骨料對無砂混凝土板滲流流態(tài)特性的影響研究

余小龍，李錦濤，常曉巍，李永業(yè)，張雪蘭

(太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024)

0 引 言

地下水水質(zhì)優(yōu)良、取用方便，因此，世界上許多地方都將地下水作為生活供水水源[1,2]。1992年以來，滲流取水技術(shù)[3,4]開始在我國許多省份投入應用，建設(shè)滲濾水廠，采用先進的滲流取水技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地表、地下取水方法，提升了供水水質(zhì)的質(zhì)量。2012年4月，在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中，“海綿城市”的概念首次提出?！昂＞d城市”的建設(shè)對雨季道路排水以及地下水收集具有重要的意義，實現(xiàn)下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用，既能夠有效緩解某些城市水資源短缺的問題，又有利于防治洪澇災害。滲流取水技術(shù)在“海綿城市”的建設(shè)中具有重要的作用，對滲流流態(tài)的研究作為研究滲流的基礎(chǔ)，其意義在于為今后對各種滲流取水工程過程中對流體流態(tài)的判別及工程實施過程中的安全問題提供參考依據(jù)。滲流是流體在孔隙介質(zhì)中的流動，研究流體在多孔介質(zhì)中的運動規(guī)律稱為滲流力學[5,6]。無砂混凝土板是用水泥、粗骨料和水混合制作而成的多孔透水混凝土構(gòu)件。液體在孔隙介質(zhì)中滲流時的流態(tài)主要是流體與孔隙介質(zhì)中的顆粒相互作用的結(jié)果，其形態(tài)可分為層流、紊流和過渡流。對水流滲流形態(tài)進行判斷是研究分析與評價無砂混凝土板滲透特性的一項重要研究內(nèi)容。張學琴等[7]研究了不同容重無砂混凝土板的滲流特性，李鑫等[8]研究了不同放置方式對無砂混凝土板過水流量的影響。由于試驗時所用到的三種骨料的粒徑不同，因此在無砂混凝土板上方鋪設(shè)單一粒徑骨料、兩種不同粒徑骨料、三種不同粒徑骨料時，水流通過由無砂混凝土板與骨料組成的滲流系統(tǒng)的孔隙率會有所變化，滲透系數(shù)和滲流量也會隨之改變。骨料的鋪設(shè)順序不同，水流在滲流系統(tǒng)內(nèi)部的流動路徑不同，其滲透的難易程度就不同，滲流量就會隨之變化，骨料的粒徑在沿水流方向逐漸增大時，滲流量會越來越大，即對無砂混凝土板透水能力的影響就越來越小。除此之外，本次試驗采用兩種不同容重的無砂混凝土板同樣也會對滲透水流的流速水頭造成一定的影響。旨在探究在無砂混凝土板表面鋪設(shè)不同粒徑的骨料以及不同粒徑骨料鋪設(shè)順序變化時，通過研究滲流流速v和水力坡降J的擬合關(guān)系，分析由無砂混凝土板和骨料組成的滲流系統(tǒng)的滲流流態(tài)，從而對今后實際工程中應用無砂混凝土板進行滲流取水提供理論上的依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。試驗開始時，利用潛水泵將地下水庫中的水抽到供水箱，然后再利用離心泵將供水箱中的水抽出，通過輸水管道從試驗裝置上方進入試驗裝置。試驗裝置中的水依次流經(jīng)骨料和無砂混凝土板，然后通過試驗裝置底部流入退水渠，最后進入地下水庫形成循環(huán)水路。采用直角三角形堰用來測量滲流流量，工作水頭采用精密壓力表測量。

1-地下水庫；2-潛水泵；3-輸水管；4-供水箱；5-離心泵；6-試驗輸水管；7-試驗測試段；8-測試、調(diào)節(jié)、記錄；9-循環(huán)回水管；10-退水渠 (箭頭為水流方向)圖1 試驗測試系統(tǒng)Fig.1 Test test system

圖2 試驗裝置立面圖Fig.2 Elevation diagram of test device

1.2 試驗方案

本試驗主要是通過分析滲流流速v和水力坡降J的擬合關(guān)系，從而判斷滲流裝置中滲流水流的流態(tài)。水力坡降J為水頭變化值ΔH與滲流長度ΔL的比值。本試驗采用兩種容重的無砂混凝土板，兩種容重相差較大，分別為γ1=20 065.5 N/m3、γ2=22 464.86 N/m3。無砂混凝土板的結(jié)構(gòu)尺寸為0.6 m×0.5 m×0.2 m。試驗所采用的三種骨料粒徑分別為粗骨料(D50 mm～D70 mm)，中骨料(D20～D50 mm)，細骨料(D5～D20 mm)，根據(jù)實驗內(nèi)容，確定以下3種試驗方案：

方案Ⅰ：本組試驗分別在容重γ1和容重γ2的無砂混凝土板上鋪設(shè)60 cm的粗骨料，研究單一粒徑骨料與不同容重無砂混凝土板組成的多孔介質(zhì)滲流系統(tǒng)的滲流流態(tài)特性。

方案Ⅱ：本組試驗分別在容重為γ1和容重為γ2的無砂混凝土板上鋪設(shè)兩層由粗骨料、中骨料、細骨料兩兩排列組合而成的透水層，每層的鋪設(shè)厚度為30 cm，總高度為60 cm，研究由兩種不同粒徑的骨料與無砂混凝土板組成的多孔介質(zhì)滲流系統(tǒng)的滲流流態(tài)特性。

