堆石混凝土壩滲透系數(shù)淺析

龍召福，唐曉玲

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，RFC)是利用具有高流動抗離析性能的自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)，依靠自重填充到預(yù)放堆石體空隙中而形成的新型混凝土[1]。堆石混凝土具有施工速度快、施工成本低、綜合性能較高、節(jié)能環(huán)保[2]、水化熱溫升低[3]等優(yōu)點(diǎn)，因此正在被廣泛應(yīng)用于具有大體積混凝土的壩體建設(shè)中[4- 8]。用堆石混凝土澆筑而成的大壩，其抗?jié)B性能是一項關(guān)鍵的檢測指標(biāo)，直接影響到大壩的耐久性，抗?jié)B性能太差甚至還會引發(fā)壩體的大量滲漏。而滲透系數(shù)是評定壩體透水性能的指標(biāo)之一，也是進(jìn)行滲流計算過程中的一個重要參數(shù)，對此研究具有重要意義。

由于堆石混凝土具有獨(dú)特的成型方式，以及壩體塊石粒徑一般大于30cm，使其各項性能區(qū)別于普通的混凝土。已有學(xué)者對其進(jìn)行了多種性能的試驗，金峰、安雪暉等[9]用鋼模制做了邊長分別為600mm和500mm的立方體堆石混凝土，以及相應(yīng)尺寸和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的自密實混凝土，通過抗壓試驗，得到對應(yīng)的強(qiáng)度值。李友彬、朱柏松等[10]在現(xiàn)場同條件澆筑了邊長為2.2m的試驗倉，通過繩據(jù)切割成邊長為450mm的立方體及邊長為450mm、高為900mm的長方體試塊并對其進(jìn)行了抗壓、劈裂抗拉和靜力彈性模量等試驗。而在堆石混凝土抗?jié)B的研究中，劉昊[11]把堆石混凝土簡化為單元混凝土，對其進(jìn)行了抗?jié)B等級試驗，用粒徑大小為10～15cm，直徑450mm、高450mm的混凝土試件進(jìn)行全級配滲透試驗，以及對其進(jìn)行室內(nèi)的壓水試驗，得到了滲透系數(shù)。秦根泉、梁必塊[12]實地澆筑2m的立方體試塊，通過鉆孔得到芯樣并進(jìn)行滲透試驗而得到滲透系數(shù)。文獻(xiàn)[13- 14]在室內(nèi)澆筑大試件，通過切割、打磨和填補(bǔ)形成標(biāo)準(zhǔn)截頭圓錐試件，然后進(jìn)行滲透試驗。

以上學(xué)者通過制做大于常規(guī)尺寸的堆石混凝土試件，在力學(xué)性能試驗中較真實地反映了試驗結(jié)果。而對于滲透試驗，目前所用的試件尺寸都較小，雖然全級配滲透試驗所用的尺寸較大，但目前試驗次數(shù)少。本文通過對堆石混凝土壩體鉆孔壓水所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論換算為滲透系數(shù)，再對室內(nèi)、現(xiàn)場滲透試驗、理論公式和計算結(jié)果進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步揭示了堆石混凝土的滲透性能。

1 理論分析

根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》[15]的要求，在室內(nèi)進(jìn)行混凝土滲透滲透系數(shù)測定時有兩種方式：全級配混凝土滲透系數(shù)試驗和混凝土相對滲透試驗。由于我國工程上習(xí)慣用抗?jié)B標(biāo)號來表示大壩混凝土的抗?jié)B性，一般后者應(yīng)用得較多。

對于全級配混凝土滲透系數(shù)公式，其公式是根據(jù)達(dá)西定律變形而得到：

(1)

式中，K—巖體滲透系數(shù)，cm/s；Q—壓入流量，cm3/s；H—試驗水頭，cm；L—試段長度，cm；r0—鉆孔半徑，cm。

在由鉆孔壓水推求來的滲透系數(shù)公式中，根據(jù)水的流動形態(tài)，通常有兩種假設(shè)模型[18]。一種為輻射流型，該模型假定水流垂直鉆孔軸線對稱流動，并限制在壓水孔段內(nèi)，如圖1所示。

圖1 輻射流型簡圖

文獻(xiàn)[19- 20]中假定巖層內(nèi)的透水性為各向同性，當(dāng)壓入鉆孔內(nèi)的流量和壓力相對穩(wěn)定時，對于任意以鉆孔軸心為半徑的圓柱斷面的流量相等[19- 20]。由達(dá)西定律：

Q=KJA

(4)

距離鉆孔軸心任意微段出的水力坡度及該處的斷面面積為：

(5)

在鉆孔半徑r0和距鉆孔軸心R段內(nèi)，由式(4)—(5)對其積分：

(6)

