无砂混凝土板渗流量影响因素分析

郭俊涛

(抚顺县水务局，辽宁 抚顺 113006)

无砂混凝土板渗流取水以地表水为主要补给水源[1]，经人工反滤层的过滤净化，能够满足水量需求，同时对水源起到一定的过滤效果。然而，渗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，能会引入大量的泥沙，导致正常引水困难，严重影响混凝土板的耐久性和渗流取水效率[3]。郑伟[4]等提出了满足孔隙率的无砂混凝土配合比设计方法；石继忠[5]等提出无砂混凝土的孔隙率增大，无砂混凝土的透水性会相应的增大。本文以辽宁抚顺取水工程为对象，对无砂混凝土板的容重、骨料的粒径和骨料的铺设顺序等多孔介质的渗流规律进行探究，该研究为骨料和无砂混凝土板组成的渗流系统渗流取水提供一定的指导作用。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

由水泥与粗骨料配比为1∶5制成无砂混凝土板；选取2块无砂混凝土板，尺寸长为0.85m，宽为0.75m，厚为0.25m；容重分别为r1=19864.851N/m3、r2=22240.211N/m3；骨料，分别为粗骨料(D55～D75mm)，中骨料(D25～D55mm)，细骨料(粒径D5～D25mm)。

1.2 试验装置

通过调整内部压强获得需要的工作水头，试验模型为上顶封闭式。系统装置包括：集水渠、测试装置、潜水泵、试验装置、供水装置。离心泵型号为AD- 361- 7- 198型，扬程18m，功率为8.5kW；供水箱上方设置溢流水管，供水箱容积为2.1m×2.1m×2.1m；试验装置为长方体钢板箱体，长1.2m，宽0.8m，高3.2m；测试装置分为渗流出水流量测试装置，工作水头测试装置；试验装置和供水箱、离心泵和供水箱都用钢管连接；试验采用无砂混凝土板和电动葫芦起吊试验装置。

1.3 试验方案

实验通过供水阀门调节水水量使其充满试验箱体，待压力表读数及水流稳定时，读取测针示数，计算渗流出水流量。为了测得骨料的铺设顺序和骨料的粒径对无砂混凝土板渗流量的影响，将不同容重的无砂混凝土板作为平行对照，以无砂混凝土板的骨料分布和工作水头为控制条件，确定以下试验方案。

为揭示骨料的粒径对无砂混凝土板透水能力的影响，拟定方案1：分别在2种容重的无砂混凝土板上铺设粗骨料(75cm)、中骨料(75cm)、细骨料(75cm)。

为探究水流在由无砂混凝土板和2种粒径的骨料组成的多孔介质中的渗流特性，拟定方案2：在容重为r1的无砂混凝土板上分2层铺设由3种骨料两两排列组合而成的透水层。透水层总高度75cm，每层各37.5cm。

为揭示3种骨料的排列方式对无砂混凝土板透水能力的影响，拟定方案3，分别在容重为r1的无砂混凝土板上分3层铺设由粗骨料、中骨料、细骨料排列组合而成的透水层。透水层总高度75cm，每层各25cm。

2 试验结果与分析

2.1 无砂混凝土板的容重与渗流量的关系

在2种不同容重的无砂混凝土板，铺设75cm的粗骨料，不同工作水头下渗流取水的流量变化情况，如图1所示。

图1 不同无砂混凝土板容重与渗流量的关系

由图1可知，2种容重条件下渗流量Q与工作水头H的相关系数均大于0.99，表明方程的可靠性较高。对于同一块无砂混凝土板而言，工作水头越大，作用在混凝土板上的水力梯度及水压力增大，导致无砂混凝土板渗流量增大。容重越大即振捣次数越多，工作水头相同时，随着无砂混凝土板容重的增大渗流量不断减小，在振捣过程中，无砂混凝土板的孔隙率就逐渐减小，使得单位面积的渗流量越少。因此相同工作水头下铺设相同骨料时，容重越大对无砂混凝土板的透水能力的影响就越大。

2.2 单一骨料对无砂混凝土板的透水能力的影响

根据试验方案1，在容重为r1、r2的无砂混凝土板上分别铺设75cm粗骨料、75cm中骨料、75cm细骨料，工作水头为H=5.12m和H=8.12m，探究渗流集水流量与工作水头的关系，如图2所示。

图2 2种容重无砂混凝土板上铺设单一骨料的渗流量柱形图

由图2可知，无砂混凝土板骨料粒径对渗流集水流量的影响较为显著，主要是不同粒径的骨料组成的多孔隙介质的孔隙大小不同，使得渗流路径有所区别。在同一工作水头下，随着骨料粒径的增大，同一块无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，骨料黏滞阻力就越小，渗流量明显增大。即骨料的粒径越大，渗流量就越大，对无砂混凝土板透水能力的影响就越小。

