骨料渗透特性试验研究

邓亮 李永业 孙西欢

摘要：依据渗流理论，通过室内水工模型试验，探讨在渗流过程不符合达西渗流定律的情况下，不同因素对骨料渗流特性的影响，结果表明：工作水头越大、骨料粒径越大，骨料的渗流集水流量越大；骨料铺设厚度越大、容重越大，骨料的渗流集水流量越小。通过R语言回归分析对影响骨料渗流集水流量的工作水头、骨料粒径和铺设厚度进行了敏感性分析，得出粒径对骨料渗流集水流量的影响最大，工作水头的影响次之，骨料铺设厚度的影响最小。

关键词：渗流取水；工作水头；骨料；水工模型试验

中图分类号：TV149.2

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.033

渗流取水通过对主要补给水源地表水人渗进行收集，以地下水的形式取用，保证了地表水和地下水的水量，对工农业生产和城市水源有很大意义。若骨料透水性好，单位产水量大，压实性能好，则沉降变形小，因此研究骨料渗透特性是必要的。笔者依据工程实际，在非达西渗流条件下，采用水工模型对骨料渗流集水流量的影响因素进行了研究，包括不同工作水头、骨料铺设厚度、骨料粒径、骨料容重等，并对工作水头、铺设厚度、粒径的影响程度进行了比较分析。

1 试验方案

试验时，首先将地下水库的水通过潜水泵抽至供水箱，然后通过离心泵将水从试验装置上方注入试验系统，水经骨料渗流后，从试验装置下方流出，并经循环回水管和退水渠流回地下水库。其中，下方出流后在退水渠上设置直角三角形堰测量渗流流量，骨料的进水压力采用精密压力表测量。试验装置见图1，试验测试系统见图2。

影响渗流集水流量的主要因素有工作水头、铺设厚度、骨料粒径、骨料容重，因此试验选定骨料为控制因子，参照工程实际，细骨料粒径d=5～20mm，中骨料粒径d=20～50mm。试验采用控制变量法研究单因素对骨料渗流集水流量的影响，并利用试验数据对工作水头、铺设厚度、粒径这三种影响因素进行敏感性分析。

2 试验结果及分析

2.1 工作水头对集水流量的影响

试验选取8个不同的工作水头，比较细骨料和中骨料在铺设厚度1=50cm和/=70Cm时的集水流量变化。集水流量Q与工作水头H的关系见图3。

从图3可以看出：对同一粒径的骨料而言，在铺设厚度相同的情况下，集水流量随着工作水头的增大而增大。其原因是工作水头越大，水压力越大，渗流集水流量越大。同时，工作水头增大，水力梯度增大，单位面积的出水流量增大，渗流集水流量增大。根据集水流量与工作水头的关系曲线可以看出，集水流量与工作水头呈幂函数关系。由水力学理论可知，对渗流公式可做进一步改进：Q=AV=AKJl/m=AK（H/L）l/m=AK（I/L）l/mHl/m（A为渗流断面面积，L为渗流路径长度，V为渗流流速，K为渗透系数，J为水力坡降，m为渗透指数），当m=l时，渗流特性为层流；当l2.2 骨料厚度对集水流量的影响

试验选取了5种铺设厚度比较细骨料和中骨料在工作水头H=5.28m和H=7.48m下的集水流量变化情况。不同铺设厚度的集水流量见图4。从图4可以看出：对同一粒径的骨料，在工作水头相同的情况下，集水流量随着骨料铺设厚度的增大而减少，并且二者呈明显幂函数关系。原因是，同种骨料，铺设厚度越大，渗流路径越长，沿程水力损失越大，渗流量越小。同时，随着铺设厚度的增加，水力梯度降低，导致单位面积出水流量减小，渗流量减小。由图4可知，对于同种骨料，在工作水头H=5.28m和H=7.48m时，集水流量的差值随着铺设厚度的增加基本保持不变。

2.3 骨料粒径对集水流量的影响

以细骨料和中骨料为例，比较铺设厚度1=30cm和L=70cm、工作水头H=5.28m和H=8.36m时的过水能力。从图5可以看出：集水流量随着骨料粒径的变化而大幅度改变，因此骨料粒径是影响集水流量的一个重要因素。对于同一工作水头，在一定骨料鋪设厚度下，骨料粒径越大，其孔隙率越大，渗流集水流量就越大。同时，随着骨料粒径的增大，骨料铺设的厚径比L/d（L为骨料厚度，d为骨料粒径）减小，导致总表面积减小，水流通过时克服的阻力及摩擦力减小，从而单位时间内的渗流集水流量增大。

2.4 骨料容重对集水流量的影响

对细骨料振捣压实，选取5种容重，分析这5种细骨料容重在工作水头H=5.48m和H=8.48m下的集水流量变化情况。从图6可以看出：在工作水头相同的情况下，集水流量随着骨料容重的增大而减小，并且集水流量与骨料容重呈幂函数关系。原因是容重增大是靠振捣来实现的，在振捣过程中，骨料的孔隙结构发生变化，骨料的密实程度更好，孔隙率降低，从而导致单位面积的出水流量减小。在实际工程中，常采用土石坝振捣、压实提高土石体容重，从而增强坝体汛期防洪能力和枯水期蓄水能力。

2.5 不同因素对集水流量的影响程度分析

随着振捣次数的增加，骨料容重增大，当工作水头变化量相同时，集水流量变化量逐渐减小，当容重增大到一定数值时，骨料的渗流集水流量接近于零，即几乎不渗流。换句话说：当骨料容重达到一定数值时，容重对集水流量的影响将大于工作水头对集水流量的影响，且此影响达到一定程度时，集水流量不再受工作水头的影响，并达到最小值。

在单因素变化条件下，通过R语言回归分析，建立了工作水头、骨料粒径、骨料铺设厚度与渗流集水流量之间的关系，对影响骨料渗流集水流量的这三种因素进行分析，结果见表1。根据统计学可知：用于回归系数检验的t统计量的P值是一个概率，它估计回归系数不显著的可能性。t统计量的P值越小，表明变量的回归系数越显著。由表1中的P值可知，对骨料的渗流集水流量的影响程度，粒径>工作水头>铺设厚度。同时通过R语言分析，得到了工作水头、骨料粒径、骨料铺设厚度与渗流集水流量之间的相关性（cor）：cor（水头，流量）=0.185563；cor（粒径，流量）=0.9580469；cor（厚度，流量）=-0.1234553。相关性越大，对骨料渗流集水流量的影响越大，同样可以得出，粒径对骨料的渗流集水流量的影响最大，工作水头的影响次之，铺设厚度的影响最小

3 结语

本文所述试验工况骨料的渗流特性为层流向紊流过渡，渗流过程不符合达西渗流定律，具有非线性渗流特征。工作水头、骨料铺设厚度、骨料粒径、骨料容重是影响骨料渗流集水流量的主要因素，其中工作水头与集水流量呈正相关的幂函数关系，铺设厚度、容重与集水流量呈负相关的幂函数关系，粒径与集水流量呈正相关关系。粒径对骨料渗流集水流量的影响最大，工作水头的影响次之，铺设厚度的影响最小。当对骨料振捣压实到一定程度时，容重对骨料渗流集水流量的影响大于工作水头对渗流集水流量的影响，且此影响达到一定程度时，渗流集水流量不再受工作水头的影响，并达到最小值。