无砂混凝土板过流能力试验研究

无砂混凝土板过流能力试验研究

1多孔混凝土构件无砂混凝土板主要由粗骨、水泥和水按照一定比例混合而成多孔混凝土构件。由于其孔隙率大、透水性好且能起到一定的过滤作用，从而被广泛应用于城市路面集水、大坝坝体排水及生态护坡工程中2试验设备和试验方案2.1水泥与水泥的配比试验所用无砂混凝土板由强度为C32.5的普通硅酸盐水泥和中等粒径的碎石混合拌制而成，碎石和水泥配比为5∶1，重度r=22174.00N/m2.2试验设计及检测试验开始前先将无砂混凝土板、碎石依次注入试验装置中，然后对试验装置进行固定密封，通过潜水泵从地下水库抽水至水箱，待水箱溢流后通过离心泵将水箱中的水由输水管道送入试验装置，形成垂直入渗，通过闸阀来调节入渗水流的大小，通过观测压力表来检测工作水头的大小，待压力表稳定后进行相关试验测量。水流流过碎石和无砂混凝土板后进入退水渠，退水渠上设有直角三角堰，用以记录流量大小，之后水流流入地下水库完成循环，具体试验系统见图1。2.3滤料及滤料粒径对过流能力的影响分析不同滤料铺设厚度（20、40、60cm）、不同粒径（1、3、5cm）的滤料对无砂混凝土板渗透流量的影响，分别以铺设厚度和滤料粒径为控制条件，试验时控制改变单一变量，分九组进行，即当铺设厚度依次为20、40、60cm时，均分别测试铺设粒径为1、3、5cm的碎石对无砂混凝土板的过流能力的影响。3试验结果与分析3.1无砂混凝土板过流能力与滤料粒径的关系当滤料铺设厚度一定时，分别测定铺设不同粒径滤料下无砂混凝土板的过流流量和对应的工作水头，试验结果见图2。由图2可知，当滤料铺设厚度一定时，铺设了不同粒径滤料的无砂混凝土板的过流流量值均随工作水头的不断增大而增大，只是过流流量的增长趋势存在一定差异。这主要是由于当工作水头增大时，水流流过滤料和无砂混凝土板时的水压力也随之增大，而渗流路径的长度保持不变，此时水力梯度也呈现出逐渐增大的趋势，从而使水流流过滤料和无砂混凝土板的流速增大，当过水断面面积A保持不变时，根据流量公式可知，流速V增大，流量Q亦呈现出增大的趋势。而由于所铺设滤料的粒径不同，造成渗流路径、过流面积及水流流速存在一定差异，因此当工作水头增加时，铺设不同粒径滤料的无砂混凝土板的过流流量增长趋势亦不同。此外，从图2中还发现无砂混凝土板的过流能力与所铺设的滤料粒径有关，即当铺设厚度一定时，随着滤料粒径的增加，无砂混凝土板的过流能力也逐渐增大。这主要是由于随着铺设滤料粒径的增大，所组成的多孔介质的孔隙也随之增大，水流流过孔隙时所克服的摩擦力和阻力就减小，滤料的粒径越大，滤料的体表比也就越小（滤料的体积与表面积的比值），粘滞阻力也就越小，渗流水头损失也就越小，无砂混凝土板的过流能力也就越大。3.2多孔介质铺设厚度对过流能力的影响不同滤料铺设厚度下的无砂混凝土板过流流量和工作水头之间的关系曲线见图3。由图3可知，当铺设滤料粒径一定时，随着滤料铺设厚度的增加，无砂混凝土板的过流能力呈现逐渐降低的趋势。这主要是由于随着铺设厚度的增加，铺设滤料所组成的多孔介质的渗流路径长度也随之增加，水流流过孔隙后的摩擦力和阻力也随之增加，渗流水头损失也增大，无砂混凝土板的渗流流量随之减小。此外，由图3还可看出，同一工作水头条件下，粒径为1cm的滤料的铺设厚度对无砂混凝土板的过流能力影响最大，这主要是由于粒径为1cm的滤料体积较小，所构成的多孔介质之间的孔隙也较小，铺设厚度相同时，粒径较小密实度就越高，这就大大增加了水流在滤料中流动时所受到的阻力，从而导致流速降低，进而使得流过无砂混凝土板的流量降低。而粒径为3、5cm的滤料的铺设厚度对无砂混凝土板的过流能力影响较小。同时试验还发现由于滤料的粒径越大，所构成的多孔介质孔隙率越接近无砂混凝土板的孔隙率，对无砂混凝土板的过流能力的影响也就越小。3.3过流能力的计算水流在无砂混凝土板中的流态有紊流、层流及层流向紊流过渡这三种形态，分析水流在无砂混凝土板和滤料所组成的混合体系中的流动状态，有助于计算无砂混凝土板在滤料覆盖下的过流能力。流速V的计算公式为：式中，k为渗透系数；H为入口处的测压管水头；H当m=1时，为层流渗流；当m=2时，为完全紊流渗流；当1<m<2时，为层流到紊流的过渡区。本次试验中H式（4）中a3.4无砂混凝土板渗流方程渗透系数作为无砂混凝土板过流能力的一个重要指标，在计算渗透流量的过程中有着重要意义。现通过量纲分析方法研究渗透系数与各因素之间的相互关系，定义一般函数为：式中，ρ在式（5）的7个物理量中，自变量有6个，选择ρ、g、H作为基本物理量，则式（5）可用4个量纲一的数组成的关系式来表达，这些量纲一的数（π）分别为：选择ρ、g、H为基本物理量，由基本物理量所组成的量纲一的数均等于1，即π利用待定系数法求解方程，得到x=0、y=1/2、z=5/2，将结果代入式（6）得：同理，对式（7）、（8）、（9）分别运用待定系数法求得π也即：式（13）中f(h/H,A/H将式（14）中的k定义为渗流系数，则式（14）即为无砂混凝土板的渗流方程。从该方程中不难看出，当溶液密度和过水面积一定时，无砂混凝土板的渗流流量与自身重度r、覆盖滤料的厚度h及工作水头H等因素有关。因此，实际工程中可通过测定相关的r、h、H等值来定量分析铺设有滤料的无砂混凝土板的过流能力。4铺设厚度对过流能力的影响a．对铺设有不同粒径、不同厚度滤料的无砂混凝土板，当工作水头增大时其过流能力均呈现出逐渐增大的变化趋势。当滤料铺设厚度一定时，相同工作水头下的无砂混凝土板的过流能力随着滤料粒径的增大而增大；当铺设滤