同一工作水头下，骨料的粒径越大，对无砂混凝土板透水能力的影响越小。对比不同工作水头下的渗流量，当工作水头H=5.12m、H=8.12m时，对于容重r1的无砂混凝土板，粗骨料的渗流量分别为0.005566m3/s和0.007082m3/s；中骨料的渗流量分别为0.001422m3/s和0.001947m3/s；细骨料的渗流量分别为0.000798m3/s和0.001024m3/s；当工作水头H=5.12m、H=8.12m时，对于容重r2的无砂混凝土板，粗骨料的渗流量分别为0.000695m3/s和0.001140m3/s；中骨料的渗流量分别为0.000388m3/s和0.000604m3/s；细骨料的渗流量分别为0.00008057m3/s和0.00009111m3/s；因此，当工作水头从H=5.12m增大到H=8.12m时，对于容重r1的无砂混凝土板，粗骨料增加的幅度约为1.257倍；中骨料增加的幅度约为1.356倍，细骨料增加的幅度约为1.267倍。当工作水头从H=5.12m增大到H=8.12m时，对于容重r2的无砂混凝土板，粗骨料增加的幅度约为1.623倍，中骨料增加的幅度约为1.544倍，细骨料增加的幅度约为1.119倍。表明工作水头越大，粒径对容重大的无砂混凝土板的透水能力的影响程度更大。

2.3 3种骨料两两排列组合分布对无砂混凝土板透水能力的影响

根据试验方案2，在容重为r1的无砂混凝土板上两两排列组合铺设总厚75cm的粗骨料、中骨料、细骨料，工况条件见表1。

表1 3种骨料两两组合分布工况条件

在容重为r1无砂混凝土板上铺设6种工况条件下的渗流集水流量与工作水头的关系，如图3所示。

图3 渗流集水流量与工作水头的关系曲线图

由图3可知，在相同工作水头下，由于骨料的铺设顺序和粒径的不同，每个工况下无砂混凝土板的渗流量都不相同。骨料的铺设顺序不同，骨料和无砂混凝土板内部水流路径有较大区别，水流渗透的难易程度不同。骨料的粒径越大时，对无砂混凝土板透水能力的影响越小。对比图3中的6种工况可知，工况1的渗流量最大，而工况3、工况4、工况5、工况6的渗流量相差较小，说明工况1的铺设顺序对无砂混凝土板透水能力的影响较小；分别对比工况1、6和工况2、5，同一工作水头下渗流量Q1>Q6，Q2>Q5，表明骨料粒径越大，渗流量越大；对比工况1、2和5、6，同一工作水头下Q1>Q2，Q5>Q6，表明相同骨料，铺设顺序不同时渗流量有较大区别，即骨料粒径沿渗流方向越大时，渗流量越大。无砂混凝土板上铺设中骨料和粗骨料时，渗流量较大。

2.4 3种骨料全排列组合分布对无砂混凝土板的透水能力的影响

根据试验方案3，在容重为r1的无砂混凝土板上，均匀铺设总厚度为75cm的由粗骨料、中骨料、细骨料，工况条件见表2。

表2 3种骨料两两排列组合分布工况条件

在容重为r1无砂混凝土板上铺设6种工况条件下的渗流集水流量与工作水头的关系，如图4所示。

图4 在无砂混凝土板上铺设3种骨料的条件下的关系曲线图

由图4可知，在相同工作水头下，由于骨料的铺设顺序和粒径的不同，每个工况下无砂混凝土板的渗流量都不相同。骨料的铺设顺序不同，骨料和无砂混凝土板内部水流路径不同，水流渗透的难易程度也不同，渗流量也有所差别。工况7条件下的渗流量较大，而其他工况下的渗流量相差较小，表明工况7铺设顺序对无砂混凝土板透水能力的影响较小。

3 结语

为研究不同因素对无砂混凝土板渗流量的影响，以辽宁抚顺某取水工程为研究对象，通过模型试验分析无砂混凝土板的容重、骨料的粒径和骨料的铺设顺序等多孔介质的渗流规律，得出以下结论：

(1)当工作水头从H=5.12m增大到H=8.01m时，对于容重r1的无砂混凝土板，粗骨料增加的幅度约为1.257倍；中骨料增加的幅度约为1.356倍，细骨料增加的幅度约为1.267倍。当工作水头从H=5.12m增大到H=8.01m时，对于容重r2的无砂混凝土板，粗骨料增加的幅度约为1.623倍，中骨料增加的幅度约为1.544倍，细骨料增加的幅度约为1.119倍，表明容重越大，砂混凝土板的渗流量就越小。

(2)骨料的粒径越大，对无砂混凝土板的透水能力的影响就越小；随着工作水头的增大，渗流量增加的幅度越来越大。

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