鄧亮 李永業(yè) 孫西歡

摘要：依據(jù)滲流理論，通過室內(nèi)水工模型試驗，探討在滲流過程不符合達西滲流定律的情況下，不同因素對骨料滲流特性的影響，結(jié)果表明：工作水頭越大、骨料粒徑越大，骨料的滲流集水流量越大；骨料鋪設(shè)厚度越大、容重越大，骨料的滲流集水流量越小。通過R語言回歸分析對影響骨料滲流集水流量的工作水頭、骨料粒徑和鋪設(shè)厚度進行了敏感性分析，得出粒徑對骨料滲流集水流量的影響最大，工作水頭的影響次之，骨料鋪設(shè)厚度的影響最小。

關(guān)鍵詞：滲流取水；工作水頭；骨料；水工模型試驗

中圖分類號：TV149.2

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.033

滲流取水通過對主要補給水源地表水人滲進行收集，以地下水的形式取用，保證了地表水和地下水的水量，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市水源有很大意義。若骨料透水性好，單位產(chǎn)水量大，壓實性能好，則沉降變形小，因此研究骨料滲透特性是必要的。筆者依據(jù)工程實際，在非達西滲流條件下，采用水工模型對骨料滲流集水流量的影響因素進行了研究，包括不同工作水頭、骨料鋪設(shè)厚度、骨料粒徑、骨料容重等，并對工作水頭、鋪設(shè)厚度、粒徑的影響程度進行了比較分析。

1 試驗方案

試驗時，首先將地下水庫的水通過潛水泵抽至供水箱，然后通過離心泵將水從試驗裝置上方注入試驗系統(tǒng)，水經(jīng)骨料滲流后，從試驗裝置下方流出，并經(jīng)循環(huán)回水管和退水渠流回地下水庫。其中，下方出流后在退水渠上設(shè)置直角三角形堰測量滲流流量，骨料的進水壓力采用精密壓力表測量。試驗裝置見圖1，試驗測試系統(tǒng)見圖2。

影響滲流集水流量的主要因素有工作水頭、鋪設(shè)厚度、骨料粒徑、骨料容重，因此試驗選定骨料為控制因子，參照工程實際，細骨料粒徑d=5～20mm，中骨料粒徑d=20～50mm。試驗采用控制變量法研究單因素對骨料滲流集水流量的影響，并利用試驗數(shù)據(jù)對工作水頭、鋪設(shè)厚度、粒徑這三種影響因素進行敏感性分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 工作水頭對集水流量的影響

試驗選取8個不同的工作水頭，比較細骨料和中骨料在鋪設(shè)厚度1=50cm和/=70Cm時的集水流量變化。集水流量Q與工作水頭H的關(guān)系見圖3。

從圖3可以看出：對同一粒徑的骨料而言，在鋪設(shè)厚度相同的情況下，集水流量隨著工作水頭的增大而增大。其原因是工作水頭越大，水壓力越大，滲流集水流量越大。同時，工作水頭增大，水力梯度增大，單位面積的出水流量增大，滲流集水流量增大。根據(jù)集水流量與工作水頭的關(guān)系曲線可以看出，集水流量與工作水頭呈冪函數(shù)關(guān)系。由水力學理論可知，對滲流公式可做進一步改進：Q=AV=AKJl/m=AK（H/L）l/m=AK（I/L）l/mHl/m（A為滲流斷面面積，L為滲流路徑長度，V為滲流流速，K為滲透系數(shù)，J為水力坡降，m為滲透指數(shù)），當m=l時，滲流特性為層流；當l2.2 骨料厚度對集水流量的影響

試驗選取了5種鋪設(shè)厚度比較細骨料和中骨料在工作水頭H=5.28m和H=7.48m下的集水流量變化情況。不同鋪設(shè)厚度的集水流量見圖4。從圖4可以看出：對同一粒徑的骨料，在工作水頭相同的情況下，集水流量隨著骨料鋪設(shè)厚度的增大而減少，并且二者呈明顯冪函數(shù)關(guān)系。原因是，同種骨料，鋪設(shè)厚度越大，滲流路徑越長，沿程水力損失越大，滲流量越小。同時，隨著鋪設(shè)厚度的增加，水力梯度降低，導致單位面積出水流量減小，滲流量減小。由圖4可知，對于同種骨料，在工作水頭H=5.28m和H=7.48m時，集水流量的差值隨著鋪設(shè)厚度的增加基本保持不變。

