碾壓混凝土滲透系數(shù)的確定方法
摘要:現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)的碾壓混凝土滲流常處于非恒定狀態(tài),壓水試驗(yàn)規(guī)程中按恒定流確定滲透系數(shù)的方法不再適用.本文仿照混凝土試件快速試驗(yàn)確定滲透系數(shù)的方法,推導(dǎo)出壓水試驗(yàn)過(guò)程中滲流處于非恒定狀態(tài)條件下碾壓混凝土求滲透系數(shù)的方法和公式.該方法曾應(yīng)用于江埡工程現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn),較為真實(shí)的反映了碾壓混凝土的滲透特性.
關(guān)鍵詞:碾壓混凝土;滲透系數(shù);壓水試驗(yàn)
基金項(xiàng)目:“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(96-220-01-02-01(1))
作者簡(jiǎn)介:竇鐵生(1964-),男,河北唐山人,高級(jí)工程師,博士,主要研究方向:水工結(jié)構(gòu).
碾壓混凝土(RCC)壩的施工特點(diǎn)是通倉(cāng)、薄層連續(xù)鋪筑并碾壓.碾壓混凝土壩施工速度快在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可,但對(duì)碾壓混凝土防滲性能又存在疑虛,這種疑慮來(lái)自碾壓混凝土的施工方法及筑壩材料的特殊性.由于分層碾壓施工,層面出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的機(jī)率要比常規(guī)混凝土大,這些薄弱環(huán)節(jié)對(duì)抗剪強(qiáng)度和滲透性影響是相當(dāng)大的.大壩作為擋水建筑物,穩(wěn)定性、滲透性是人們最關(guān)心的問(wèn)題.在碾壓混凝土壩施工技術(shù)日趨成熟,碾壓混凝土壩施工質(zhì)量不斷提高的同時(shí),如何正確測(cè)試碾壓混凝土壩宏觀滲透性,特別是碾壓混凝土滲透性的現(xiàn)場(chǎng)精確測(cè)試,關(guān)系到對(duì)碾壓混凝土壩的安全與耐久性.《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》[1]中把現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)作為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定碾壓混凝土抗?jié)B性的方法[2]。其可靠性、準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的.反映混凝土滲透性指標(biāo)有:透水率、滲透系數(shù)及抗?jié)B標(biāo)號(hào).由于目前尚無(wú)水工碾壓混凝土壓水試驗(yàn)規(guī)程,只能套用《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程SL-25-92》進(jìn)行操作.SL-25-92是針對(duì)裂隙巖體壓水試驗(yàn)而編制的,裂隙巖體壓水試驗(yàn)容易達(dá)到滲流量Q的恒定值,應(yīng)特別提出的是,SL-25-92推薦采用如下公式計(jì)算滲透系數(shù):
K=Q/2πHLlnL/r0 (1)
式中:K—綜合滲透系數(shù),單位:cm/s;Q—試段內(nèi)的壓水恒定流量,單位:cm3/s;H—試驗(yàn)水頭(由試驗(yàn)壓力換算為水頭),單位:cm;L—壓水段長(zhǎng),單位:cm,r0—鉆孔半徑,單位:cm.
式(1)是按照壓水至恒定狀態(tài)(即Q維持一不變的常量)所求得的壓水段巖體平均滲透系數(shù),由于在壓水試驗(yàn)前RCC內(nèi)部存在未被水填滿的孔隙,要達(dá)到恒定不變的壓水流量需要極長(zhǎng)的時(shí)間,這在實(shí)際上辦不到的.因此,不能用式(1)來(lái)確定其滲透系數(shù).
2 混凝土試塊快速滲透試驗(yàn)滲透系數(shù)分析
由于混凝土試件存有孔隙,壓水試驗(yàn)只有試件孔隙全部被水填充后才能達(dá)到恒定滲流狀態(tài),即滲透流量達(dá)到一恒定值.由于混凝土滲透性很微小,混凝土滲透試驗(yàn)達(dá)到恒定流狀態(tài)歷時(shí)非常長(zhǎng),設(shè)備效率極低,且試驗(yàn)歷時(shí)過(guò)長(zhǎng),發(fā)生意外試件的概率就越高.因此,這種正規(guī)試驗(yàn)方法必須有裝備良好的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,且不受時(shí)間的限制時(shí)才能進(jìn)行.快速求得混凝土試件滲透系數(shù),特別是在工地試驗(yàn)室條件下混凝土滲透試驗(yàn)常采用如下簡(jiǎn)易方法:即通過(guò)較短時(shí)間(T)壓水,不等待水將整個(gè)試件完全飽和就將試件劈開(kāi),測(cè)得飽和水上升高度Dm,即可求得滲透系數(shù)K.
