無砂混凝土板滲流量影響因素分析

郭俊濤

(撫順縣水務局，遼寧 撫順 113006)

無砂混凝土板滲流取水以地表水為主要補給水源[1]，經人工反濾層的過濾凈化，能夠滿足水量需求，同時對水源起到一定的過濾效果。然而，滲流取水工程的取水量不固定，流量和河道水位不易控制[2]；在多泥沙河流中，能會引入大量的泥沙，導致正常引水困難，嚴重影響混凝土板的耐久性和滲流取水效率[3]。鄭偉[4]等提出了滿足孔隙率的無砂混凝土配合比設計方法；石繼忠[5]等提出無砂混凝土的孔隙率增大，無砂混凝土的透水性會相應的增大。本文以遼寧撫順取水工程為對象，對無砂混凝土板的容重、骨料的粒徑和骨料的鋪設順序等多孔介質的滲流規律進行探究，該研究為骨料和無砂混凝土板組成的滲流系統滲流取水提供一定的指導作用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

由水泥與粗骨料配比為1∶5制成無砂混凝土板；選取2塊無砂混凝土板，尺寸長為0.85m，寬為0.75m，厚為0.25m；容重分別為r1=19864.851N/m3、r2=22240.211N/m3；骨料，分別為粗骨料(D55～D75mm)，中骨料(D25～D55mm)，細骨料(粒徑D5～D25mm)。

1.2 試驗裝置

通過調整內部壓強獲得需要的工作水頭，試驗模型為上頂封閉式。系統裝置包括：集水渠、測試裝置、潛水泵、試驗裝置、供水裝置。離心泵型號為AD- 361- 7- 198型，揚程18m，功率為8.5kW；供水箱上方設置溢流水管，供水箱容積為2.1m×2.1m×2.1m；試驗裝置為長方體鋼板箱體，長1.2m，寬0.8m，高3.2m；測試裝置分為滲流出水流量測試裝置，工作水頭測試裝置；試驗裝置和供水箱、離心泵和供水箱都用鋼管連接；試驗采用無砂混凝土板和電動葫蘆起吊試驗裝置。

1.3 試驗方案

實驗通過供水閥門調節水水量使其充滿試驗箱體，待壓力表讀數及水流穩定時，讀取測針示數，計算滲流出水流量。為了測得骨料的鋪設順序和骨料的粒徑對無砂混凝土板滲流量的影響，將不同容重的無砂混凝土板作為平行對照，以無砂混凝土板的骨料分布和工作水頭為控制條件，確定以下試驗方案。

為揭示骨料的粒徑對無砂混凝土板透水能力的影響，擬定方案1：分別在2種容重的無砂混凝土板上鋪設粗骨料(75cm)、中骨料(75cm)、細骨料(75cm)。

為探究水流在由無砂混凝土板和2種粒徑的骨料組成的多孔介質中的滲流特性，擬定方案2：在容重為r1的無砂混凝土板上分2層鋪設由3種骨料兩兩排列組合而成的透水層。透水層總高度75cm，每層各37.5cm。

為揭示3種骨料的排列方式對無砂混凝土板透水能力的影響，擬定方案3，分別在容重為r1的無砂混凝土板上分3層鋪設由粗骨料、中骨料、細骨料排列組合而成的透水層。透水層總高度75cm，每層各25cm。

2 試驗結果與分析

2.1 無砂混凝土板的容重與滲流量的關系

在2種不同容重的無砂混凝土板，鋪設75cm的粗骨料，不同工作水頭下滲流取水的流量變化情況，如圖1所示。

圖1 不同無砂混凝土板容重與滲流量的關系

由圖1可知，2種容重條件下滲流量Q與工作水頭H的相關系數均大于0.99，表明方程的可靠性較高。對于同一塊無砂混凝土板而言，工作水頭越大，作用在混凝土板上的水力梯度及水壓力增大，導致無砂混凝土板滲流量增大。容重越大即振搗次數越多，工作水頭相同時，隨著無砂混凝土板容重的增大滲流量不斷減小，在振搗過程中，無砂混凝土板的孔隙率就逐漸減小，使得單位面積的滲流量越少。因此相同工作水頭下鋪設相同骨料時，容重越大對無砂混凝土板的透水能力的影響就越大。

2.2 單一骨料對無砂混凝土板的透水能力的影響

根據試驗方案1，在容重為r1、r2的無砂混凝土板上分別鋪設75cm粗骨料、75cm中骨料、75cm細骨料，工作水頭為H=5.12m和H=8.12m，探究滲流集水流量與工作水頭的關系，如圖2所示。

圖2 2種容重無砂混凝土板上鋪設單一骨料的滲流量柱形圖

由圖2可知，無砂混凝土板骨料粒徑對滲流集水流量的影響較為顯著，主要是不同粒徑的骨料組成的多孔隙介質的孔隙大小不同，使得滲流路徑有所區別。在同一工作水頭下，隨著骨料粒徑的增大，同一塊無砂混凝土板的孔隙率越大，克服水流摩擦力就越小；骨料越粗，骨料黏滯阻力就越小，滲流量明顯增大。即骨料的粒徑越大，滲流量就越大，對無砂混凝土板透水能力的影響就越小。