方案Ⅲ：本組試驗在容重為γ1和容重為γ2的無砂混凝土板上鋪設(shè)三層由細骨料、中骨料、粗骨料全排列組合而成的透水層，每層骨料的厚度是20 cm，總厚度為60 cm，研究滲透水流在由3種不同粒徑骨料與無砂混凝土板組成的多孔介質(zhì)滲流系統(tǒng)的滲流流態(tài)特性。

2 試驗結(jié)果與分析

由水力學[9]中非線性滲流時的滲流公式v=KJ1/m可知，當滲透指數(shù)m=1時，滲流流態(tài)為層流；當m=1～2時，滲流流態(tài)為層流向紊流的過渡區(qū)；當m=2時，滲流流態(tài)為紊流。根據(jù)上述3種試驗方案，判別各組試驗情況下的滲流流態(tài)如下：

(1)鋪設(shè)單一骨料時：圖3為在不同容重無砂混凝土板上鋪設(shè)單一骨料(粗骨料)情況下滲流流速v與水力坡降J的關(guān)系曲線。由圖3可知，對于同容重的無砂混凝土板而言，隨著水力坡降的增大，滲流流速逐漸增大。而且隨著水力坡降的增大，較大容重γ2=22 464.86 N/m3的無砂混凝土板與粗骨料組成的滲流系統(tǒng)中的滲透水流的滲流流速增加幅度較小。同時根據(jù)滲流流速v與水力坡降J的關(guān)系圖可知，容重為γ1和容重為γ2的無砂混凝土板的冪指數(shù)分別為0.584 6和0.750 9。由此可知由粗骨料和無砂混凝土板形成的滲流系統(tǒng)中的水流的滲流特性都為層流到紊流的過渡區(qū)。

圖3 滲流流速與水力坡降的關(guān)系Fig.3 Relationship between seepage flow velocity and hydraulic grade

(2)鋪設(shè)兩層不同骨料時：圖4為在不同容重無砂混凝土板上鋪設(shè)兩層總厚度為60 cm(每種骨料鋪設(shè)厚度為30 cm)的不同骨料情況下滲流流速v與水力坡降J的關(guān)系曲線。由圖4可知，冪指數(shù)都在0.5～1之間波動，由此可知，本組試驗水流的滲流流態(tài)都處于層流向紊流的過渡區(qū)，且在無砂混凝土板上鋪設(shè)粗骨料和中骨料時，滲流流速的大小隨水力坡降的增大而增大，變化比較明顯。當在無砂混凝土板上鋪設(shè)的兩層骨料中不含粗骨料時，此工況下的滲流流速與水力坡降的關(guān)系曲線比較平緩，即沒有鋪設(shè)粗骨料時，隨著水力坡降的增大，滲流系統(tǒng)中滲流流速的增長幅度不大。

圖4 滲流流速與水力坡降的關(guān)系Fig.4 Relationship between seepage flow velocity and hydraulic grade

曲線名稱曲線所代表的工況B1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的中骨料和30 cm的粗骨料D1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的粗骨料和γ30 cm的中骨料F1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的細骨料和30 cm的粗骨料H1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的粗骨料和30 cm的細骨料J1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的細骨料和30 cm的中骨料L1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的中骨料和30 cm的細骨料

(3)鋪設(shè)三層不同骨料時：圖5為在不同容重無砂混凝土板上鋪設(shè)三層總厚度為60 cm(每種骨料鋪設(shè)厚度為20 cm)的不同骨料情況下滲流流速v與水力坡降J的關(guān)系曲線。由圖5可知，隨著水力坡降的增加，本試驗組試驗裝置中的滲流流速呈增大趨勢。而且由圖還可以看出，各工況下滲透指數(shù)都在0.5～1之間波動，根據(jù)水力學中滲流理論可知，其滲流流態(tài)都處于層流向紊流的過渡區(qū)。由圖5還可以看出，對于同種工況下的無砂混凝土板與鋪設(shè)骨料組成的滲流系統(tǒng)，滲流流速與水力坡降呈正相關(guān)關(guān)系，且當無砂混凝土板的容重較小時，滲流流速隨著水力坡降的增加，其增大的幅度更為明顯，其滲透指數(shù)m更接近2，說明無砂混凝土板容重較小時，試驗裝置中滲流系統(tǒng)的滲流流態(tài)更接近于紊流。

圖5 滲流流速與水力坡降的關(guān)系Fig.5 Relationship between seepage flow velocity and hydraulic grade

曲線名稱曲線所代表的工況B2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm細骨料、中骨料和粗骨料D2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm中骨料、細骨料和粗骨料F2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm細骨料、粗骨料和中骨料H2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm粗骨料、細骨料和中骨料J2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm中骨料、粗骨料和細骨料L2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm粗骨料、中骨料和細骨料

3 結(jié) 論

(1)骨料與無砂混凝土板組成的滲流系統(tǒng)中的滲流流態(tài)為非達西滲流，低容重情況下，滲流流態(tài)基本接 近紊流形態(tài)，而在高容重無砂混凝土板中的滲流形態(tài)為過渡流。

(2)在由不同骨料粒徑排列組合情況下與無砂混凝板組成的滲流系統(tǒng)中，在含有粗骨料的情況下，滲流流速隨水力坡降的增加，其變化幅度較大，而且其流態(tài)更接近于紊流。說明骨料的粒徑對滲流流態(tài)的影響很大，并且粒徑越大其影響效果更為顯著。

(3)無砂混凝土板的容重以及在其上鋪設(shè)的骨料的粒徑對滲流取水過程中滲流流態(tài)的影響至關(guān)重要。從試驗結(jié)果來看，滲流取水工程中選用合適的高容重無砂混凝土板并在其上鋪設(shè)中細骨料時，滲流流態(tài)趨近于層流，流速較為穩(wěn)定，更適于工程操作。

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