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(xué)院荷載作用下的碾壓混凝土滲流試驗(yàn)資料，研究了碾壓混凝土層間滲流的流態(tài)，并論證了達(dá)西定律對(duì)于層面滲流的適用性；同時(shí)，考慮到實(shí)際碾壓混凝土壩承受水壓力和層面法向荷載的特點(diǎn)，分析了水頭及法向荷載對(duì)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(dá)西定律；滲透系數(shù)會(huì)隨水頭的增大而增大，而壓荷載對(duì)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(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但在施工過程中，由于層面碾壓存在時(shí)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(dāng)，屬于低滲透介質(zhì)[2-3]。低滲透介質(zhì)中，滲流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可能偏離達(dá)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(guān)系；②滲流特征曲線不經(jīng)過原點(diǎn)，存在不為零啟動(dòng)的壓力梯度[4]。錢春香[5]研究了開裂對(duì)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(dòng)壓力梯度，而開裂混凝土滲流符合達(dá)西滲透定律。

在以往研究中，一般假設(shè)碾壓混凝土層面當(dāng)作等效的裂隙面，利用達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù)，而假設(shè)并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)，那么達(dá)西定律可能不成立，因此需要對(duì)碾壓混凝土滲流流態(tài)進(jìn)行判別。

同時(shí)，實(shí)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(huì)引起碾壓混凝土層面中微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)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(gè)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(diǎn)之前，普通混凝土滲透系數(shù)會(huì)隨著荷載的增大而減小，在臨界點(diǎn)之后，滲透系數(shù)會(huì)隨荷載的增加而急劇增大。而對(duì)于荷載作用下的碾壓混凝土滲透性卻少有研究。

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用自長江科學(xué)院的楊華全[2]，選擇試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的Ⅰ2、Ⅱ2和Ⅲ2組（按順序定義為A、B和C組），對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)滲流系數(shù)與水頭、荷載的關(guān)系進(jìn)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(yàn)的試件采樣于某工程施工現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間是指下層攤鋪后至上層覆蓋的時(shí)間，間隔時(shí)間指下層出倉后至上層覆蓋的時(shí)間。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)雺夯炷僚浜媳燃捌湫阅鼙?/p>

2.2 滲透試件的形狀及尺寸

現(xiàn)場(chǎng)取樣的試塊為Ф500 mm的圓柱體，使用特制的設(shè)備對(duì)試件進(jìn)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(jī)將試件切割成高度為470 mm的試件，最后對(duì)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(dòng)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(yàn)條件表

圖1 碾壓混凝土滲流試驗(yàn)示意圖

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 試驗(yàn)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(gè)圓周往外滲水；C組試件層面周邊有5處極細(xì)滲水孔眼。

（2）每組試件在結(jié)束一級(jí)荷載及作用水頭試驗(yàn)，第2天進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)界定因工程要求的不同而異，比如地下水領(lǐng)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(rèn)為低滲透率上界限為1.00×10-10cm/s，核廢料處理工程中認(rèn)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(lǐng)域的上限，屬于低滲透介質(zhì)。

馮光遠(yuǎn)[7]對(duì)多位學(xué)者的研究成果進(jìn)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(gè)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?yàn)閷恿鲄^(qū)（適用達(dá)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(duì)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(diǎn)。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(duì)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(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)（Pa · s）；ν為動(dòng)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(yàn)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(xué)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(shí)際工程的滲流分析中，越來越多的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)資料證實(shí)很多偏離達(dá)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(guān)系[9]。為了進(jìn)一步研究低滲流介質(zhì)中真正的滲流情況及機(jī)理，不少學(xué)者借助微尺度流動(dòng)研究方法，對(duì)微觀滲流進(jìn)行研究。其中李洋[10]對(duì)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(dòng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)雷諾數(shù)小于1.0×10-3時(shí)，低速滲流具有非線性特征。

