不同布設方式無砂混凝土板滲流特性試驗

耿寬 李永業 孫西歡

關鍵詞：無砂混凝土板；布設方式；容重；滲流特性；流態

滲流取水補給水源主要為地表水，地表水經過砂礫石、人工反濾層的過濾凈化［１］，以地下水的形式取用，水質具有地下水的優點。滲流取水以無砂混凝土為主要材質，一些學者已經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，發現透水混凝土的孔隙率和透水系數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成的多孔介質的滲流特性，總結了多孔介質在不同粒徑濾料分布時的滲流規律，并對最優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系，為滿足不同滲流取水量的要求提供了相應的理論參考?；袅恋龋郏担萃ㄟ^試驗研究了無砂混凝土的透水系數，得出無砂混凝土的透水系數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，測量采用變水頭滲透儀微機系統，該系統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。ＷｅｎＦｕｓｈｅｎｇ等［７］通過對抗凍透水混凝土孔隙特性的試驗研究，得出了不同孔隙結構的抗凍透水混凝土（ＡＦＰＣ）的臨界雷諾數并發現孔隙中的壓力與入口壓力正相關。鄧亮等［８］通過對不同粒徑大小和不同鋪設厚度骨料滲流特性的研究，發現鋪設骨料粒徑越小、厚度越厚，骨料的滲流量越小。余小龍等［９］研究了鋪設骨料的類型對無砂混凝土板滲流流態的影響，得出鋪設骨料粒徑越大對滲流流態的影響越顯著。綜上所述，目前針對無砂混凝土板及其構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、孔隙率及鋪設骨料類型方面，而在實際工程應用中需要考慮布設方式對無砂混凝土板滲流量的影響。關于不同布設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合的方法，探究不同布設方式對無砂混凝土板滲流特性的影響，既是對現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用方面提供一定理論依據和指導。

１試驗設計

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滲流試驗，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，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和豎直布設，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和豎直布設，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試驗結果與分析

２．１布設方式對無砂混凝土板過流能力的影響

不同布設方式容重為γ１、γ２的無砂混凝土板滲流量見圖３、圖４。不論是水平布設還是豎直布設，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，所以滲流量相應增大。

無砂混凝土板在豎直布設時為水平滲流，在水平布設時為豎直滲流，豎直布設時無砂混凝土板的滲流量小于水平布設時的。主要原因是在兩種布設方式下，水流流經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時無砂混凝土板的滲流量小于水平布設時的。

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，使系統的孔隙率降低［１２］，因此水流在流經無砂混凝土板時阻力變大，流速減小，滲流量相應減小。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，因此水平布設和豎直布設對應的滲流量越來越接近，布設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時滲流量為Ｑ１、豎直布設時滲流量為Ｑ２，含沙水試驗無砂混凝土板水平布設時滲流量為Ｑ３、豎直布設時滲流量為Ｑ４。清水和含沙水試驗水平、垂直布設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，清水試驗水平布設與豎直布設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與豎直布設的滲流量差隨壓力水頭的增大而減??；容重為γ２的無砂混凝土板，清水試驗水平布設與豎直布設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與豎直布設的滲流量差同樣隨壓力水頭的增大而減??；清水試驗兩種布設方式的滲流量差較大，含沙水試驗兩種布設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方式影響越大，容重越大的無砂混凝土板滲流能力受布設方式影響越小。含沙水試驗無砂混凝土板兩種布設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不同布設方式的滲流流態判別

水流經無砂混凝土板入滲時流態有３種，分別為層流、紊流及層流向紊流過渡。分析水流流經無砂混凝土板的流態［１３－１４］，有利于研究水平、垂直布設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，當參數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、垂直布設的無砂混凝土板滲流量Ｑ與壓力水頭Ｈ的關系進行擬合，結果見表１。清水試驗不同布設方式下流經無砂混凝土板的水流流態均為紊流，含沙水試驗不同布設方式下流經無砂混凝土板的水流流態均為過渡流。

３結論

水平、垂直布設的無砂混凝土板滲流量與壓力水頭正相關；水平布設的無砂混凝土板滲流量比豎直布設的大，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方式的影響越大，含沙水試驗布設方式對無砂混凝土板滲流量影響較??；無砂混凝土板在清水滲流下的流態為紊流，在含沙水滲流下的流態為過渡流。

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