f的關系圖

本次試驗最大的壓荷載為8.0 MPa，應力比f = 37%，在此范圍內(nèi)，碾壓混凝土滲透系數(shù)比并未隨著應力比的增長而降低，而是在某一常數(shù)（k / k0= 1.1）上下波動。

由試驗可以看出，法向應力對碾壓混凝土的影響與普通混凝土不同。對于碾壓混凝土而言，由于上下層面的嚙合、嵌固，當層面承受法向壓力荷載時，不止受到法向壓應力，而且還受到剪應力的作用。法向壓應力會減小層面附近的孔隙，降低孔隙滲透性；剪應力可能導致嚙合面錯動，破壞骨料和砂漿的膠結(jié)，增加新的滲流通道，從而增大層面滲透性。從試驗結(jié)果看來，當混凝土受到壓荷載作用時，由此產(chǎn)生的壓應力和剪應力同時存在，而其對層面滲透性的影響大致抵消，使得碾壓混凝土在一定水頭作用下，隨著應力的增加，滲透系數(shù)保持為常數(shù)。

4 結(jié) 論

本文采用長江科學院的滲流試驗數(shù)據(jù)，分析層面滲流流態(tài)，并分析了水頭及法向壓荷載對滲透性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）層面是碾壓混凝土滲流的主要通道。在不同組別試件的滲透試驗過程中發(fā)現(xiàn)，滲流從層面流出，但并不是沿著層面周邊均勻流出，而是集中在幾個主要通道，這是由于拌合料的隨機性及碾壓振動的不均勻性造成的。

（2）層面的滲流屬于層流，適用達西定律。雖然碾壓混凝土本體是低滲透介質(zhì)，經(jīng)過本體的滲流存在低滲透非線性滲流的可能，但由于層間弱面的存在，大大提高了整體的滲流性，使得經(jīng)過層面的滲流呈現(xiàn)達西流的流態(tài)。

（3）水頭對層面的滲透性影響較大。隨著水頭的增大，滲流的水壓力大于部分粘結(jié)面的抗拉強度，破壞上下層連接，形成新的滲透通道，因此碾壓混凝土層面滲透性會提高。

（4）法向壓力荷載對層面的滲透性影響不大。不同于普通混凝土，碾壓混凝土滲透系數(shù)比并未隨著應力比的增長而降低，而是在某一常數(shù)（k / k0= 1.1）上下波動。

上述結(jié)論都是基于宏觀滲透試驗得到的，對于層間的微觀結(jié)構(gòu)和滲流機理并不太了解，還需要進行新的研究。而且在實驗過程中看到白色析出物，說明滲流過程中伴隨著自愈合作用的可能，這也需要在以后的滲流試驗中加以考慮。

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（責任編輯 郎忘憂）

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黃文濤(1990 - )，男，助理工程師，大學本科，主要從事混凝土方向檢測研究。E - mail：624378785@qq.com