投稿日期：２０１５－０９－１３　 基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ ５１１０９１５５，５１１７９１１６）；山西省自然科学基金资助项目（２０１５０１１０６７）。　 作者简介：邓亮（１９９１—），男，江西新干人，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。　 通信作者：李永业（１９８０—），男，山西临猗人，副教授，博士，主要从事水力学及河流动力学方面的研究工作。　 Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｙｏｎｇｙｅ＿２０００＠ １６３．ｃｏｍ

【工程建设管理】

骨料渗透特性试验研究

邓　 亮１，李永业１，孙西欢１，２

（１．太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 ０３００２４； ２．晋中学院，山西 晋中 ０３０６００）

摘　 要：依据渗流理论，通过室内水工模型试验，探讨在渗流过程不符合达西渗流定律的情况下，不同因素对骨料渗流特性的影响，结果表明：工作水头越大、骨料粒径越大，骨料的渗流集水流量越大；骨料铺设厚度越大、容重越大，骨料的渗流集水流量越小。 通

过 Ｒ 语言回归分析对影响骨料渗流集水流量的工作水头、骨料粒径和铺设厚度进行了敏感性分析，得出粒径对骨料渗流集水流量

的影响最大，工作水头的影响次之，骨料铺设厚度的影响最小。关键词： 渗流取水； 工作水头； 骨料； 水工模型试验

中图分类号： ＴＶ１４９．２　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０１８．０４．０３３　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡｇｇｒｅｇａｔｅｓＤＥＮＧ Ｌｉａｎｇ１， ＬＩ Ｙｏｎｇｙｅ１， ＳＵＮ Ｘｉｈｕａｎ１，２

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４， Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉｎｚｈｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｊｉｎｚｈｏｎｇ ０３０６００， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｔｈｅｏｒｙ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｄｏｏｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎ⁃ｄａｒｃｙ ｆｌｏｗ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅｅｐ⁃ａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｔｕｄｙ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｃｌｕ⁃ｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｈｅａｄ， ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ， ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｓｅｔ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ； ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ａｇ⁃ｇｒｅｇａｔｅ ｌａｙｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ， ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ， ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｓｅｔ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｒ ｌａｎｇｕａｇｅ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆｗｏｒｋｉｎｇ ｈｅａｄ， ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌａｙｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｓｅｔ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｇｒｅｅ， ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｓｅｔ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｉｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｈｅａｄ， ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｐａｖｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｅｅｐａｇｅ ｗａｔｅｒ； ｗｏｒｋｉｎｇ ｈｅａｄ； ａｇｇｒｅｇａｔｅ； ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

　 　 渗流取水通过对主要补给水源地表水入渗进行收

集，以地下水的形式取用，保证了地表水和地下水的水

量，对工农业生产和城市水源有很大意义［１］。 若骨料

透水性好，单位产水量大，压实性能好，则沉降变形

小［２－３］，因此研究骨料渗透特性是必要的。 笔者依据

工程实际，在非达西渗流条件［４］ 下，采用水工模型对

骨料渗流集水流量的影响因素进行了研究，包括不同

工作水头、骨料铺设厚度、骨料粒径、骨料容重等，并对

工作水头、铺设厚度、粒径的影响程度进行了比较

分析。

１　 试验方案

试验时，首先将地下水库的水通过潜水泵抽至供

水箱，然后通过离心泵将水从试验装置上方注入试验

系统，水经骨料渗流后，从试验装置下方流出，并经循

环回水管和退水渠流回地下水库。 其中，下方出流后

在退水渠上设置直角三角形堰测量渗流流量，骨料的

进水压力采用精密压力表测量［５］。 试验装置见图 １，试验测试系统见图 ２。

图 １ 试验装置

影响渗流集水流量的主要因素有工作水头、铺设

厚度、骨料粒径、骨料容重，因此试验选定骨料为控制

因子，参照工程实际，细骨料粒径 ｄ ＝ ５ ～ ２０ ｍｍ，中骨

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第 ４０ 卷第 ４ 期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 人　 民　 黄　 河　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ ． ４ ０ ，Ｎｏ ． ４　 　 ２０１８ 年 ４ 月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＹＥＬＬＯＷ　 ＲＩＶＥＲ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ａｐｒ．，２０１８　 　

