達西定律與滲流控制

廖原

摘 要：結合達西定律，探討了滲流控制措施。

關鍵詞：達西定律；滲流控制；措施

現在的交通網越來越密集，小車也越來越多，然而超載現象卻也越來越普遍了。我們現在應該清醒地意識到，盡管已經有大量的高等級公路已投入運行，然而在兩三年后，在某些時候，甚至在還不到一年的使用時間壽命里，在松散的瀝青面層就會發生松散，坑洼，調粒等等種種的水損現象。這時，就需要改建瀝青面層，維修或是翻新。這不單單只是增加了對公路的維修以及養護的費用，同時也大大的影響著高等級公路的處事水平以及服務群眾的能力，從而將傳遞給社會種種的負能量。水會通過裂縫、松散等病害處或者面層空隙下滲、側向滲入、地下水位逐漸上升等多種途徑進入面層構造內部，在凍融循環或行車荷載的反復作用下瀝青面層內部的水會產生動水壓力或真空負壓抽吸的作用，使瀝青粘附性消減，喪失了與集料之間的粘結力，導致瀝青膜從集料表面脫落，造成了瀝青面層的水病害[1-2]。

在降雨條件下，面層的運動方向為沿坡面的降雨的綜合積累，然后形成一層水膜。此外，動水壓力迫使更多的水進入面層構造，導致瀝青與集料間是分開的，老齡化趨勢增加，沖擊道路的耐久性，導致過早的損壞之路，特別是在炎熱和潮濕多雨地區的影響。這個時候，研究達西定律與滲流控制就是十分有必要的了。

在1856，一位叫作達西亨利（Henry Darcy）的著名科學家在解決有關于供水方面課題的時候，嘗試著用直立的均質沙柱來實現了滲流的實驗方面的鉆研[3]，他做的測試的裝置構造如下圖所示。

該實驗使用一組通信管實驗室，通信管道在沙子中間放置穿透試樣，分別在水的容器溢出的通信管道的兩端，裝水的容器，一端比另一端高水容器、水容器和兩個高度可以調節，所以當水在裝水的容器，在水容器比另一端高一端，而在水兩水容器溢流口不變。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從終端的低水位高端流。

達西觀察到通過用以上手段進行實驗的時間，水流經砂柱的水量Q，并通過截面發現這一滲透水量不光與過水斷面A成正比，與滲流路徑L成反比，不光量水的滲透是水的比例，還與水流的流徑成反比，除此之外它與差容器之間的水兩頭的變化有關，這就是眾所周知的達西定律。

達西通過上述裝置觀測了單位時間內流過砂柱的，發現，而且隨著兩盛水器之間的水頭差h1-h2而變化，這就是著名的達西定律。即：

iii.達西實驗定律中的對象是驅動的水上運動。是以，達西的實驗規律適應的范圍是受重力驅動作用下的不均勻流體原料下的層流。

瀝青面層滲水性分析：滲透到瀝青面層的水主要為大氣降水。水病害是由于水的原因，進入瀝青面層破壞面層的粘聚性。瀝青面層水病害的水平方向的大小與道路的降水的速度是密切相關的。在寒冷的北方地區，冬季積雪逐漸滲透并保持在面層的內部，在面層的內部構造的雪呈現反復的凍融循環作用，從而削弱了構造的整體性。春季解凍的二年期間，面層構造內的自由水在行車荷載作用下將進一步加快瀝青面層的水損壞。

通過對降雨入滲的物理過程的研究分析，可以很好地了解了雨水的瀝青面層滲透的具體情況。降雨入滲對瀝青面層的面層構造內部的影響過程，按照時間的順序，可以分為以下幾個過程：（1）初步滲入瀝青面層。在這個過程中，經過雨水降落在分子力作用的瀝青面層顆粒吸附面層的表面逐漸形成薄膜水，雨水滲透瀝青面層的表面，干燥時外觀表現為灰色的瀝青漸漸變黑。在這一點上，一些在面層表面的水分，不能及時的滲透運動到一個與瀝青面層形成的構造層的內部。在這種情況下，瀝青面層原料的表層是處在濕潤的狀況下。（2）填充空隙的瀝青面層雨水。孔隙瀝青面層表面只允許雨水滲入構造層，也可以滿足車輛的一些摩擦和抗滑性能的要求，這對于一個下雨天來說是非常重要的。雨淋濕了瀝青面層的表面層后，面層的雨水在毛細力和重力本身的作用下沿面層空隙移動。當面層的水分含量大于面層構造的水分子的最大飽和量，水開始向下滲透到面層構造內，在面層孔隙率的影響下運動，并填充所有瀝青面層表面的空隙，從而到達飽和。正常情況下，當下雨時，總是從路邊的地表徑流滲透到面層內部構造。（3）在瀝青面層的水分滲透過程的積累。當瀝青面層上達到飽和最大水分子，雨將持續在瀝青面層表面擴散，濕面層構造厚度的增加，直到整個面層都是濕的。如果雨繼續下，然后雨水將會流動到整個垂直面。瀝青面層的滲水方式：被雨淋的瀝青面層，在動水壓力下，在瀝青面層空隙連通或不連通的孔隙中的水運動的過程。普通情況下，在瀝青面層滲流，有兩種情況：一是在開級配或半開級配的瀝青面層的表面層構造的孔隙率總是在水的滲流狀況；一是孔隙率較小的密級配瀝青面層，但在這個構造中它是很難被水分入滲，水流量很低。滲流途徑密級配瀝青砼面層，包括兩種類型的水沿著孔隙運動，混合料的空隙相互不連通，所以瀝青面層幾乎不滲水。由此可知，減少瀝青面層滲水危害的防治措施有：盡量避免水分滲入面層構造層；增強瀝青與礦料的粘附性；提高壓實水平，嚴格控制現場空隙率以及面層構造層中設置排水層或防水層。

參考文獻

[1]沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期損壞的技術途徑[J].公路，2000，5：71-76.

[2]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防[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.