式中，r0—鉆孔半徑，cm；R—影響半徑，cm；H0—鉆水孔內(nèi)的總水頭，cm；HR—距鉆孔軸心R處的總水頭，cm；其余同上。

另一種為橢圓體流型，該模型假設(shè)水流以鉆孔軸心為線源均勻向四周流出，如圖2所示。

圖2 橢圓體流型簡圖

其滲透系數(shù)計算公式為：

(7)

由鉆孔壓水試驗轉(zhuǎn)換到滲透系數(shù)的公式比較多，文獻(xiàn)[21]中的巴布什金經(jīng)驗公式：

(8)

式中，a—與試段位置有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)試段底至隔水層的距離大于L時為0.66，反之為1.32。

文獻(xiàn)[22]中，在呂榮值Lu小于20時，公式如下：

(9)

近似的計算：

1Lu=(1～1.3)×10-5cm/s

(10)

或者用C·庫茲納爾推薦的曲線查呂榮值Lu與滲透系數(shù)K之間的關(guān)系。

2 試驗計算方法的分析

2.1 室內(nèi)試驗方法分析

在SL 352—2006中混凝土滲透系數(shù)的測定方法有兩種，即在1.1節(jié)對應(yīng)的相對滲透系數(shù)試驗測定和全級配滲透系數(shù)試驗測定。對于第一種試驗，文獻(xiàn)[11]中在試模中預(yù)先放置一塊粒徑約為10cm的塊石，然后澆筑自密實混凝土，不對其振搗，用單元堆石混凝土來模擬堆石混凝土。但是從作者試驗中得到的堆石率(見表1)看，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際工程通常55%～60%的堆石率[9]。文獻(xiàn)[13]中澆筑了2m×1m×1.8m的堆石混凝土試塊，并切割成尺寸為12cm×12cm×15cm的試件，在四周打磨后，用自密實砂漿進(jìn)行填補(bǔ)成試驗的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行滲透測定，但試驗結(jié)果表明：與砂漿結(jié)合處滲漏較多。而文獻(xiàn)[14]中通過澆筑好的試塊切割成20cm×20cm×15cm的試件，然后直接打磨成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圓臺體進(jìn)滲透試驗。但兩者由于標(biāo)準(zhǔn)試模尺寸的限制，切割后的尺寸不具有代表性。

表1 單元堆石混凝土堆石率

對于第二種試驗，文獻(xiàn)[11]中在試模中預(yù)先放置粒徑約為10～20cm的塊石，然后澆筑成形進(jìn)行試驗[11]。其試件的堆石率(見表2)接近實際工程通常的堆石率，粒徑雖然不能達(dá)到工程上通常的30cm，但相對于第一種試驗，其更具有代表性。

由以上的分析可以得出：采用全集配混凝土的滲透試驗方法較相對混凝土滲透系數(shù)試驗方法更加合理。

表2 全集配堆石混凝土堆石率

2.2 現(xiàn)場計算方法分析

對于大壩的滲透檢查，國內(nèi)外通常采用鉆孔壓水的方法，并據(jù)此來計算壩體混凝土的滲透系數(shù)[23]。由鉆孔壓水推導(dǎo)出的滲透系數(shù)公式很多，文獻(xiàn)[24]和SL 31—2003《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》中的條文說明均指出其計算結(jié)果大致相差±20%之內(nèi)。在1.2節(jié)中由假定輻射流型推導(dǎo)出的公式(6)可知，當(dāng)影響半徑R等于鉆孔試段長度L，并且此時影響半徑處的水頭HR=0時，式(6)即轉(zhuǎn)化為式(3)。對處于非飽和狀態(tài)的大壩混凝土來說，鉆孔壓水后，水流總體形式為一飽和圈逐漸擴(kuò)大的非恒定滲流過程，但壓水穩(wěn)定后，飽和圈中的水流可以看成為飽和穩(wěn)定滲流并且飽和圈外的壓力水頭為0[25]；盡管在一般的壓水歷時內(nèi)，穩(wěn)定滲流難以達(dá)到，但是通過文獻(xiàn)[26]對巖體穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流的計算可知兩者相差不大，見表3。

表3 滲透系數(shù)計算對比

此外，文獻(xiàn)[18]對于非飽和區(qū)中：HR=0、R的值很小，一般可用鉆孔試段長度L取代；由此可以看出，這樣的簡化假設(shè)是合理的。但是對于混凝土中的鉆孔壓水，滲流的形態(tài)并不是水平的，輻射流型這種假設(shè)模型并不理想，而橢圓體流型這種模型較為合理。從1.2節(jié)中的式(7)可以看出：當(dāng)試段長度L遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔半徑r0時，其式(7)可以轉(zhuǎn)換為式(6)，那么以橢圓體流型這種假設(shè)來考慮就是我們希望看到的。一般對于試段長度是遠(yuǎn)大于鉆孔半徑的，但一直以來人們都未能見到該公式的具體的推導(dǎo)過程，缺乏考證[27]，筆者也未能找到，所以理論上較為清楚的是輻射流型這種模型。