图 ２　 试验测试系统

料粒径 ｄ＝ ２０ ～ ５０ ｍｍ［６］。 试验采用控制变量法研究

单因素对骨料渗流集水流量的影响，并利用试验数据

对工作水头、铺设厚度、粒径这三种影响因素进行敏感

性分析。

２　 试验结果及分析

２．１　 工作水头对集水流量的影响

试验选取 ８ 个不同的工作水头，比较细骨料和中

骨料在铺设厚度 Ｌ＝ ５０ ｃｍ 和 Ｌ ＝ ７０ ｃｍ 时的集水流量

变化。 集水流量 Ｑ 与工作水头 Ｈ 的关系见图 ３。

图 ３　 工作水头与渗流集水流量关系曲线

从图 ３ 可以看出：对同一粒径的骨料而言，在铺设

厚度相同的情况下，集水流量随着工作水头的增大而

增大。 其原因是工作水头越大，水压力越大，渗流集水

流量越大。 同时，工作水头增大，水力梯度增大，单位

面积的出水流量增大，渗流集水流量增大。 根据集水

流量与工作水头的关系曲线可以看出，集水流量与工

作水头呈幂函数关系。 由水力学理论［７］ 可知，对渗流

公式可做进一步改进：Ｑ ＝ ＡＶ ＝ ＡＫＪ１ ／ ｍ ＝ ＡＫ（ ＨＬ） １ ／ ｍ ＝

ＡＫ（ １Ｌ） １ ／ ｍＨ１ ／ ｍ（Ａ 为渗流断面面积，Ｌ 为渗流路径长

度，Ｖ 为渗流流速，Ｋ 为渗透系数，Ｊ 为水力坡降，ｍ 为

渗透指数），当 ｍ ＝ １ 时，渗流特性为层流；当１＜ｍ＜２时，渗流特性为层流向紊流过渡；当 ｍ ＝ ２ 时，渗流特

性为紊流。 由图 ３ 中的拟合公式可知，１＜ｍ＜２，说明水

流在骨料中的渗流为层流向紊流过渡，且趋近于紊流

渗流。２．２　 骨料厚度对集水流量的影响

试验选取了 ５ 种铺设厚度比较细骨料和中骨料在

工作水头 Ｈ＝ ５．２８ ｍ和 Ｈ ＝ ７．４８ ｍ 下的集水流量变化

情况。 不同铺设厚度的集水流量见图 ４。 从图 ４ 可以

看出：对同一粒径的骨料，在工作水头相同的情况下，集水流量随着骨料铺设厚度的增大而减少，并且二者

呈明显幂函数关系。 原因是，同种骨料，铺设厚度越

大，渗流路径越长，沿程水力损失越大，渗流量越小。同时，随着铺设厚度的增加，水力梯度降低，导致单位

面积出水流量减小，渗流量减小。 由图 ４ 可知，对于同

种骨料，在工作水头 Ｈ＝ ５．２８ ｍ 和 Ｈ ＝ ７．４８ ｍ 时，集水

流量的差值随着铺设厚度的增加基本保持不变。

图 ４　 铺设厚度与渗流集水流量关系曲线

２．３　 骨料粒径对集水流量的影响

以细骨料和中骨料为例，比较铺设厚度Ｌ＝ ３０ ｃｍ和 Ｌ＝ ７０ ｃｍ、工作水头 Ｈ ＝ ５．２８ ｍ 和 Ｈ ＝ ８．３６ ｍ 时的

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人 民 黄 河　 ２０１８ 年第 ４ 期

过水能力。 从图 ５ 可以看出：集水流量随着骨料粒径

的变化而大幅度改变，因此骨料粒径是影响集水流量

的一个重要因素。 对于同一工作水头，在一定骨料铺

设厚度下，骨料粒径越大，其孔隙率［８］ 越大，渗流集水

流量就越大。 同时，随着骨料粒径的增大，骨料铺设的

厚径比 Ｌ ／ ｄ（Ｌ 为骨料厚度，ｄ 为骨料粒径）减小，导致

总表面积减小，水流通过时克服的阻力及摩擦力减小，从而单位时间内的渗流集水流量增大。

