摘要：本文对江垭大坝二级配、三级配碾压混凝土的室内试验和压水试验渗透系数值进行了统计分析，并作出了各自的积累概率曲线。根据累积概率曲线得出了6种保证率下二级配、三级配碾压混凝土室内试验和压水试验的渗透系数值，并用最小二乘法拟合得出二级配、三级配碾压混凝土室内试验和压水试验渗透系数间的线性关系式。拟合结果表明室内试验和压水试验渗透系数间存在很好的线性相关关系。根据上述线性关系式，可利用室内试验渗透系数来预测压水试验渗透系数。
关键词：碾压混凝土 室内试验 压水试验 渗透系数 线性相关关系
目前世界上已建和在建的碾压混凝土坝已超过200座。由于碾压混凝土坝存在众多的层(缝)面，其渗透指标是评价其质量的一个重参数，而渗透系数是评定碾压混凝土渗透性的主要渗透指标。目前测定碾压混凝土渗透系数有室内芯样渗透试验和现场压水试验两种。压水试验需在碾压混凝土坝现厨行，存在一定的坝面干扰，试段压力过大还会对坝体产生不良影响。此外，相对室内试验来说，现场压水试验更耗费人力、物力。故若能根据室内试验渗透系数来预测现场压水试验渗透系数，就可为碾压混凝土渗透性指标的获得创造简化的条件。根据国内外一些已建碾压混凝土坝室内试验和压水试验渗透系数的资料来看，压水试验渗透系数一般比室内试验渗透系数大2个数量级左右[１]，但还没有建立起两者之间的相关关系[２]。本文将根据江垭大坝二级配、三级配碾压混凝土室内试验渗透系数和压水试验渗透系数的统计分析结果，来拟合碾压混凝土室内试验和压水试验渗透系数间的相关关系式。
1 工程简介
江垭枢纽位于湖南省张家界市境内澧水支流溇水中游，距长沙322km，总库容17.41×108m3，电站装机3000 MW，工程具有、发电、灌溉、航运以及供水等综合作用。挡水建筑物采用碾压混凝土重力坝，最大坝高为131m.重力坝基础设置2.0m厚的三级配常态混凝土，标号为C15，除预制廊道及坝顶外采用全断面碾压混凝土，以三级配为主。防渗层是二级配碾压混凝土，标号为C20.其上游为变态混凝(在二级配碾压混凝土铺料中另加一定量水泥浆并用插入式振捣器振捣形成厚度为30cm的混凝土称变态混凝土)，在客观上加强了防渗层。防渗层厚度依次为：高程165.0m以下采用8m，高程165.0m～高程215.0m之间采用5m，高程215.0m～高程240.0m之间采用3m.防渗层下游坝体为三级配碾压混凝土，在高程190m以下其标号为C15，在高程190m以上其标号为C10.大坝采用分层填筑碾压法，每30cm为一填筑碾压层，层间结合面称为层面，层面间的间隔时间在初凝时间内，层面不作任何处理，超过初凝时间，又在24h之内，则在摊铺上层混凝土之前，需刮铺2.0cm厚的砂浆；超过24h按常规缝处理。一般最大层间允许间隔时间为6h.每填筑碾压10层为一升程，其厚度为3m，每个升程结合面称为缝面，缝面停歇时间较长，缝面处理按常态混凝土缝处理。江垭大坝混凝土方量为130×104m3，其中碾压混凝土为105×104m3。
2 室内试验和压水试验概况
室内渗透试验在河海大学研制的KS-50B多功能高压渗透仪上进行，试验用碾压混凝土芯样取自已浇好的江垭碾压混凝土大坝。芯样类型有二级配碾压混凝土、三级配碾压混凝土和变态混凝土3种(每种碾压混凝土均包括含层、含缝和本体芯样)，芯样为150mm×150mm的圆柱体，试验步骤和试验成果详见“九·五”攻关子题报告①剔除少数渗透异常的芯样后，共获得107个有效的渗透系数数据，其中二级配碾压混凝土67个，三级配碾压混凝土22个，变态混凝土18个。
为检查碾压混凝土质量，中国水电科学研究院和湖南湘水基础有限公司分别于1997年和1998年对江垭碾压混凝土大坝高程158.0m以下坝体和高程160.0m～高程191.0m坝体碾压混凝土进行了现场压水试验。压水试验钻孔孔径为75mm，压水试段长为1.5m(少数试段长1.0m、2.03m、2.04m、2.4m、3.0m或6.0m)。压水试验钻孔位置和压水试验成果详见各报告②③江垭大坝现场压水试验报告(初稿).中国水电科学研究院材料所。1997年10月。江垭枢纽工程大坝碾压混凝土质量检查钻孔取芯及现场压水试验报告。湖南湘水基础有限公司，1998年5月。。在统计分析之前，对前述压水试验的透水率数据作了取舍，即二级配碾压混凝土中少量透水率大于3.0Lu以及三级配碾压混凝土中少量透水率大于4.0Lu的试段属于特殊非正常渗透，不列入统计中，透水率为0.0Lu的试段也不列入统计中。剔除上述试段后，总共有161段次的有效透水率数据，其中二级配碾压混凝土123段次，三级配碾压混凝土38段次。
3 室内试验渗透系数和压水试验渗透系数间的相关关系
3.1 压水试验透水率与渗透系数间的换算关系 要得出室内试验和压水试验渗透系数间的相关关系式，首先需把压水试验测得的透水率换算为渗透系数值。换算因子计算如下。假设压水稳定后的流型为辐射流型，则其渗透系数的计算公式为[３]
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k＝Q2πLplnR r0 |