對壩體滲透系數(shù)，也可以通過1.2節(jié)中的式(8)—(10)計算或查C·庫茲納爾曲線圖。對于式(9)中的呂榮值Lu，由于鉆孔直徑的不同而存在一定的誤差，但影響微小可以忽略不計[17]。而式(3)可以通過一定的轉(zhuǎn)換，變成式(9)，兩者是等同的，式(9)中滲透系數(shù)的單位為cm/s。

由以上的分析可以得出：現(xiàn)場滲透系數(shù)的計算方法較多，且都存在近似性，理論較為完備的是輻射流型模型，對于堆石混凝土的滲透系數(shù)公式可采用簡化后的式(3)。

3 實際數(shù)據(jù)計算

3.1 室內(nèi)試驗的滲透系數(shù)

在室內(nèi)對堆石混凝土進(jìn)行的滲透試驗，目前筆者收集到的資料中主要有4種形式：①全集配混凝土滲透試驗；②相對混凝土滲透試驗；③現(xiàn)場取芯(芯樣直徑150mm)然后拿到室內(nèi)試驗；④室內(nèi)鉆孔壓水(試件為直徑450mm、高450mm的圓柱體)。

對第1種采用式(1)計算滲透系數(shù)，見表4。

表4 全集配混凝土滲透數(shù)據(jù) 單位：cm/s

第2種試驗相關(guān)學(xué)者只是進(jìn)行了抗?jié)B等級測定而得出抗?jié)B標(biāo)號，筆者采用文獻(xiàn)[16]中抗?jié)B標(biāo)號換算為滲透系數(shù)的近似公式進(jìn)行換算，見表5。

第3種試驗由于收集到的資料中沒提及采用什么形式的試驗，只能得到用芯樣測得的滲透系數(shù)值。在文獻(xiàn)[12]中，采用實地澆筑2m的立方體試塊(SCC設(shè)計等級為C2815W4、水灰比為0.3)，進(jìn)行鉆孔取芯后得到的滲透系數(shù)為4.01×10-8cm/s。

第4種試驗文獻(xiàn)[11]首次嘗試在室內(nèi)用直徑450mm、高450mm的圓柱體試驗進(jìn)行室內(nèi)壓水試驗，其采用式(3)計算，見表6。

3.2 現(xiàn)場試驗的滲透系數(shù)

在貴州打鼓臺水庫，對壩體進(jìn)行鉆孔壓水試驗得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過式(9)或式(3)計算得到滲透系數(shù)，見表7。同理對貴州另外4座堆石混凝土壩的滲透系數(shù)進(jìn)行計算，把5座水庫計算的結(jié)果分別以平均滲透系數(shù)方式表示，結(jié)果見表8。

為使在堆石混凝土壩體得的滲透系數(shù)更具有延伸性，通過文獻(xiàn)[28]在云南地區(qū)某水庫(自密實混凝土設(shè)計標(biāo)號C15W6、水灰比0.39)鉆孔壓水所得數(shù)據(jù)，筆者再利用式(3)計算，得到該壩的平均滲透系數(shù)為2.915×10-5cm/s。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 總體結(jié)果分析

在室內(nèi)試驗中：①從全級配混凝土滲透試驗結(jié)果(見表4)可以得到：SCC和RFC混凝土滲透系數(shù)的平均值為分別為0.848×10-10、1.629×10-9cm/s，兩者相差約1個數(shù)量級，在排除其它因素影響的前提下，說明塊石對該試件的滲透系數(shù)有影響；②從相對混凝土滲透試驗結(jié)果(見表5)可以看出：序號1中，換算得到的SCC滲透系數(shù)值小于1.97×10-10cm/s，RFC為0.558×10-9cm/s，兩者與①中結(jié)果變化不大，也可說明SCC抗?jié)B作用被塊石削弱。序號2中，RFC中的普通部位和熱縫滲透系數(shù)的平均值為1.990×10-10cm/s，較序號1和①中的RFC提升了一個數(shù)量級；③由現(xiàn)場芯樣得到的RFC滲透系數(shù)為4.01×10-8cm/s，比①、②分別相差了1、2個數(shù)量級；④通過室內(nèi)鉆孔壓水得到的SCC和RFC滲透系數(shù)平均值分別為1.131×10-9、2.008×10-9cm/s。