將試驗(yàn)測(cè)得流量帶入公式(3)中，可得在B組試件試驗(yàn)中，最大流量Q = 100.1 cm3/s時(shí)，內(nèi)孔徑處，Ref(max)= 1 243；同時(shí)，也注意到在A組試件試驗(yàn)中，最小流量為Q = 0.001 8 cm3/s時(shí)，外孔徑處，Ref(min)= 0.002 4＞0.001 0。因此，可以判斷此次滲流試驗(yàn)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(dá)西定律適用。

3.3 立方定律的適用性

俄國著名水力學(xué)家Boussinesq（1868年）在粘性（牛頓流體）運(yùn)動(dòng)一般微分方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出流體在光滑平行板裂隙中運(yùn)動(dòng)的理論公式，即立方定律：并對(duì)此進(jìn)行細(xì)致的滲流試驗(yàn)，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(duì)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(yīng)力加載路徑、加載頻率無關(guān)，公式如下：

式中：q為單位流量（m2/s）；ν為流體運(yùn)動(dòng)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(duì)于單個(gè)裂隙的水流運(yùn)動(dòng)，Lomiz（1951年）和Romm（1966年）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出當(dāng)水流處于層流時(shí)，立方定律是適用的。Louis（1966年）將試驗(yàn)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(dāng)滲流為輻向流時(shí)，常數(shù)C的計(jì)算公式如下：

將不同水頭Δh測(cè)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(jí)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(shí)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(jì)算出外徑R處的滲流流速v，由公式（8）計(jì)算出外徑R處的水力梯度J，根據(jù)達(dá)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(shí)間的長短及層面處理對(duì)層面滲流特性的影響十分顯著。A組間隔時(shí)間為7.0 h左右，層面不處理；B組層面間隔時(shí)間13.5 h左右，層面不處理，C組層面間隔時(shí)間70.0 h左右，層面刷毛鋪水泥漿。

在輻向流中，當(dāng)外邊界水頭為0時(shí)，試件內(nèi)部不同半徑r處的水頭與半徑的關(guān)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(guān)系見圖3 ～ 5。從圖3 ～ 5中可以看出，將A、B組進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)A組的滲透系數(shù)比B組低2個(gè)數(shù)量級(jí)。C組雖然間隔時(shí)間很長，但在刷毛鋪水泥漿后，滲透系數(shù)比B組小1個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍然比A組大。這是因?yàn)锳組層面間隔在碾壓混凝土初凝時(shí)間（8.0 h）之內(nèi)，所以再次被碾壓時(shí)，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(shí)間在終凝時(shí)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(guān)系圖

圖4 B組試件平均滲流速度與水力梯度關(guān)系圖

圖5 C組試件平均滲流速度與水力梯度關(guān)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(dāng)滲流水頭增大到一定程度時(shí)，滲水的壓力會(huì)剪壞上下層面之間的連接，形成新的滲流通道[12]。

3.6 應(yīng)力的影響

方永浩[13]用壓力—滲流實(shí)驗(yàn)裝置研究了持續(xù)單向壓荷載作用對(duì)混凝土的水滲透性的影響，結(jié)果表明：壓荷載的存在會(huì)影響混凝土的滲透性。當(dāng)應(yīng)力比（實(shí)際壓荷載與極限荷載的比值）低于60%時(shí)，混凝土的滲透性隨應(yīng)力比的增大而減??；當(dāng)應(yīng)力比高于70%時(shí)，混凝土的滲透性隨應(yīng)力比的增大而急劇增大。但是不同的學(xué)者對(duì)于臨界應(yīng)力比的判斷不同，Kermani[14]認(rèn)為拐點(diǎn)應(yīng)力比是30%，Banthia[15]認(rèn)為42%，Hearn[16]則認(rèn)為拐點(diǎn)在80%左右。

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

圖6 滲透系數(shù)比(k / k3.0)與應(yīng)力比f的關(guān)系圖

本次試驗(yàn)最大的壓荷載為8.0 MPa，應(yīng)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(yīng)力比的增長而降低，而是在某一常數(shù)（k / k0= 1.1）上下波動(dòng)。

