不同容重无砂混凝土板渗流特性的试验研究

2017-12-01张学琴徐海涛张文娟

浙江水利科技 2017年6期

关键词：试验装置流态渗流

张学琴，徐海涛，张文娟

（章丘黄河河务局，山东济南 250200）

不同容重无砂混凝土板渗流特性的试验研究

张学琴，徐海涛，张文娟

（章丘黄河河务局，山东济南 250200）

随着水资源需求量的逐年增加，开发新型取水方式对于水资源的高效利用具有重要的现实意义。根据渗流原理，以不同容重无砂混凝土板作为研究对象，采用模型试验分析无砂混凝土板的渗流特性。结果表明，无砂混凝土板渗流流场呈非达西渗流，垂向渗流取水效能优于水平渗流取水效能。

无砂混凝土板；渗流特性；试验研究；容重

1 问题的提出

渗流取水基于天然滤床[1]，既可以达到取水目的，也可以对河床进行改造。渗流取水具有成本低、水质优、水量大、运行周期长以及不受水体结冰影响等优势[2]。

无砂混凝土板是一种特殊的取水材料，广泛应用于水库和河道取水等工程。无砂混凝土板是由粗颗粒石在水泥的作用下胶结而成，具有颗粒不均匀，粘聚力小及孔隙率大等特点[3]。无砂混凝土板取水过程的渗流现象与岩土空隙中的达西渗流现象具有本质不同，因此，无砂混凝土板渗流取水逐步成为水利工程中重要的研究方向。影响无砂混凝土板渗流特性的因素包括内部因素与外部因素。内部因素涉及颗粒形态、孔隙结构、比表面积、孔隙迂曲率等；外部因素包括外界环境、承压水头、水质以及安放方向等[4]。本文采用水工模型试验对不同容重无砂混凝土板渗流特性进行研究，归纳无砂混凝土板渗流取水效能的经验公式，为无砂混凝土板在取水工程中的应用提供了理论基础。

2 渗透机理

无砂混凝土板是一种典型的多孔介质，包含任意连通与形状各异的孔隙通道。本文引入渗流模型进行大孔隙渗流研究。渗流模型替代真实模型需遵循以下3点：①模型渗流量与实际一致；②模型标准参考面动水压强与实际一致；③模型阻力与实际一致。结合渗流原理，得出无砂混凝土板渗流量计算公式：

式中：Q为渗流量，m3/s；N为孔隙数；α1为颗粒形状修正系数；n为孔隙率；d为均值粒径，m；L´为真实流程长度，m。由公式（1）可知，无砂混凝土板渗流量取决于孔隙率、均值粒径和铺设厚度。

3 试验设计

3.1 试验测试系统

试验中采用4台潜水泵将地下水库的水抽到水箱，再通过离心泵将水箱内的水经钢管输送至Ⅰ试验装置和Ⅱ试验装置顶部的进水口。试验装置安放不同容重无砂混凝土板，水流流经无砂混凝土板，最终将通过退水渠再次回到地下水库。其中三角堰布置在退水渠中部用于测量渗流量，排气阀和压力表安装在试验装置顶部，用以测量顶部压强。试验测试系统见图1。

图1 试验测试系统图

试验装置为0.8m×0.6m×2.5m（长×宽×高）的矩形铁箱。试验装置分为3级承压箱体，底部箱体为出流段，支撑箱内无砂混凝土板；中间水箱为反滤层段，用于填料；顶部水箱为进流段，连接进液管道和排气阀。每段箱体都用螺丝和法兰连接，并在连接处还布置有聚乙烯土工膜防渗材料，以防止试验漏水。无砂混凝土板（水平和竖直安放）布置在铁箱距地面0.50m位置处。

3.2 试验方案

试验选用的无砂混凝土板为0.8m×0.6m×0.2m（长×宽×高）。影响无砂混凝土板渗流特性参数包括容重与承压水头。承压水头包括2.00，4.00，6.00，8.00，10.00，12.00，14.00m等7种不同的承压水头。容重包括r1= 22624.8N/m3，r2= 22024.3N/m3，r3= 21358.2N/m3，r4= 20729.2N/m3，r5= 20130.8N/m3，r6= 19825.5N/m3，r7=19586.6N/m3，r8= 19343.6N/m3等 8种。

3.3 试验步骤

试验步骤包括准备、研究以及结束3个阶段。准备阶段包括对无砂混凝土板冲洗和风干，防止杂质对无砂混凝土板内部孔隙的堵塞，注意检查试验装置是否漏水和漏气。研究阶段对装置内部承压水头进行调节，试验过程中要排尽装置内部空气。结束阶段打开排气阀，并将试验测定的无砂混凝土板进行冲洗、风干和保存。