碾压混凝土坝压水试验理论与结果分析方法研究.doc

碾压混凝土坝压水试验理论与结果分析方法研究
　　摘要：据碾压混凝土坝成层施工和构造特点，以及混凝土本体、层面、缝面和坝体的渗流特性，就坝体压水试验中的常规压水试验、三段压水试验和穿插孔压水试验方法，作了较深化全面的理论和应用分析研究，
　　鉴于碾压混凝土坝常为强浸透各向异性体，且本体的浸透系数很小，层面和缝面切向与法向主浸透系数的各向异性比会有多个数量级，坝体浸透水流主要沿混凝土层面和缝面流动，在试验所形成的浸透水流根本上是平行于层面和缝面的向四周作径向辐射流态，因此可将压水试验渗流流态近似地视为平面径向流渗流场问题，从而据上述Hsieh和Neuan的穿插孔压水试验理论和相关热传导理论[6]，设在一个无限大平面域内事先假定各处初始水头h为一个常量，笔者经进一步的理论推导，得到持续点源压水条件下的试验段平面径向流各处水头变化的解析解为[7]：
　　〔3〕
　　式中：－压水流量；k—层面和缝面切向主浸透系数；—观测距压水点源的间隔 ；t—时间。此式是一个关于碾压混凝土层面和缝面切向主浸透系数的关系式，据试验观测资料可以通过试算解得它的值。
　　
　　由于碾压混凝土坝的成层构造和本体的极弱浸透性，压水试验可被看成是在一无限大平面域内的有压点源试验，流态主要呈现为层流。单段压水试验时，假定压水孔周围的流态符合图1〔a〕的径向均匀层流或图1〔b〕中的径向椭圆型流态。
　　据图1〔a〕，对处于饱和区、长度为L、管径为的压水孔段，根据Dary定律和流量平衡条件可得式〔4〕的水量连续方程[7]：
　　(a)径向均匀层流(b)径向椭圆流
　　图1碾压混凝土坝压水试验渗流流态
　　〔4〕
　　式中：Q－试验段压水流量；h－水头；A－压水段渗流面；L－试验段长度。
　　对式〔4〕进展求解，得到式〔5〕或〔6〕的关系：
　　〔5〕
　　〔6〕
　　式中：－碾压混凝土缝面切向饱和主浸透系数；R－压水试验影响半径；－试验增加水头。
　　设单位试验高度内有n条缝面浸透通道，缝面平均水力等效隙宽为e，并忽略混凝土本体的透水性，那么碾压混凝土坝坝体缝面的水力等效隙宽e计算公式为：
　　〔7〕
　　式中：—水的运动粘滞系数；g—重力加速度。
　　假如在压水孔旁边钻一个观测孔并测得间隔 压水孔中心的测点的压力水头为h1，那么有另一个求解ks浸透系数的公式：
　　〔8〕
　　〔9〕
　　式中：h0—压水孔周面r0处的水头。
　　美国学者Hvrslev于1951年曾提出多孔介质压水试验浸透情况的非均匀层流的解[5]，考虑了压水试验浸透水运动的发散性，假定流态符合图1〔b〕所示的椭圆型径向层流流态，给出式〔10〕浸透系数计算的解析式。
　　〔10〕
　　比拟式〔6〕和式〔10〕的两个解，可以发现这两个解在实际工程的应用中是根本一样的。因为一般而言，L远大于r0，当取压水影响半径R等于试验段长度时，两式是完全相等的。这也就是在工程应用中，有人喜欢将式〔6〕中的R简单地取为压水段长度L的原因所在。
　　法国人Luis和美国人aini在上个世纪70年代分别独立地提出了三段压水试验的方法[9,10]，在压水孔中置放3或4个隔水塞，形成三段独立的压水段，而处于中间的那一段才是真正的试验段，其余上下两段是为了给中间段强迫性地提供较理想的渗流边界条件，以进步试验精度。此时，上述理论同样适用。但是在碾压混凝土坝中，因无裂缝的混凝土本体层认为不透水，常规单段压水试验的上述理论已经较符合工程实际情况，而三段压水试验此时在理论上也没有优势。
　　2工程实例分析
　　Neuan提出的穿插孔压水试验方法要求的试验设备和试验工序都较为复杂，且须在压水孔的周围布置水头变化观测孔，不适宜在碾压混凝土坝中应用，但是它有严密的理论根底，值得在裂隙岩体中推广应用。平面渗源法是基于穿插孔压水试验理论开展起来的，理论严密，也需要附加水头观测孔。因此，笔者经上述对压水试验的理论研究后，在此竭力推荐在碾压混凝土坝中就用技术上最为简单得到常规压水试验来现场测定混凝土层面和缝面切向的主浸透系数。
　　常规压水试验的最大优点在于不需要专门附加钻孔来形成水头观测孔，给工程应用带来了极大的方便和经济。但是需要特别注意的是，因施工质量好的碾压混凝土坝的绝对浸透才能是很小的，层面和缝面切向的主浸透系数一般也只有1×10－7/s~1×10－10/s，压水试验的影响半径可能要远小于试验段的长度，渗流量也会很小，对流量的量测精度要求高。
　　另外，图1〔b〕的流态假定可能会比图1〔a〕中的情况更易被人们所承受，但是对于式〔10〕的由来人们一直未能见到Hvrslev详细的理论推导，目前缺乏严格的理论考证，且与式〔6〕结果根本一样，因此，笔