2.3 骨料粒徑對集水流量的影響

以細骨料和中骨料為例，比較鋪設(shè)厚度1=30cm和L=70cm、工作水頭H=5.28m和H=8.36m時的過水能力。從圖5可以看出：集水流量隨著骨料粒徑的變化而大幅度改變，因此骨料粒徑是影響集水流量的一個重要因素。對于同一工作水頭，在一定骨料鋪設(shè)厚度下，骨料粒徑越大，其孔隙率越大，滲流集水流量就越大。同時，隨著骨料粒徑的增大，骨料鋪設(shè)的厚徑比L/d（L為骨料厚度，d為骨料粒徑）減小，導致總表面積減小，水流通過時克服的阻力及摩擦力減小，從而單位時間內(nèi)的滲流集水流量增大。

2.4 骨料容重對集水流量的影響

對細骨料振搗壓實，選取5種容重，分析這5種細骨料容重在工作水頭H=5.48m和H=8.48m下的集水流量變化情況。從圖6可以看出：在工作水頭相同的情況下，集水流量隨著骨料容重的增大而減小，并且集水流量與骨料容重呈冪函數(shù)關(guān)系。原因是容重增大是靠振搗來實現(xiàn)的，在振搗過程中，骨料的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，骨料的密實程度更好，孔隙率降低，從而導致單位面積的出水流量減小。在實際工程中，常采用土石壩振搗、壓實提高土石體容重，從而增強壩體汛期防洪能力和枯水期蓄水能力。

2.5 不同因素對集水流量的影響程度分析

隨著振搗次數(shù)的增加，骨料容重增大，當工作水頭變化量相同時，集水流量變化量逐漸減小，當容重增大到一定數(shù)值時，骨料的滲流集水流量接近于零，即幾乎不滲流。換句話說：當骨料容重達到一定數(shù)值時，容重對集水流量的影響將大于工作水頭對集水流量的影響，且此影響達到一定程度時，集水流量不再受工作水頭的影響，并達到最小值。

在單因素變化條件下，通過R語言回歸分析，建立了工作水頭、骨料粒徑、骨料鋪設(shè)厚度與滲流集水流量之間的關(guān)系，對影響骨料滲流集水流量的這三種因素進行分析，結(jié)果見表1。根據(jù)統(tǒng)計學可知：用于回歸系數(shù)檢驗的t統(tǒng)計量的P值是一個概率，它估計回歸系數(shù)不顯著的可能性。t統(tǒng)計量的P值越小，表明變量的回歸系數(shù)越顯著。由表1中的P值可知，對骨料的滲流集水流量的影響程度，粒徑>工作水頭>鋪設(shè)厚度。同時通過R語言分析，得到了工作水頭、骨料粒徑、骨料鋪設(shè)厚度與滲流集水流量之間的相關(guān)性（cor）：cor（水頭，流量）=0.185563；cor（粒徑，流量）=0.9580469；cor（厚度，流量）=-0.1234553。相關(guān)性越大，對骨料滲流集水流量的影響越大，同樣可以得出，粒徑對骨料的滲流集水流量的影響最大，工作水頭的影響次之，鋪設(shè)厚度的影響最小

3 結(jié)語

本文所述試驗工況骨料的滲流特性為層流向紊流過渡，滲流過程不符合達西滲流定律，具有非線性滲流特征。工作水頭、骨料鋪設(shè)厚度、骨料粒徑、骨料容重是影響骨料滲流集水流量的主要因素，其中工作水頭與集水流量呈正相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，鋪設(shè)厚度、容重與集水流量呈負相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，粒徑與集水流量呈正相關(guān)關(guān)系。粒徑對骨料滲流集水流量的影響最大，工作水頭的影響次之，鋪設(shè)厚度的影響最小。當對骨料振搗壓實到一定程度時，容重對骨料滲流集水流量的影響大于工作水頭對滲流集水流量的影響，且此影響達到一定程度時，滲流集水流量不再受工作水頭的影響，并達到最小值。