混凝土渗透系数测试技术研究
刘阳，黄家会，韩旭**
作者简介：刘阳，（1983-），男，硕士生，高性能混凝土耐久性研究。
通信联系人：黄家会，（1965-），男，教授，深部岩土力学与新型井壁结构. E-mail: hanxuligong@126.com
（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：随着我国的地下岩土工程不断向深部发展，深部地下高压水渗流严重影响井壁的耐久
性。从而，混凝土的抗渗等级越来越高，随之带来一系列的技术问题。对高性能混凝土的渗
透系数测试发现，C60 以上的混凝土渗透系数非常小，用常规的稳态渗流仪测试，需要渗流
很长时间才能达到稳态渗流，不利于渗透系数的测定；渗水高度法实验本身比较粗糙，不能
实时了解水力渗透过程。本文从渗水高度法的原理出发，结合电阻测试技术，实时记录渗流
10 路径上水头位置的变化，能准确计算混凝土渗透系数，同时能实现渗流过程动态监测。经过
比较分析，注水电测法测试技术具有计算准确、操作方便、省时、可监控等几大优势，对于
研究高性能混凝土特别有效。
关键词：岩土工程；瞬态渗流；实时监测；电测测试
中图分类号：TV4
 0 引言
关于评价混凝土的渗透性能的指标主要有渗透系数[1]、氯离子扩散系数[2]，而渗透系数
是反应混凝土渗透能力的最直接的表达形式。路新瀛利用临界电压评价了混凝了渗透性，与
40 氯离子扩散的结论基本吻合，氯离子扩散系数与渗透系数大致呈线性关系[3]。氯离子扩散在
一定程度上也能反映混凝土的孔隙度及连通状态，因此具有与渗透系数存在一定的相关性。
但是氯离子扩散过程与水力渗透过程的实质完全不同，因此，不能简单的用氯离子扩散系数
来推导其渗透系数。另外，氯离子扩散研究实验，采用直流电测试也是存在问题的，会因温
度变化影响测试结果。测试混凝土渗透系数的方法包括水力稳态测试法、水力瞬态测试法[4]。
45 稳态法目前应用非常多，但是测试周期长。瞬态法具有代表性的就是渗透高度法。以上测试
 方法对于普通混凝土的测试非常有效，但是随着高性能混凝土的研制应用，高性能混凝土的
渗透系数太小，上述测试方法渗流测试时间太长、测试方法复杂等缺点。针对上述问题，本
文结合电测法与水力瞬态测试法提出了对高性能混凝土渗透系数测试装置的新型研究方案，
以利于后续测试研究。
50 1 渗透系数测试系统
1.1 系统组成
整个测试系统有水压泵、密封储水箱、数据处理系统组成。实验室内的水压泵能提供
30MPa 水压，连接液压传感器，能实时监测水头变化，当水头下降5%时，启动水压泵打压
到设置水头，保证混凝土井壁模型外侧水头基本恒定；密封储水箱内放置混凝土井壁模型，
55 底板与顶部法兰盘上均刻有凹槽，放置密封圈，保证试件两端良好密封；数据处理系统是澳
大利亚生产的DT515 数据采集器，连接计算机终端，实时记录液压传感器变化和混凝土井
壁模型沿径向布置电极的电阻-时间变化。
图1-1 渗透系数测试系统
60 Fig. 1-1 Permeability test system
1.2 测试原理
在混凝土一定位置处沿周向布置4 个电极，监测一个渗流面混凝土的电阻变化。可以布
置多圈电极对同一高度处多个渗流层面进行监测。烘干的混凝土起始电阻为无穷大，随着水
65 力渗透的进行，当有水渗到该层面时，混凝土该处的电阻发生突变（迅速变小）。根据电阻
信息数据的实时采集，能够监测混凝土水力渗透过程，经过一系列的换算，能计算出混凝土
的渗透系数。
1.3 实验步骤
本文结合注水电测法与水压法测试混凝土的渗透系数原理，按如下方法设计测试装置和
70 测试过程。
1）首先按图1-1 所示加工密封装置一套，将试件在密封注水装置里面对中安放好，盖
好密封装置顶盖（开槽加密封圈），用气动扳手拧紧；
2）密封装置下部一定高度处设置注水孔，连接水压泵，上部顶盖处设置出水排气孔，
