不同布設(shè)方式無砂混凝土板滲流特性試驗

耿寬 李永業(yè) 孫西歡

關(guān)鍵詞：無砂混凝土板；布設(shè)方式；容重；滲流特性；流態(tài)

滲流取水補給水源主要為地表水，地表水經(jīng)過砂礫石、人工反濾層的過濾凈化［１］，以地下水的形式取用，水質(zhì)具有地下水的優(yōu)點。滲流取水以無砂混凝土為主要材質(zhì)，一些學(xué)者已經(jīng)對其材料特性進行了研究。張朝輝等［２］通過對透水混凝土透水性影響因素的研究，發(fā)現(xiàn)透水混凝土的孔隙率和透水系數(shù)隨水泥用量的增多而明顯下降。劉仁興［３］研究了不同粒徑濾料構(gòu)成的多孔介質(zhì)的滲流特性，總結(jié)了多孔介質(zhì)在不同粒徑濾料分布時的滲流規(guī)律，并對最優(yōu)平均粒徑計算公式進行了驗證。石繼忠［４］研究了無砂混凝土板容重與滲流量的關(guān)系，為滿足不同滲流取水量的要求提供了相應(yīng)的理論參考。霍亮等［５］通過試驗研究了無砂混凝土的透水系數(shù)，得出無砂混凝土的透水系數(shù)隨著孔隙率的增大而逐漸增大。Ｍｏｎｔｅｓ等［６］測量了無砂混凝土的滲透系數(shù)，測量采用變水頭滲透儀微機系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過記錄試驗過程中隨時間變化水頭的差值來得出滲透系數(shù)。ＷｅｎＦｕｓｈｅｎｇ等［７］通過對抗凍透水混凝土孔隙特性的試驗研究，得出了不同孔隙結(jié)構(gòu)的抗凍透水混凝土（ＡＦＰＣ）的臨界雷諾數(shù)并發(fā)現(xiàn)孔隙中的壓力與入口壓力正相關(guān)。鄧亮等［８］通過對不同粒徑大小和不同鋪設(shè)厚度骨料滲流特性的研究，發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)骨料粒徑越小、厚度越厚，骨料的滲流量越小。余小龍等［９］研究了鋪設(shè)骨料的類型對無砂混凝土板滲流流態(tài)的影響，得出鋪設(shè)骨料粒徑越大對滲流流態(tài)的影響越顯著。綜上所述，目前針對無砂混凝土板及其構(gòu)件過水性能影響因素的研究大多集中在用料配比、密度、強度、孔隙率及鋪設(shè)骨料類型方面，而在實際工程應(yīng)用中需要考慮布設(shè)方式對無砂混凝土板滲流量的影響。關(guān)于不同布設(shè)方式無砂混凝土板滲流特性的物理試驗研究還很少，因此筆者通過物理模型試驗和理論分析相結(jié)合的方法，探究不同布設(shè)方式對無砂混凝土板滲流特性的影響，既是對現(xiàn)有無砂混凝土板滲流理論的補充與完善，也可對無砂混凝土板在工程應(yīng)用方面提供一定理論依據(jù)和指導(dǎo)。

１試驗設(shè)計

１．１試驗裝置

選用容重γ１＝２０１５０Ｎ／ｍ３和γ２＝２１７００Ｎ／ｍ３的２種無砂混凝土板開展?jié)B流試驗，試件尺寸均為０．６ｍ×０．５ｍ×０．２ｍ（長×寬×厚），均由強度等級為Ｃ３２．５的普通硅酸鹽水泥和粗骨料混合拌制而成［１０］。使用ＨＧＳ－Ｂ６００－６電動葫蘆起吊滲流裝置和無砂混凝土板；潛水泵的單泵流量為４０～５０ｍ３／ｈ，揚程１５ｍ；離心泵型號為ＩＳ－８０－６５－１６０，功率７．５ｋＷ。２個正方體儲水箱均由５ｍｍ厚的鋼板焊接而成，尺寸為１．５ｍ×１．５ｍ×１．５ｍ，其中排水孔設(shè)置于儲水箱下部，溢流水管布置在儲水箱上部。含沙水流的泥沙濃度為７．８ｋｇ／ｍ３，試驗全程采用ＩＨ型光纖濁度儀對其進行檢測。

