無砂混凝土板滲流量影響因素分析

郭俊濤

(撫順縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113006)

無砂混凝土板滲流取水以地表水為主要補(bǔ)給水源[1]，經(jīng)人工反濾層的過濾凈化，能夠滿足水量需求，同時對水源起到一定的過濾效果。然而，滲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，能會引入大量的泥沙，導(dǎo)致正常引水困難，嚴(yán)重影響混凝土板的耐久性和滲流取水效率[3]。鄭偉[4]等提出了滿足孔隙率的無砂混凝土配合比設(shè)計方法；石繼忠[5]等提出無砂混凝土的孔隙率增大，無砂混凝土的透水性會相應(yīng)的增大。本文以遼寧撫順取水工程為對象，對無砂混凝土板的容重、骨料的粒徑和骨料的鋪設(shè)順序等多孔介質(zhì)的滲流規(guī)律進(jìn)行探究，該研究為骨料和無砂混凝土板組成的滲流系統(tǒng)滲流取水提供一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

由水泥與粗骨料配比為1∶5制成無砂混凝土板；選取2塊無砂混凝土板，尺寸長為0.85m，寬為0.75m，厚為0.25m；容重分別為r1=19864.851N/m3、r2=22240.211N/m3；骨料，分別為粗骨料(D55～D75mm)，中骨料(D25～D55mm)，細(xì)骨料(粒徑D5～D25mm)。

1.2 試驗(yàn)裝置

通過調(diào)整內(nèi)部壓強(qiáng)獲得需要的工作水頭，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樯享敺忾]式。系統(tǒng)裝置包括：集水渠、測試裝置、潛水泵、試驗(yàn)裝置、供水裝置。離心泵型號為AD- 361- 7- 198型，揚(yáng)程18m，功率為8.5kW；供水箱上方設(shè)置溢流水管，供水箱容積為2.1m×2.1m×2.1m；試驗(yàn)裝置為長方體鋼板箱體，長1.2m，寬0.8m，高3.2m；測試裝置分為滲流出水流量測試裝置，工作水頭測試裝置；試驗(yàn)裝置和供水箱、離心泵和供水箱都用鋼管連接；試驗(yàn)采用無砂混凝土板和電動葫蘆起吊試驗(yàn)裝置。

1.3 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)通過供水閥門調(diào)節(jié)水水量使其充滿試驗(yàn)箱體，待壓力表讀數(shù)及水流穩(wěn)定時，讀取測針示數(shù)，計算滲流出水流量。為了測得骨料的鋪設(shè)順序和骨料的粒徑對無砂混凝土板滲流量的影響，將不同容重的無砂混凝土板作為平行對照，以無砂混凝土板的骨料分布和工作水頭為控制條件，確定以下試驗(yàn)方案。

為揭示骨料的粒徑對無砂混凝土板透水能力的影響，擬定方案1：分別在2種容重的無砂混凝土板上鋪設(shè)粗骨料(75cm)、中骨料(75cm)、細(xì)骨料(75cm)。

為探究水流在由無砂混凝土板和2種粒徑的骨料組成的多孔介質(zhì)中的滲流特性，擬定方案2：在容重為r1的無砂混凝土板上分2層鋪設(shè)由3種骨料兩兩排列組合而成的透水層。透水層總高度75cm，每層各37.5cm。

為揭示3種骨料的排列方式對無砂混凝土板透水能力的影響，擬定方案3，分別在容重為r1的無砂混凝土板上分3層鋪設(shè)由粗骨料、中骨料、細(xì)骨料排列組合而成的透水層。透水層總高度75cm，每層各25cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無砂混凝土板的容重與滲流量的關(guān)系

在2種不同容重的無砂混凝土板，鋪設(shè)75cm的粗骨料，不同工作水頭下滲流取水的流量變化情況，如圖1所示。

圖1 不同無砂混凝土板容重與滲流量的關(guān)系

由圖1可知，2種容重條件下滲流量Q與工作水頭H的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，表明方程的可靠性較高。對于同一塊無砂混凝土板而言，工作水頭越大，作用在混凝土板上的水力梯度及水壓力增大，導(dǎo)致無砂混凝土板滲流量增大。容重越大即振搗次數(shù)越多，工作水頭相同時，隨著無砂混凝土板容重的增大滲流量不斷減小，在振搗過程中，無砂混凝土板的孔隙率就逐漸減小，使得單位面積的滲流量越少。因此相同工作水頭下鋪設(shè)相同骨料時，容重越大對無砂混凝土板的透水能力的影響就越大。

2.2 單一骨料對無砂混凝土板的透水能力的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案1，在容重為r1、r2的無砂混凝土板上分別鋪設(shè)75cm粗骨料、75cm中骨料、75cm細(xì)骨料，工作水頭為H=5.12m和H=8.12m，探究滲流集水流量與工作水頭的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 2種容重?zé)o砂混凝土板上鋪設(shè)單一骨料的滲流量柱形圖