同一工作水頭下，骨料的粒徑越大，對無砂混凝土板透水能力的影響越小。對比不同工作水頭下的滲流量，當工作水頭H=5.12m、H=8.12m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料的滲流量分別為0.005566m3/s和0.007082m3/s；中骨料的滲流量分別為0.001422m3/s和0.001947m3/s；細骨料的滲流量分別為0.000798m3/s和0.001024m3/s；當工作水頭H=5.12m、H=8.12m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料的滲流量分別為0.000695m3/s和0.001140m3/s；中骨料的滲流量分別為0.000388m3/s和0.000604m3/s；細骨料的滲流量分別為0.00008057m3/s和0.00009111m3/s；因此，當工作水頭從H=5.12m增大到H=8.12m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.257倍；中骨料增加的幅度約為1.356倍，細骨料增加的幅度約為1.267倍。當工作水頭從H=5.12m增大到H=8.12m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.623倍，中骨料增加的幅度約為1.544倍，細骨料增加的幅度約為1.119倍。表明工作水頭越大，粒徑對容重大的無砂混凝土板的透水能力的影響程度更大。

2.3 3種骨料兩兩排列組合分布對無砂混凝土板透水能力的影響

根據試驗方案2，在容重為r1的無砂混凝土板上兩兩排列組合鋪設總厚75cm的粗骨料、中骨料、細骨料，工況條件見表1。

表1 3種骨料兩兩組合分布工況條件

在容重為r1無砂混凝土板上鋪設6種工況條件下的滲流集水流量與工作水頭的關系，如圖3所示。

圖3 滲流集水流量與工作水頭的關系曲線圖

由圖3可知，在相同工作水頭下，由于骨料的鋪設順序和粒徑的不同，每個工況下無砂混凝土板的滲流量都不相同。骨料的鋪設順序不同，骨料和無砂混凝土板內部水流路徑有較大區別，水流滲透的難易程度不同。骨料的粒徑越大時，對無砂混凝土板透水能力的影響越小。對比圖3中的6種工況可知，工況1的滲流量最大，而工況3、工況4、工況5、工況6的滲流量相差較小，說明工況1的鋪設順序對無砂混凝土板透水能力的影響較小；分別對比工況1、6和工況2、5，同一工作水頭下滲流量Q1>Q6，Q2>Q5，表明骨料粒徑越大，滲流量越大；對比工況1、2和5、6，同一工作水頭下Q1>Q2，Q5>Q6，表明相同骨料，鋪設順序不同時滲流量有較大區別，即骨料粒徑沿滲流方向越大時，滲流量越大。無砂混凝土板上鋪設中骨料和粗骨料時，滲流量較大。

2.4 3種骨料全排列組合分布對無砂混凝土板的透水能力的影響

根據試驗方案3，在容重為r1的無砂混凝土板上，均勻鋪設總厚度為75cm的由粗骨料、中骨料、細骨料，工況條件見表2。

表2 3種骨料兩兩排列組合分布工況條件

在容重為r1無砂混凝土板上鋪設6種工況條件下的滲流集水流量與工作水頭的關系，如圖4所示。

圖4 在無砂混凝土板上鋪設3種骨料的條件下的關系曲線圖

由圖4可知，在相同工作水頭下，由于骨料的鋪設順序和粒徑的不同，每個工況下無砂混凝土板的滲流量都不相同。骨料的鋪設順序不同，骨料和無砂混凝土板內部水流路徑不同，水流滲透的難易程度也不同，滲流量也有所差別。工況7條件下的滲流量較大，而其他工況下的滲流量相差較小，表明工況7鋪設順序對無砂混凝土板透水能力的影響較小。

3 結語

為研究不同因素對無砂混凝土板滲流量的影響，以遼寧撫順某取水工程為研究對象，通過模型試驗分析無砂混凝土板的容重、骨料的粒徑和骨料的鋪設順序等多孔介質的滲流規律，得出以下結論：

(1)當工作水頭從H=5.12m增大到H=8.01m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.257倍；中骨料增加的幅度約為1.356倍，細骨料增加的幅度約為1.267倍。當工作水頭從H=5.12m增大到H=8.01m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.623倍，中骨料增加的幅度約為1.544倍，細骨料增加的幅度約為1.119倍，表明容重越大，砂混凝土板的滲流量就越小。

(2)骨料的粒徑越大，對無砂混凝土板的透水能力的影響就越小；隨著工作水頭的增大，滲流量增加的幅度越來越大。

[1] 張桂艷. 無砂混凝土板取水工程滲流滲透特性試驗研究[J]. 水利技術監督, 2017, 25(03): 27- 30+57.

[2] 宋憲武, 葉青, 宋振剛. 大河水庫除險加固工程中土壩防滲設計與施工[J]. 水利規劃與設計, 2010(02): 61- 63.

[3] 李鑫, 李永業, 孫西歡. 不同放置方式對無砂混凝土板過水流量的影響[J]. 水電能源科學, 2016, 34(05): 117- 119.

[4] 鄭偉, 郭向紅, 李永業, 等. 無砂混凝土板在泥沙淤塞前后滲水效率試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2015(07): 149- 152.

[5] 石繼忠, 李永業, 孫西歡, 等. 水庫采用無砂混凝土管滲流法取水的試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2014(10): 126- 128.

[6] 朱茂宏. 耽車泵站庫內集滲試驗分析[J]. 水利規劃與設計, 2016(10): 39- 42.

[7] 譚相文. 無砂混凝土板取水工程滲流特性綜合分析[J]. 中國水能及電氣化, 2017(3): 63- 66.