(1) |
式中：k 渗透系数，单位：cm/s；Q 渗流量，单位：cm3/s；L 试段长，单位：cm；R 影响半径，单位：cm(对于非饱和带压水，一般取试段长度L[3])；p 试段压力值，单位：cm水头；r0 钻孔半径，单位：cm.
试段透水率计算公式为
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q＝Q/Lp |
(2) |
式中：q 试段透水率，单位：Lu；L 试段长，单位：m；Q 渗流量，单位：L/min；p 试段压力值，单位：MPa.
把压水试验中的钻孔半径r0＝3.75cm和试段长L＝150cm、300cm、240cm、204cm、203cm、100cm、600cm分别代入式(1)和式(2)，然后两式相除，同时统一单位可得透水率(Lu值)和渗透系数(cm/s)的换算因子C，结果见表1.
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表1 透水率(Lu值)与渗透系数(cm/s)的换算因子 | |||||||
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试段长/cm | |||||||
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换算因子 |
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100 |
150 |
203 |
204 |
240 |
300 |
600 | |
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C×106 |
8.71 |
9.79 |
10.6 |
10.6 |
11.0 |
11.6 |
13.4 |
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3.2 室内试验和压水试验渗透系数的统计分析 由于现场压水试验所得的渗透系数是反映层缝面和本体渗透性的综合渗透系数，故为确定它与室内试验所测得的渗透系数间的关系，对应的室内试验渗透系数应是层缝面和本体渗透系数合起来的统计的结果。
根据二级配、三级配碾压混凝土室内试验渗透系数的频率统计结果和频率直方图①，先假设二级配、三级配碾压混凝土室内试验渗透系数均服从对数正态分布，再用柯尔莫哥洛夫检验法对假设的分布函数进行检验，检验结果表明，二级配、三级配碾压混凝土室内试验渗透系数均在显著性水平α=0.05下服从对数正态分布①。根据二级配、三级配碾压混凝土室内试验渗透系数的统计特征值(见表2)作出的对数正态分布的累积概率曲线如图1所示。
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图1 室内试验渗透系数对数正态分布的累积概率曲线 |
图2 压水试验渗透系数对数正态分布的累积概率曲线 |
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表2 二级配、三级配碾压混凝土室内试验和压水试验渗透系数的统计特征值 | ||||||
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混凝土类型 |
容量n |
均 值 |
均方差 |
变异系数 | |
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lgk |
k/(cm／s) | ||||
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室内试验 |
二级配 |
67 |
-8.944 |
1.14×10-9 |
1.553 |
0.17 |
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三级配 |
22 |
-7.873 |
1.34×10-8 |
1.219 |
0.15 | |
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压水试验 |
二级配 |
123 |
-6.959 |
1.10×10-7 |
0.915 |
0.13 |
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三级配 |
38 |
-6.191 |
6.44×10-7 |
1.015 |
0.16 | |
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根据表1的换算因子将现场压水试验各试段的透水率(Lu值)换算为渗透系数值(cm/s)，同上可得出二级配、三级配碾压混凝土现场压水试验渗透系数的统计特征值(见表2)和对数正态分布的累积概率曲线(见图2).
