不同布设方式无砂混凝土板渗流特性试验

耿宽 李永业 孙西欢

关键词：无砂混凝土板；布设方式；容重；渗流特性；流态

渗流取水补给水源主要为地表水，地表水经过砂砾石、人工反滤层的过滤净化［１］，以地下水的形式取用，水质具有地下水的优点。渗流取水以无砂混凝土为主要材质，一些学者已经对其材料特性进行了研究。张朝辉等［２］通过对透水混凝土透水性影响因素的研究，发现透水混凝土的孔隙率和透水系数随水泥用量的增多而明显下降。刘仁兴［３］研究了不同粒径滤料构成的多孔介质的渗流特性，总结了多孔介质在不同粒径滤料分布时的渗流规律，并对最优平均粒径计算公式进行了验证。石继忠［４］研究了无砂混凝土板容重与渗流量的关系，为满足不同渗流取水量的要求提供了相应的理论参考。霍亮等［５］通过试验研究了无砂混凝土的透水系数，得出无砂混凝土的透水系数随着孔隙率的增大而逐渐增大。Ｍｏｎｔｅｓ等［６］测量了无砂混凝土的渗透系数，测量采用变水头渗透仪微机系统，该系统通过记录试验过程中随时间变化水头的差值来得出渗透系数。ＷｅｎＦｕｓｈｅｎｇ等［７］通过对抗冻透水混凝土孔隙特性的试验研究，得出了不同孔隙结构的抗冻透水混凝土（ＡＦＰＣ）的临界雷诺数并发现孔隙中的压力与入口压力正相关。邓亮等［８］通过对不同粒径大小和不同铺设厚度骨料渗流特性的研究，发现铺设骨料粒径越小、厚度越厚，骨料的渗流量越小。余小龙等［９］研究了铺设骨料的类型对无砂混凝土板渗流流态的影响，得出铺设骨料粒径越大对渗流流态的影响越显著。综上所述，目前针对无砂混凝土板及其构件过水性能影响因素的研究大多集中在用料配比、密度、强度、孔隙率及铺设骨料类型方面，而在实际工程应用中需要考虑布设方式对无砂混凝土板渗流量的影响。关于不同布设方式无砂混凝土板渗流特性的物理试验研究还很少，因此笔者通过物理模型试验和理论分析相结合的方法，探究不同布设方式对无砂混凝土板渗流特性的影响，既是对现有无砂混凝土板渗流理论的补充与完善，也可对无砂混凝土板在工程应用方面提供一定理论依据和指导。

１试验设计

１．１试验装置

选用容重γ１＝２０１５０Ｎ／ｍ３和γ２＝２１７００Ｎ／ｍ３的２种无砂混凝土板开展渗流试验，试件尺寸均為０．６ｍ×０．５ｍ×０．２ｍ（长×宽×厚），均由强度等级为Ｃ３２．５的普通硅酸盐水泥和粗骨料混合拌制而成［１０］。使用ＨＧＳ－Ｂ６００－６电动葫芦起吊渗流装置和无砂混凝土板；潜水泵的单泵流量为４０～５０ｍ３／ｈ，扬程１５ｍ；离心泵型号为ＩＳ－８０－６５－１６０，功率７．５ｋＷ。２个正方体储水箱均由５ｍｍ厚的钢板焊接而成，尺寸为１．５ｍ×１．５ｍ×１．５ｍ，其中排水孔设置于储水箱下部，溢流水管布置在储水箱上部。含沙水流的泥沙浓度为７．８ｋｇ／ｍ３，试验全程采用ＩＨ型光纤浊度仪对其进行检测。

试验开始前先将渗流箱打开，然后启动电动葫芦将无砂混凝土板平稳放于渗流箱中，随后对渗流箱进行固定密封。用潜水泵从地下水库抽水使储水箱呈溢流状态，再通过离心泵将水从储水箱中抽出，水通过输水管从渗流装置顶部进入渗流装置，待完全排出渗流箱中的空气后及时关闭排气阀门。管路中的水不断通过渗流箱从无砂混凝土板底部渗出，然后底部出流的水流向退水渠，最后进入地下水库形成循环水路。采用精密压力表测量压力水头、水位测针测量水深，采用直角三角形薄壁堰流量计算公式得出渗流量。试验系统流程和试验装置分别如图１、图２所示。

１．２试验方案

方案Ⅰ，清水试验，分别将无砂混凝土板水平布设和竖直布设，输入清水，测量其在不同压力水头下的渗流量。

方案Ⅱ，含沙水试验，分别将无砂混凝土板水平布设和竖直布设，输入含沙水，测量其在不同压力水头下的渗流量。

先进行清水试验，再进行含沙水试验，每块无砂混凝土板进行４组试验，其中清水试验２组、含沙水试验２组。压力水头范围为２～１４ｍ。

２试验结果与分析

２．１布设方式对无砂混凝土板过流能力的影响

不同布设方式容重为γ１、γ２的无砂混凝土板渗流量见图３、图４。不论是水平布设还是竖直布设，无砂混凝土板的渗流量都随压力水头的增大而增大。其原因主要是渗径长度Ｌ保持恒定，当压力水头Ｈ增大时，水力梯度Ｊ增大；又因为渗流量与水力梯度正相关，所以渗流量相应增大。