混凝土試塊由底面向上壓水,壓水的水頭為 H.設(shè)時(shí)間為t時(shí),飽和水面上升高度為y,該處水力梯度為J=H/y.依達(dá)西定律水面上升速度為:v=KJ=KH/y,設(shè)時(shí)間增量dt,水面升高dy,混凝土孔隙率為m,則水量增量為:dq=mBdy=Bvdt,或mydy=KHdt.壓水時(shí)間T時(shí)水面上升到Dm,通過(guò)積分, ,積分后可求得:
K=mD2m/2TH (2)
混凝土孔隙率應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)求得,或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取m=0.03這就是混凝土快速滲透試驗(yàn)所常用的公式.這種快速試驗(yàn)不如正規(guī)試驗(yàn)精度高,式(2)在理論上也不夠嚴(yán)密,但經(jīng)對(duì)比試驗(yàn),混凝土試件快速試驗(yàn)方法可以滿足工程要求,因而仍被廣泛應(yīng)用.
2 RCC鉆孔壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)分析
實(shí)踐表明,RCC進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)要達(dá)到恒定流量值所需的時(shí)間比混凝土試件室內(nèi)試驗(yàn)達(dá)到怛定流量的時(shí)間要長(zhǎng)得多,在工地現(xiàn)場(chǎng)條件下是不可能的.在流量Q仍在變化時(shí),用恒定流推導(dǎo)的式(1)是不可能的.如果用壓水試驗(yàn)終結(jié)時(shí)的流量或用壓水過(guò)程的平均流量用式(1)求滲透系數(shù),不僅理論上是錯(cuò)誤的,而且得出的結(jié)果誤差大,甚至是錯(cuò)誤的.
RCC壩鉆孔壓水試驗(yàn)非恒定狀態(tài)與混凝土試件快速壓水試驗(yàn)的機(jī)理相同.前者是飽和圈擴(kuò)大的過(guò)程,后者是飽和水面上升的過(guò)程.所不同的是RCC壓水試驗(yàn)不可能測(cè)到T時(shí)間飽和半徑r1,但r1值可以通過(guò)計(jì)算來(lái)求得.
RCC壩鉆孔壓水試驗(yàn)是一近似軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,壓水水頭為h.鉆孔半徑為r0,孔內(nèi)水壓力h=H0;當(dāng)飽和水面半徑為r,h=0,飽和區(qū)內(nèi)水壓力分布為h=H0lnr/r0/lnr1/r0;水力梯度為
J=dh/dr=H0/lnr0/r1/r;飽和水面軸向外擴(kuò)散的速度為Ur=Kdh/dr.
設(shè)壓水試驗(yàn)段長(zhǎng)為L(zhǎng),時(shí)間dt后飽和區(qū)半徑增大dr,則由水量平衡:2πrLurdt=2πrLmdr,兩邊進(jìn)行積分 ,則壓水段綜合滲透系數(shù)為
K=m/H0T[r21/2lnr0/r1+r21-r20/4] (3)
式中:r0—鉆孔半徑;r1—T時(shí) 段后飽和區(qū)半徑.
在壓水過(guò)程中如果沒(méi)有水量損失,那么壓入碾壓混凝土內(nèi)的總水量應(yīng)等于
w=π(r21-r20)m (4)
w可由試驗(yàn)求得,因而r1即可求.知r1后,K由式(3)即可求得.
3 工程應(yīng)用
為了研究碾壓混凝土的滲透性,為高碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)提供依據(jù),在江埡大壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn),依據(jù)本文式(3)及式(4)計(jì)算每一壓水段的綜合滲透系數(shù).
例如某壓水段壓水,總時(shí)間65min,總水量2.6l,由(4)求得r1=10.3cm,再由式(3)解得滲透系數(shù)k=3.9×10-8cm/s.這一滲透系數(shù)是壩體該壓水段的綜合滲透系數(shù),較為真實(shí)的反映了該段碾壓混凝土的滲透特性.
4 結(jié)論
按這一方法求滲透系數(shù)只要知道壓水段壓入總水量,就可以確定該段碾壓混凝土的綜合滲透系數(shù).該方法不但適用于碾壓混凝土鉆孔壓水試驗(yàn)的滲透系數(shù),也適合常態(tài)混凝土鉆孔壓水試驗(yàn).
參 考 文 獻(xiàn):
[1]SL53-94,水工碾壓混凝土施工規(guī)范[S].
[2]SL-25-92,水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程[S].
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