由試驗(yàn)可以看出，法向應(yīng)力對(duì)碾壓混凝土的影響與普通混凝土不同。對(duì)于碾壓混凝土而言，由于上下層面的嚙合、嵌固，當(dāng)層面承受法向壓力荷載時(shí)，不止受到法向壓應(yīng)力，而且還受到剪應(yīng)力的作用。法向壓應(yīng)力會(huì)減小層面附近的孔隙，降低孔隙滲透性；剪應(yīng)力可能導(dǎo)致嚙合面錯(cuò)動(dòng)，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(yàn)結(jié)果看來，當(dāng)混凝土受到壓荷載作用時(shí)，由此產(chǎn)生的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力同時(shí)存在，而其對(duì)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(yīng)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(xué)院的滲流試驗(yàn)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(duì)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(yàn)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(gè)主要通道，這是由于拌合料的隨機(jī)性及碾壓振動(dòng)的不均勻性造成的。

（2）層面的滲流屬于層流，適用達(dá)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(dá)西流的流態(tài)。

（3）水頭對(duì)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(qiáng)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(huì)提高。

（4）法向壓力荷載對(duì)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(yīng)力比的增長而降低，而是在某一常數(shù)（k / k0= 1.1）上下波動(dòng)。

上述結(jié)論都是基于宏觀滲透試驗(yàn)得到的，對(duì)于層間的微觀結(jié)構(gòu)和滲流機(jī)理并不太了解，還需要進(jìn)行新的研究。而且在實(shí)驗(yàn)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(yàn)中加以考慮。

[1] 田育功.碾壓混凝土壩快速筑壩技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2] 楊華全，任旭華.碾壓混凝土的層間結(jié)合與滲流[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[3] 黃遠(yuǎn)智.低滲透巖石非線性滲流機(jī)理與變滲透率數(shù)值方法研究[D].北京：清華大學(xué)，2006. [4] 韓小妹，王恩志，劉慶杰.低滲透巖石的單相水非Dracy滲流試

驗(yàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，44(6)：804 - 807. [5] Qian C，Huang B，Wang Y.Water seepage fl ow in concrete[J].

Construction and Building Materials，2012，35: 491-496..

[6] Hoseini M，Bindiganavile V，Banthia N.The effect of mechanical stress on permeability of concrete：a review[J]. Cement and Concrete Composites，2009，31(4): 213 - 220.

[7]馮文光.非達(dá)西低速滲流的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].石油勘探與開發(fā)，1986，13(4)：76 - 80.

[8] 趙昕，張曉元，趙明登.水力學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[9] 劉文超，姚軍，孫致學(xué)，等.基于滲透率連續(xù)變化的低滲透多孔

介質(zhì)非線性滲流模型[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29(6): 885 - 892. [10] 李洋，雷群，劉先貴，等.微尺度下的非線性滲流特征[J].

石油勘探與開發(fā)，2011，38(3): 336 - 340.

[11] Witherspoon P A, Wang J S Y, Iwai K, et al. Validity of cubic law for fl uid fl ow in a deformable rock fracture[J].Water resources research, 1980，16(6): 1016 - 1024.

[12] 沈洪俊.碾壓混凝土層在流特性的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，24(5): 53 - 59.

[13] 方永浩，李志清，張亦濤.持續(xù)壓荷載作用下混凝土的滲透性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，33(10)：1281 - 1286.

[14] Kermani A.Permeability of stressed concrete：Steady - state method of measuring permeability of hardened concrete studies in relation to the change in structure of concrete under various short - term stress levels[J].Building research and information，1991，19(6)：360 - 366.

[15] Banthia N，Bhargava A.Permeability of stressed concrete and role of fi ber reinforcement[J].ACI materials journal，2007，104(1)：70 - 76.

[16] Hearn N, Lok G.Measurement of permeability under uniaxial compression：a test method[J].ACI Materials Journal，1998，95(6)：691 - 694.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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