3.3 室内试验渗透系数和压水试验渗透系数间的线性相关关系 由图1和图2所示的累积概率曲线得出的30%、50%、60%、66.7%、80%和90%保证率下室内试验和现场压水试验的透渗系数值见表3.
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表3 室内试验和现场压水试验6种保证率下的渗透系数值 | |||||||
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保证率(%) |
30 |
50 |
60 |
66.7 |
80 |
90 |
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室内试验 |
室内试验（×10-9cm/s) |
0.17 |
1.14 |
2.82 |
3.57 |
23.34 |
112.07 |
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压水试验/(×10-7cm/s) |
0.37 |
1.10 |
1.88 |
2.74 |
6.51 |
16.37 | |
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压水试验 |
室内试验/(×10-8cm/s) |
0.31 |
1.34 |
2.74 |
4.53 |
14.38 |
49.02 |
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压水试验/(×10-6cm/s) |
0.19 |
0.64 |
1.17 |
1.77 |
4.64 |
12.09 | |
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根据上述保证率下的渗透系数值，假设室内试验渗透系数与现场压水试验渗透系数间满足线性关系，用最小二乘法拟合得出的线性相关关系如图3和图4所示。
采用相关系数r检验法，由参考文献
[4]的附表14和相关系数值可知，对二级配和三级配碾压混凝土，室内试验渗透系数和现场压水试验渗透系数间均在显著性水平α=0.05下满足线性相关关系，可见相关关系是很好的。
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图3 二级配碾压混凝土室内 |
图4 三级配碾压混凝土室 |
由表3的数据可看出，现场压水试验的渗透系数比室内试验的渗透系数大1～2个数量级，这与以往的试验成果是一致的[１]。通过对6种保证率下两者渗透系数值的相关关系分析可知，现场压水试验和室内渗透试验的渗透系数间存在很好的线性相关关系，应用最小二乘法拟合的线性关系式如下：对二级配碾压混凝土：y＝13.61x＋1.55×10-7；对三级配碾压混凝土：y＝25.52x＋5.28×10-7。以上二式中，x为室内渗透试验的渗透系数(cm/s)；y为现场压水试验的渗透系数(cm/s)。有了现场压水试验渗透系数和室内试验渗透系数的关系式后，就可以根据室内试验渗透系数来预测现场压水试验的渗透系数。值得指出的是，上述关系式仅仅是根据江垭碾压混凝土坝的资料而得出的，要外延至其他碾压混凝土坝，还有待于收集更多的资料进行整理分析，以修正上述建立的初步关系式。
参 考 文 献：
［1］姜福田。碾压混凝土(第一版)［M］。北京：铁道出版社，1991.196-200.
［2］谭志林，罗熙康，杨康宁。大坝芯样测试与压水试验［J］。人民长江，1999，30(6)：24-26.
［3］毛昶熙。渗流计算分析与控制(第一版)［M］。北京：水利电力出版社，1990.386-389.
［4］吴翊，李永乐，胡庆军。应用数理统计(第一版)［M］。长沙：国防科技大学出版社，1995.154-157.