試驗開始前先將滲流箱打開，然后啟動電動葫蘆將無砂混凝土板平穩(wěn)放于滲流箱中，隨后對滲流箱進行固定密封。用潛水泵從地下水庫抽水使儲水箱呈溢流狀態(tài)，再通過離心泵將水從儲水箱中抽出，水通過輸水管從滲流裝置頂部進入滲流裝置，待完全排出滲流箱中的空氣后及時關(guān)閉排氣閥門。管路中的水不斷通過滲流箱從無砂混凝土板底部滲出，然后底部出流的水流向退水渠，最后進入地下水庫形成循環(huán)水路。采用精密壓力表測量壓力水頭、水位測針測量水深，采用直角三角形薄壁堰流量計算公式得出滲流量。試驗系統(tǒng)流程和試驗裝置分別如圖１、圖２所示。

１．２試驗方案

方案Ⅰ，清水試驗，分別將無砂混凝土板水平布設(shè)和豎直布設(shè)，輸入清水，測量其在不同壓力水頭下的滲流量。

方案Ⅱ，含沙水試驗，分別將無砂混凝土板水平布設(shè)和豎直布設(shè)，輸入含沙水，測量其在不同壓力水頭下的滲流量。

先進行清水試驗，再進行含沙水試驗，每塊無砂混凝土板進行４組試驗，其中清水試驗２組、含沙水試驗２組。壓力水頭范圍為２～１４ｍ。

２試驗結(jié)果與分析

２．１布設(shè)方式對無砂混凝土板過流能力的影響

不同布設(shè)方式容重為γ１、γ２的無砂混凝土板滲流量見圖３、圖４。不論是水平布設(shè)還是豎直布設(shè)，無砂混凝土板的滲流量都隨壓力水頭的增大而增大。其原因主要是滲徑長度Ｌ保持恒定，當壓力水頭Ｈ增大時，水力梯度Ｊ增大；又因為滲流量與水力梯度正相關(guān)，所以滲流量相應(yīng)增大。

無砂混凝土板在豎直布設(shè)時為水平滲流，在水平布設(shè)時為豎直滲流，豎直布設(shè)時無砂混凝土板的滲流量小于水平布設(shè)時的。主要原因是在兩種布設(shè)方式下，水流流經(jīng)無砂混凝土板時所受的滲透力不同［１１］。

滲透力促使水流在無砂混凝土板的孔隙中流動，孔隙中水的流動方向與滲透力方向一致。當水流以水平方向流向無砂混凝凝土板時，孔隙內(nèi)的水受到的滲透力只有動水壓力；當水流以豎直方向流向無砂混凝土板時，孔隙內(nèi)的水受到的滲透力是動水壓力和作用在孔隙水上的水體重力的總和。無砂混凝土板在水平滲流時所受到的滲透力小于豎直滲流時的，由于水流通過無砂混凝土板孔隙中的流速隨著滲透力的減小而減小，依據(jù)Ｑ＝Ａｖ可知，當過水斷面的橫截面積Ａ不變時，滲流量Ｑ隨著流速ｖ的減小而降低，因此在同一壓力水頭下豎直布設(shè)時無砂混凝土板的滲流量小于水平布設(shè)時的。

