余小龍，李錦濤，常曉巍，李永業(yè)，張雪蘭

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)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(lái)，滲流取水技術(shù)[3,4]開(kāi)始在我國(guó)許多省份投入應(yīng)用，建設(shè)滲濾水廠，采用先進(jìn)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(duì)雨季道路排水以及地下水收集具有重要的意義，實(shí)現(xiàn)下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)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(wèn)題，又有利于防治洪澇災(zāi)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(duì)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(duì)各種滲流取水工程過(guò)程中對(duì)流體流態(tài)的判別及工程實(shí)施過(guò)程中的安全問(wèn)題提供參考依據(jù)。滲流是流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)，研究流體在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱(chēng)為滲流力學(xué)[5,6]。無(wú)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(shí)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(guò)渡流。對(duì)水流滲流形態(tài)進(jìn)行判斷是研究分析與評(píng)價(jià)無(wú)砂混凝土板滲透特性的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。張學(xué)琴等[7]研究了不同容重?zé)o砂混凝土板的滲流特性，李鑫等[8]研究了不同放置方式對(duì)無(wú)砂混凝土板過(guò)水流量的影響。由于試驗(yàn)時(shí)所用到的三種骨料的粒徑不同，因此在無(wú)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(shí)，水流通過(guò)由無(wú)砂混凝土板與骨料組成的滲流系統(tǒng)的孔隙率會(huì)有所變化，滲透系數(shù)和滲流量也會(huì)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(dòng)路徑不同，其滲透的難易程度就不同，滲流量就會(huì)隨之變化，骨料的粒徑在沿水流方向逐漸增大時(shí)，滲流量會(huì)越來(lái)越大，即對(duì)無(wú)砂混凝土板透水能力的影響就越來(lái)越小。除此之外，本次試驗(yàn)采用兩種不同容重的無(wú)砂混凝土板同樣也會(huì)對(duì)滲透水流的流速水頭造成一定的影響。旨在探究在無(wú)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(shí)，通過(guò)研究滲流流速v和水力坡降J的擬合關(guān)系，分析由無(wú)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(duì)今后實(shí)際工程中應(yīng)用無(wú)砂混凝土板進(jìn)行滲流取水提供理論上的依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，利用潛水泵將地下水庫(kù)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(guò)輸水管道從試驗(yàn)裝置上方進(jìn)入試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置中的水依次流經(jīng)骨料和無(wú)砂混凝土板，然后通過(guò)試驗(yàn)裝置底部流入退水渠，最后進(jìn)入地下水庫(kù)形成循環(huán)水路。采用直角三角形堰用來(lái)測(cè)量滲流流量，工作水頭采用精密壓力表測(cè)量。

1-地下水庫(kù)；2-潛水泵；3-輸水管；4-供水箱；5-離心泵；6-試驗(yàn)輸水管；7-試驗(yàn)測(cè)試段；8-測(cè)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(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test test system

圖2 試驗(yàn)裝置立面圖Fig.2 Elevation diagram of test device

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)主要是通過(guò)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(zhǎng)度ΔL的比值。本試驗(yàn)采用兩種容重的無(wú)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(wú)砂混凝土板的結(jié)構(gòu)尺寸為0.6 m×0.5 m×0.2 m。試驗(yàn)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(xì)骨料(D5～D20 mm)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，確定以下3種試驗(yàn)方案：

方案Ⅰ：本組試驗(yàn)分別在容重γ1和容重γ2的無(wú)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?zé)o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(yàn)分別在容重為γ1和容重為γ2的無(wú)砂混凝土板上鋪設(shè)兩層由粗骨料、中骨料、細(xì)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(wú)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(yàn)在容重為γ1和容重為γ2的無(wú)砂混凝土板上鋪設(shè)三層由細(xì)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(wú)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(yàn)結(jié)果與分析

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

(1)鋪設(shè)單一骨料時(shí)：圖3為在不同容重?zé)o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(duì)于同容重的無(wú)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(wú)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(shí)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(wú)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(wú)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(guò)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(shí)：圖4為在不同容重?zé)o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(dòng)，由此可知，本組試驗(yàn)水流的滲流流態(tài)都處于層流向紊流的過(guò)渡區(qū)，且在無(wú)砂混凝土板上鋪設(shè)粗骨料和中骨料時(shí)，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(dāng)在無(wú)砂混凝土板上鋪設(shè)的兩層骨料中不含粗骨料時(shí)，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(méi)有鋪設(shè)粗骨料時(shí)，隨著水力坡降的增大，滲流系統(tǒng)中滲流流速的增長(zhǎng)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(chēng)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(xì)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(xì)骨料J1 板上沿水流方向依次鋪設(shè)30 cm的細(xì)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(xì)骨料

(3)鋪設(shè)三層不同骨料時(shí)：圖5為在不同容重?zé)o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(yàn)組試驗(yàn)裝置中的滲流流速呈增大趨勢(shì)。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(dòng)，根據(jù)水力學(xué)中滲流理論可知，其滲流流態(tài)都處于層流向紊流的過(guò)渡區(qū)。由圖5還可以看出，對(duì)于同種工況下的無(wú)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(dāng)無(wú)砂混凝土板的容重較小時(shí)，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(shuō)明無(wú)砂混凝土板容重較小時(shí)，試驗(yàn)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(chēng)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(xì)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(xì)骨料和粗骨料F2 板上沿水流方向依次均勻鋪設(shè)20 cm細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)骨料

3 結(jié) 論

(1)骨料與無(wú)砂混凝土板組成的滲流系統(tǒng)中的滲流流態(tài)為非達(dá)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?zé)o砂混凝土板中的滲流形態(tài)為過(guò)渡流。

(2)在由不同骨料粒徑排列組合情況下與無(wú)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(shuō)明骨料的粒徑對(duì)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(wú)砂混凝土板的容重以及在其上鋪設(shè)的骨料的粒徑對(duì)滲流取水過(guò)程中滲流流態(tài)的影響至關(guān)重要。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，滲流取水工程中選用合適的高容重?zé)o砂混凝土板并在其上鋪設(shè)中細(xì)骨料時(shí)，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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