由圖2可知，無砂混凝土板骨料粒徑對滲流集水流量的影響較為顯著，主要是不同粒徑的骨料組成的多孔隙介質(zhì)的孔隙大小不同，使得滲流路徑有所區(qū)別。在同一工作水頭下，隨著骨料粒徑的增大，同一塊無砂混凝土板的孔隙率越大，克服水流摩擦力就越??；骨料越粗，骨料黏滯阻力就越小，滲流量明顯增大。即骨料的粒徑越大，滲流量就越大，對無砂混凝土板透水能力的影響就越小。

同一工作水頭下，骨料的粒徑越大，對無砂混凝土板透水能力的影響越小。對比不同工作水頭下的滲流量，當(dāng)工作水頭H=5.12m、H=8.12m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料的滲流量分別為0.005566m3/s和0.007082m3/s；中骨料的滲流量分別為0.001422m3/s和0.001947m3/s；細(xì)骨料的滲流量分別為0.000798m3/s和0.001024m3/s；當(dāng)工作水頭H=5.12m、H=8.12m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料的滲流量分別為0.000695m3/s和0.001140m3/s；中骨料的滲流量分別為0.000388m3/s和0.000604m3/s；細(xì)骨料的滲流量分別為0.00008057m3/s和0.00009111m3/s；因此，當(dāng)工作水頭從H=5.12m增大到H=8.12m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.257倍；中骨料增加的幅度約為1.356倍，細(xì)骨料增加的幅度約為1.267倍。當(dāng)工作水頭從H=5.12m增大到H=8.12m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.623倍，中骨料增加的幅度約為1.544倍，細(xì)骨料增加的幅度約為1.119倍。表明工作水頭越大，粒徑對容重大的無砂混凝土板的透水能力的影響程度更大。

2.3 3種骨料兩兩排列組合分布對無砂混凝土板透水能力的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案2，在容重為r1的無砂混凝土板上兩兩排列組合鋪設(shè)總厚75cm的粗骨料、中骨料、細(xì)骨料，工況條件見表1。

表1 3種骨料兩兩組合分布工況條件

在容重為r1無砂混凝土板上鋪設(shè)6種工況條件下的滲流集水流量與工作水頭的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 滲流集水流量與工作水頭的關(guān)系曲線圖

由圖3可知，在相同工作水頭下，由于骨料的鋪設(shè)順序和粒徑的不同，每個工況下無砂混凝土板的滲流量都不相同。骨料的鋪設(shè)順序不同，骨料和無砂混凝土板內(nèi)部水流路徑有較大區(qū)別，水流滲透的難易程度不同。骨料的粒徑越大時，對無砂混凝土板透水能力的影響越小。對比圖3中的6種工況可知，工況1的滲流量最大，而工況3、工況4、工況5、工況6的滲流量相差較小，說明工況1的鋪設(shè)順序?qū)o砂混凝土板透水能力的影響較??；分別對比工況1、6和工況2、5，同一工作水頭下滲流量Q1>Q6，Q2>Q5，表明骨料粒徑越大，滲流量越大；對比工況1、2和5、6，同一工作水頭下Q1>Q2，Q5>Q6，表明相同骨料，鋪設(shè)順序不同時滲流量有較大區(qū)別，即骨料粒徑沿滲流方向越大時，滲流量越大。無砂混凝土板上鋪設(shè)中骨料和粗骨料時，滲流量較大。

2.4 3種骨料全排列組合分布對無砂混凝土板的透水能力的影響

根據(jù)試驗(yàn)方案3，在容重為r1的無砂混凝土板上，均勻鋪設(shè)總厚度為75cm的由粗骨料、中骨料、細(xì)骨料，工況條件見表2。

表2 3種骨料兩兩排列組合分布工況條件

在容重為r1無砂混凝土板上鋪設(shè)6種工況條件下的滲流集水流量與工作水頭的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 在無砂混凝土板上鋪設(shè)3種骨料的條件下的關(guān)系曲線圖

由圖4可知，在相同工作水頭下，由于骨料的鋪設(shè)順序和粒徑的不同，每個工況下無砂混凝土板的滲流量都不相同。骨料的鋪設(shè)順序不同，骨料和無砂混凝土板內(nèi)部水流路徑不同，水流滲透的難易程度也不同，滲流量也有所差別。工況7條件下的滲流量較大，而其他工況下的滲流量相差較小，表明工況7鋪設(shè)順序?qū)o砂混凝土板透水能力的影響較小。

3 結(jié)語

為研究不同因素對無砂混凝土板滲流量的影響，以遼寧撫順某取水工程為研究對象，通過模型試驗(yàn)分析無砂混凝土板的容重、骨料的粒徑和骨料的鋪設(shè)順序等多孔介質(zhì)的滲流規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)工作水頭從H=5.12m增大到H=8.01m時，對于容重r1的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.257倍；中骨料增加的幅度約為1.356倍，細(xì)骨料增加的幅度約為1.267倍。當(dāng)工作水頭從H=5.12m增大到H=8.01m時，對于容重r2的無砂混凝土板，粗骨料增加的幅度約為1.623倍，中骨料增加的幅度約為1.544倍，細(xì)骨料增加的幅度約為1.119倍，表明容重越大，砂混凝土板的滲流量就越小。

(2)骨料的粒徑越大，對無砂混凝土板的透水能力的影響就越??；隨著工作水頭的增大，滲流量增加的幅度越來越大。

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