清水試驗無砂混凝土板的滲流量比含沙水試驗的大，且含沙水試驗兩種布設(shè)方式下無砂混凝土板的滲流量越來越接近。主要原因是含沙水流在流經(jīng)無砂混凝土板時對其孔隙造成一定的淤塞，在排氣過程中和測試階段會使無砂混凝土板形成表面淤塞和內(nèi)部淤塞。由于試驗階段時間較短暫，因此泥沙未在無砂混凝土板上沉積。由于泥沙的淤塞改變了無砂混凝土板滲流的邊界條件，使系統(tǒng)的孔隙率降低［１２］，因此水流在流經(jīng)無砂混凝土板時阻力變大，流速減小，滲流量相應(yīng)減小。在清水下，無砂混凝土板的孔隙率幾乎不受影響，而在含沙水下，無砂混凝土板的孔隙在一定程度上被泥沙淤塞，滲流量減小，此時含沙水對無砂混凝土板滲流量的影響超過了布設(shè)方式對其的影響。由于無砂混凝土板的孔隙率在含沙水下逐漸減小，因此水平布設(shè)和豎直布設(shè)對應(yīng)的滲流量越來越接近，布設(shè)方式的影響變得越來越小。

定義清水試驗無砂混凝土板水平布設(shè)時滲流量為Ｑ１、豎直布設(shè)時滲流量為Ｑ２，含沙水試驗無砂混凝土板水平布設(shè)時滲流量為Ｑ３、豎直布設(shè)時滲流量為Ｑ４。清水和含沙水試驗水平、垂直布設(shè)的無砂混凝土板滲流量差見圖５。由圖５可知：容重為γ１的無砂混凝土板，清水試驗水平布設(shè)與豎直布設(shè)的滲流量差隨壓力水頭的增大而增大，含沙水試驗水平布設(shè)與豎直布設(shè)的滲流量差隨壓力水頭的增大而減小；容重為γ２的無砂混凝土板，清水試驗水平布設(shè)與豎直布設(shè)的滲流量差隨壓力水頭的增大而減小，含沙水試驗水平布設(shè)與豎直布設(shè)的滲流量差同樣隨壓力水頭的增大而減小；清水試驗兩種布設(shè)方式的滲流量差較大，含沙水試驗兩種布設(shè)方式的滲流量差較小。清水試驗容重越小的無砂混凝土板滲流能力受布設(shè)方式影響越大，容重越大的無砂混凝土板滲流能力受布設(shè)方式影響越小。含沙水試驗無砂混凝土板兩種布設(shè)方式的滲流量差均隨壓力水頭的增大而減小，同時無砂混凝土板孔隙率減小，這說明含沙水試驗無砂混凝土板的滲流能力受布設(shè)方式影響在不斷減弱，受孔隙率的影響在逐漸增強。

２．２不同布設(shè)方式的滲流流態(tài)判別

水流經(jīng)無砂混凝土板入滲時流態(tài)有３種，分別為層流、紊流及層流向紊流過渡。分析水流流經(jīng)無砂混凝土板的流態(tài)［１３－１４］，有利于研究水平、垂直布設(shè)方式下無砂混凝土板的滲流特性。流速ｖ的計算公式為

式（４）中ａ０為滲流系數(shù)，當參數(shù)ｂ０＝０．５時滲流為完全紊流，當０．５＜ｂ０＜１時滲流為過渡流，ｂ０＝１時滲流為層流。對清水和含沙水試驗水平、垂直布設(shè)的無砂混凝土板滲流量Ｑ與壓力水頭Ｈ的關(guān)系進行擬合，結(jié)果見表１。清水試驗不同布設(shè)方式下流經(jīng)無砂混凝土板的水流流態(tài)均為紊流，含沙水試驗不同布設(shè)方式下流經(jīng)無砂混凝土板的水流流態(tài)均為過渡流。

３結(jié)論

水平、垂直布設(shè)的無砂混凝土板滲流量與壓力水頭正相關(guān)；水平布設(shè)的無砂混凝土板滲流量比豎直布設(shè)的大，清水試驗無砂混凝土板的滲流量比含沙水試驗的大；清水試驗容重越小的無砂混凝土板滲流量受布設(shè)方式的影響越大，含沙水試驗布設(shè)方式對無砂混凝土板滲流量影響較小；無砂混凝土板在清水滲流下的流態(tài)為紊流，在含沙水滲流下的流態(tài)為過渡流。

該研究成果在辛安泉供水改擴建工程中得到應(yīng)用，為該工程透水材料的布置形式提供了依據(jù)，并為反淤塞工程管理運行方面提供了參考。