达西定律与渗流控制

廖原

摘 要：结合达西定律，探讨了渗流控制措施。

关键词：达西定律；渗流控制；措施

现在的交通网越来越密集，小车也越来越多，然而超载现象却也越来越普遍了。我们现在应该清醒地意识到，尽管已经有大量的高等级公路已投入运行，然而在两三年后，在某些时候，甚至在还不到一年的使用时间寿命里，在松散的沥青面层就会发生松散，坑洼，调粒等等种种的水损现象。这时，就需要改建沥青面层，维修或是翻新。这不单单只是增加了对公路的维修以及养护的费用，同时也大大的影响着高等级公路的处事水平以及服务群众的能力，从而将传递给社会种种的负能量。水会通过裂缝、松散等病害处或者面层空隙下渗、侧向渗入、地下水位逐渐上升等多种途径进入面层构造内部，在冻融循环或行车荷载的反复作用下沥青面层内部的水会产生动水压力或真空负压抽吸的作用，使沥青粘附性消减，丧失了与集料之间的粘结力，导致沥青膜从集料表面脱落，造成了沥青面层的水病害[1-2]。

在降雨条件下，面层的运动方向为沿坡面的降雨的综合积累，然后形成一层水膜。此外，动水压力迫使更多的水进入面层构造，导致沥青与集料间是分开的，老龄化趋势增加，冲击道路的耐久性，导致过早的损坏之路，特别是在炎热和潮湿多雨地区的影响。这个时候，研究达西定律与渗流控制就是十分有必要的了。

在1856，一位叫作达西亨利（Henry Darcy）的著名科学家在解决有关于供水方面课题的时候，尝试着用直立的均质沙柱来实现了渗流的实验方面的钻研[3]，他做的测试的装置构造如下图所示。

该实验使用一组通信管实验室，通信管道在沙子中间放置穿透试样，分别在水的容器溢出的通信管道的两端，装水的容器，一端比另一端高水容器、水容器和两个高度可以调节，所以当水在装水的容器，在水容器比另一端高一端，而在水两水容器溢流口不变。由于在水容器水位的一端比另一端，是以，在水容器中的水可以从终端的低水位高端流。

达西观察到通过用以上手段进行实验的时间，水流经砂柱的水量Q，并通过截面发现这一渗透水量不光与过水断面A成正比，与渗流路径L成反比，不光量水的渗透是水的比例，还与水流的流径成反比，除此之外它与差容器之间的水两头的变化有关，这就是众所周知的达西定律。

达西通过上述装置观测了单位时间内流过砂柱的，发现，而且随着两盛水器之间的水头差h1-h2而变化，这就是著名的达西定律。即：

iii.达西实验定律中的对象是驱动的水上运动。是以，达西的实验规律适应的范围是受重力驱动作用下的不均匀流体原料下的层流。

沥青面层渗水性分析：渗透到沥青面层的水主要为大气降水。水病害是由于水的原因，进入沥青面层破坏面层的粘聚性。沥青面层水病害的水平方向的大小与道路的降水的速度是密切相关的。在寒冷的北方地区，冬季积雪逐渐渗透并保持在面层的内部，在面层的内部构造的雪呈现反复的冻融循环作用，从而削弱了构造的整体性。春季解冻的二年期间，面层构造内的自由水在行车荷载作用下将进一步加快沥青面层的水损坏。

通过对降雨入渗的物理过程的研究分析，可以很好地了解了雨水的沥青面层渗透的具体情况。降雨入渗对沥青面层的面层构造内部的影响过程，按照时间的顺序，可以分为以下几个过程：（1）初步渗入沥青面层。在这个过程中，经过雨水降落在分子力作用的沥青面层颗粒吸附面层的表面逐渐形成薄膜水，雨水渗透沥青面层的表面，干燥时外观表现为灰色的沥青渐渐变黑。在这一点上，一些在面层表面的水分，不能及时的渗透运动到一个与沥青面层形成的构造层的内部。在这种情况下，沥青面层原料的表层是处在湿润的状况下。（2）填充空隙的沥青面层雨水。孔隙沥青面层表面只允许雨水渗入构造层，也可以满足车辆的一些摩擦和抗滑性能的要求，这对于一个下雨天来说是非常重要的。雨淋湿了沥青面层的表面层后，面层的雨水在毛细力和重力本身的作用下沿面层空隙移动。当面层的水分含量大于面层构造的水分子的最大饱和量，水开始向下渗透到面层构造内，在面层孔隙率的影响下运动，并填充所有沥青面层表面的空隙，从而到达饱和。正常情况下，当下雨时，总是从路边的地表径流渗透到面层内部构造。（3）在沥青面层的水分渗透过程的积累。当沥青面层上达到饱和最大水分子，雨将持续在沥青面层表面扩散，湿面层构造厚度的增加，直到整个面层都是湿的。如果雨继续下，然后雨水将会流动到整个垂直面。沥青面层的渗水方式：被雨淋的沥青面层，在动水压力下，在沥青面层空隙连通或不连通的孔隙中的水运动的过程。普通情况下，在沥青面层渗流，有两种情况：一是在开级配或半开级配的沥青面层的表面层构造的孔隙率总是在水的渗流状况；一是孔隙率较小的密级配沥青面层，但在这个构造中它是很难被水分入渗，水流量很低。渗流途径密级配沥青砼面层，包括两种类型的水沿着孔隙运动，混合料的空隙相互不连通，所以沥青面层几乎不渗水。由此可知，减少沥青面层渗水危害的防治措施有：尽量避免水分渗入面层构造层；增强沥青与矿料的粘附性；提高压实水平，严格控制现场空隙率以及面层构造层中设置排水层或防水层。

参考文献

[1]沈金安.解决高速公路沥青路面水损害早期损坏的技术途径[J].公路，2000，5：71-76.

[2]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]Ohnish，Y.et al.Finite element analysis of seePage flow in regularly jointed rock mass[J].5th Intern. Conf.on Numerical Methods in Geomechanies，Japan，1985（11）：673.