当密封装置注满水时，里面气体沿排气口全部排出，保证打压水安全，接着关闭排气口；
 75 3）继续注水到设定的水压（5~10MPa），关闭水压泵，通过混凝土试件中预先埋设的
电极，实时监测混凝土径向渗水过程；
4）当水压头随着渗流减小5%时，启动水压泵，直到水头重新回到设定值。循环步骤3）
和布骤4）；
5）当预埋的所有电极的电阻逐次突然变小以后，结束实验。
80 2 渗透理论研究
本次注水电测法测试方法，属于瞬态渗透过程，不能按照稳态流动法的计算式推导混凝
土的渗透系数，另外该渗透过程属于径向从外向内渗透过程，不是轴向一维渗透，也不能按
照渗透高度法计算公式进行计算[5]。本文基于上述水压法测试方法推导了混凝土水力径向渗
透的表达式，下面为具体的推导过程。
85 由达西定律得，混凝土试件半径x 处的流量为
R x
kA d H
R x
Q xL kd H x t x t −
=
−
= 2π ⋅ ⋅
（1）
一定时间T 内深入混凝土内部的水的体积为：
Q TA Vm x x = （2）
水在混凝土内部径向渗流速度为：
x t V = − d d （3）
由上面三式联立得：
R x
kH
d
md
t
x
−
− =
（4）
从开始注水打压到渗流到测试层面处的整个渗流时间T 内，对上式（4）整理积分得到：
∫ − − = ∫T
t
R
R x R x md kHd
0
0 ( ) （5）
90 式中：R 为混凝土试件的外半径；R0 为测试面层处的半径；m 为混凝土的孔隙率。
解得渗透系数为：
2
0 ( )
2
R R
TH
k = m − （6）
3 数值模拟
3.1 混凝土井壁渗流模型
95 图3-1 井壁径向渗流模型
Fig. 3-1 Radial flow model of the shaft
 3.2 渗流参数设置
混凝土渗透100 系数K=1.0E-12m/s ；单位储水量Ss=3.66E-7 1/m 。
3.3 边界条件
1）井壁外表面所在的竖向边界设置为恒压边界1 P =5MPa；
2）井壁内表面所在的竖向边界设置为恒压边界0 2 P = ；
3）井壁段高上下边界设置为不透水边界。
105 3.4 渗流模拟结果
图3-2 渗流1h 水头情况 图3-3 渗流3h 水头情况
Fig. 3-2 Hydraulic head after 1 hour percolation Fig. 3-3 Hydraulic head after 3 hours percolation
0
100
200
300
400
500
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
渗流路径 /m
水头分布 /m
1h 渗流
3h 渗流
5h 渗流
110
图3-4 渗流5h 水头情况 图3-5 沿渗流路径水头-时间变化
Fig. 3-4 Hydraulic head after 5 hours percolation Fig. 3-5 Hydraulic head-Time change along the flow path
4 结论
115 1）该渗透系数测试装置结合了渗透高度法与水压瞬态法测试方法，利用电阻变化监测
混凝土的渗透过程，能迅速、便捷、精确的测出渗流到监测层面的时间，计算混凝土渗透系
数的精度显著提高。
2）数值模拟结果显示，从渗流1h 到渗流5h，水头位置随渗流的进行不断向内部发展，
而渗流路径上各点的水头随时间不断增长，说明低渗透混凝土经历5 个小时的渗流过程，还
120 没有达到稳态渗流。
3）电测法与数据采集系统的配合应用，能准确监测到随着混凝土水力渗透的进行，电
阻值随时间变化的动态过程，从而判断水头位置发展情况。
4）对于数据的处理，没有采用目前国外流行的以交流电阻的大小来评价混凝土的渗透
性，而是根据达西定律、渗透高度法计算原理对混凝土径向水力渗透过程进行了相关理论推
125 导，得出混凝土的渗透系数。