无砂混凝土板在竖直布设时为水平渗流，在水平布设时为竖直渗流，竖直布设时无砂混凝土板的渗流量小于水平布设时的。主要原因是在两种布设方式下，水流流经无砂混凝土板时所受的渗透力不同［１１］。

渗透力促使水流在无砂混凝土板的孔隙中流动，孔隙中水的流动方向与渗透力方向一致。当水流以水平方向流向无砂混凝凝土板时，孔隙内的水受到的渗透力只有动水压力；当水流以竖直方向流向无砂混凝土板时，孔隙内的水受到的渗透力是动水压力和作用在孔隙水上的水体重力的总和。无砂混凝土板在水平渗流时所受到的渗透力小于竖直渗流时的，由于水流通过无砂混凝土板孔隙中的流速随着渗透力的减小而减小，依据Ｑ＝Ａｖ可知，当过水断面的横截面积Ａ不变时，渗流量Ｑ随着流速ｖ的减小而降低，因此在同一压力水头下竖直布设时无砂混凝土板的渗流量小于水平布设时的。

清水试验无砂混凝土板的渗流量比含沙水试验的大，且含沙水试验两种布设方式下无砂混凝土板的渗流量越来越接近。主要原因是含沙水流在流经无砂混凝土板时对其孔隙造成一定的淤塞，在排气过程中和测试阶段会使无砂混凝土板形成表面淤塞和内部淤塞。由于试验阶段时间较短暂，因此泥沙未在无砂混凝土板上沉积。由于泥沙的淤塞改变了无砂混凝土板渗流的边界条件，使系统的孔隙率降低［１２］，因此水流在流经无砂混凝土板时阻力变大，流速减小，渗流量相应减小。在清水下，无砂混凝土板的孔隙率几乎不受影响，而在含沙水下，无砂混凝土板的孔隙在一定程度上被泥沙淤塞，渗流量减小，此时含沙水对无砂混凝土板渗流量的影响超过了布设方式对其的影响。由于无砂混凝土板的孔隙率在含沙水下逐渐减小，因此水平布设和竖直布设对应的渗流量越来越接近，布设方式的影响变得越来越小。

定义清水试验无砂混凝土板水平布设时渗流量为Ｑ１、竖直布设时渗流量为Ｑ２，含沙水试验无砂混凝土板水平布设时渗流量为Ｑ３、竖直布设时渗流量为Ｑ４。清水和含沙水试验水平、垂直布设的无砂混凝土板渗流量差见图５。由图５可知：容重为γ１的无砂混凝土板，清水试验水平布设与竖直布设的渗流量差随压力水头的增大而增大，含沙水试验水平布设与竖直布设的渗流量差随压力水头的增大而减小；容重为γ２的无砂混凝土板，清水试验水平布设与竖直布设的渗流量差随压力水头的增大而减小，含沙水试验水平布设与竖直布设的渗流量差同样随压力水头的增大而减小；清水试验两种布设方式的渗流量差较大，含沙水试验两种布设方式的渗流量差较小。清水试验容重越小的无砂混凝土板渗流能力受布设方式影响越大，容重越大的无砂混凝土板渗流能力受布设方式影响越小。含沙水试验无砂混凝土板兩种布设方式的渗流量差均随压力水头的增大而减小，同时无砂混凝土板孔隙率减小，这说明含沙水试验无砂混凝土板的渗流能力受布设方式影响在不断减弱，受孔隙率的影响在逐渐增强。

２．２不同布设方式的渗流流态判别

水流经无砂混凝土板入渗时流态有３种，分别为层流、紊流及层流向紊流过渡。分析水流流经无砂混凝土板的流态［１３－１４］，有利于研究水平、垂直布设方式下无砂混凝土板的渗流特性。流速ｖ的计算公式为

式（４）中ａ０为渗流系数，当参数ｂ０＝０．５时渗流为完全紊流，当０．５＜ｂ０＜１时渗流为过渡流，ｂ０＝１时渗流为层流。对清水和含沙水试验水平、垂直布设的无砂混凝土板渗流量Ｑ与压力水头Ｈ的关系进行拟合，结果见表１。清水试验不同布设方式下流经无砂混凝土板的水流流态均为紊流，含沙水试验不同布设方式下流经无砂混凝土板的水流流态均为过渡流。

３结论

水平、垂直布设的无砂混凝土板渗流量与压力水头正相关；水平布设的无砂混凝土板渗流量比竖直布设的大，清水试验无砂混凝土板的渗流量比含沙水试验的大；清水试验容重越小的无砂混凝土板渗流量受布设方式的影响越大，含沙水试验布设方式对无砂混凝土板渗流量影响较小；无砂混凝土板在清水渗流下的流态为紊流，在含沙水渗流下的流态为过渡流。

该研究成果在辛安泉供水改扩建工程中得到应用，为该工程透水材料的布置形式提供了依据，并为反淤塞工程管理运行方面提供了参考。