表5 相對混凝土滲透數(shù)據(jù)

表6 室內(nèi)壓水?dāng)?shù)據(jù)

表7 壩體滲透系數(shù)

表8 壩體平均滲透系數(shù) 單位：cm/s

由以上可知室內(nèi)的多種試驗中，SCC滲透系數(shù)：0.848×10-10～1.131×10-9cm/s，變化不大，由①、④得到其總體平均值為6.079×10-10cm/s。而RFC的滲透系數(shù)：1.990×10-10～4.01×10-8cm/s，變化較大，可能是由于試件形成方式對其影響導(dǎo)致。由①—④得到其總體平均值為8.899×10-9cm/s。

在現(xiàn)場試驗中：由表8可知貴州5座水庫RFC滲透系數(shù)相差不大，與省外一座水庫計算滲透系數(shù)對比也相差不大，說明地區(qū)差異所造成RFC滲透系數(shù)變化較小，也進(jìn)一步證實RFC滲透系數(shù)的數(shù)量級為5的可靠性。

由以上，得到6座水庫RFC滲透系數(shù)的平均值為1.777×10-5cm/s，3座水庫SCC滲透系數(shù)的平均值為3.899×10-6cm/s。

4.2 對比結(jié)果分析

(1)從室內(nèi)、現(xiàn)場的總體平均滲透系數(shù)來看，兩者存在差距，見表9。相關(guān)資料也指出室內(nèi)和現(xiàn)場所得的滲透系數(shù)存在差異，對于碾壓混凝土兩者相差1～2個數(shù)量級[29- 30]。但從表9中可以看出SCC與RFC相差的數(shù)量級明顯大于碾壓混凝土。對于SCC，從表9可看出現(xiàn)場SCC與RFC滲透系數(shù)值相差不大，這可能是由于鉆孔壓水水時防滲層比較薄，筆者認(rèn)為應(yīng)參照室內(nèi)的滲透系數(shù)。

對于RFC，筆者認(rèn)為滲透系數(shù)相差較大的主要原因是室內(nèi)、現(xiàn)場塊石粒徑差異大導(dǎo)致。雖然全集配混凝土試驗有一定的代表性，試驗結(jié)果應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)場試驗接近，但其與相對混凝土滲透試驗結(jié)果接近，這需要進(jìn)一步研究。但總的來說，目前現(xiàn)場壓水得到的滲透系數(shù)有較大的可信度。

表9 總體平均滲透系數(shù)差異 單位：cm/s

(2)在1.2節(jié)中，對于現(xiàn)場壓水試驗計算滲透系數(shù)的公式較多，為比較公式之間的差異，通過采用文獻(xiàn)[28]中壩頂段的6個鉆孔壓水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到表10。從表10可以看出：式(8)計算結(jié)果較另外3個公式結(jié)果大，總體看差別不是太明顯，但筆者還是建議采用理論較為清楚的式(3)或(9)進(jìn)行計算。

5 結(jié)語

本文對堆石混凝土滲透系數(shù)的計算及試驗方法進(jìn)行了分析，提出了通過鉆孔壓水換算得到堆石混凝土的滲透系數(shù)，為堆石混凝土壩滲透系數(shù)的確定和滲透性能的評價提供參考價值。本文主要結(jié)論如下：

(1)從實際工程鉆孔壓水?dāng)?shù)據(jù)中得到的RFC重力壩壩體滲透系數(shù)總體平均值為1.968×10-5cm/s，其量級為1×10-5cm/s。對比室內(nèi)滲透系數(shù)結(jié)果，相差4個數(shù)量級，較碾壓混凝土所得的1～2個數(shù)量級高。導(dǎo)致差異較大的主要原因可能是：室內(nèi)試件尺寸較小，塊石粒徑受限，而現(xiàn)場塊石粒徑大，兩者骨料粒徑懸殊差距所導(dǎo)致。對比目前的室內(nèi)試驗所得到的堆石混凝土滲透系數(shù)，筆者認(rèn)為現(xiàn)場壓水試驗換算得到的滲透系數(shù)更具有代表性。

(2)基于現(xiàn)有測定滲透系數(shù)的常規(guī)試驗設(shè)備來說，全集配混凝土滲透試驗較為合適，而現(xiàn)場測定可采用鉆孔壓水試驗。但兩者所得的滲透系數(shù)結(jié)果差異還是較大，需要對全集配混凝土滲透試驗進(jìn)一步探究。

表10 現(xiàn)場公式計算值比較 單位：cm/s

(3)對于RFC滲透系數(shù)的計算，現(xiàn)場計算公式較多，建議采用式(3)或(9)試進(jìn)行計算。