图 ５　 不同粒径条件下的渗流集水流量

２．４　 骨料容重对集水流量的影响

对细骨料振捣压实［９］，选取 ５ 种容重，分析这 ５ 种

细骨料容重在工作水头 Ｈ＝ ５．４８ ｍ 和 Ｈ ＝ ８．４８ ｍ 下的

集水流量变化情况。 从图 ６ 可以看出：在工作水头相

同的情况下，集水流量随着骨料容重的增大而减小，并且集水流量与骨料容重呈幂函数关系。 原因是容重增

大是靠振捣来实现的，在振捣过程中，骨料的孔隙结构

发生变化，骨料的密实程度更好，孔隙率［８］ 降低，从而

导致单位面积的出水流量减小。 在实际工程中，常采

用土石坝振捣、压实提高土石体容重，从而增强坝体汛

期防洪能力和枯水期蓄水能力。

图 ６　 骨料容重与集水流量关系曲线

２．５　 不同因素对集水流量的影响程度分析

随着振捣次数的增加，骨料容重增大，当工作水头

变化量相同时，集水流量变化量逐渐减小，当容重增大

到一定数值时，骨料的渗流集水流量接近于零，即几乎

不渗流。 换句话说：当骨料容重达到一定数值时，容重

对集水流量的影响将大于工作水头对集水流量的影

响，且此影响达到一定程度时，集水流量不再受工作水

头的影响，并达到最小值。在单因素变化条件下，通过 Ｒ 语言回归分析，建

立了工作水头、骨料粒径、骨料铺设厚度与渗流集水流

量之间的关系，对影响骨料渗流集水流量的这三种因

素进行分析，结果见表 １。 根据统计学可知：用于回归

系数检验的 ｔ 统计量的 Ｐ 值是一个概率，它估计回归

系数不显著的可能性。 ｔ 统计量的 Ｐ 值越小，表明变

量的回归系数越显著。 由表 １ 中的 Ｐ 值可知，对骨料

的渗流集水流量的影响程度，粒径＞工作水头＞铺设厚

度。 同时通过 Ｒ 语言分析，得到了工作水头、骨料粒

径、骨料铺设厚度与渗流集水流量之间的相关性

（ｃｏｒ）：ｃｏｒ（水头，流量）＝ ０．１８５ ５６３；ｃｏｒ（粒径，流量）＝０．９５８ ０４６ ９；ｃｏｒ（厚度，流量）＝ －０．１２３ ４５５ ３。 相关性

越大，对骨料渗流集水流量的影响越大，同样可以得

出，粒径对骨料的渗流集水流量的影响最大，工作水头

的影响次之，铺设厚度的影响最小表 １　 Ｒ 语言分析结果

项目 估计值 标准误差 ｔ Ｐ

截距 －２．４９８×１０－３ ３．０４２×１０－４ －８．２１２ １．０６×１０－１０

水头 ２．０３９×１０－４ ２．９５４×１０－５ ６．９０１ １．０４×１０－８

粒径 １．８５１×１０－４ ５．１１１×１０－６ ３６．２１８ ＜２×１０－１６

厚度 －１．３０４×１０－５ ２．９０２×１０－６ －４．４９３ ４．４２×１０－５

３　 结　 语

本文所述试验工况骨料的渗流特性为层流向紊流

过渡，渗流过程不符合达西渗流定律，具有非线性渗流

特征。 工作水头、骨料铺设厚度、骨料粒径、骨料容重

是影响骨料渗流集水流量的主要因素，其中工作水头

与集水流量呈正相关的幂函数关系，铺设厚度、容重与

集水流量呈负相关的幂函数关系，粒径与集水流量呈

正相关关系。 粒径对骨料渗流集水流量的影响最大，工作水头的影响次之，铺设厚度的影响最小。 当对骨

料振捣压实到一定程度时，容重对骨料渗流集水流量

的影响大于工作水头对渗流集水流量的影响，且此影

响达到一定程度时，渗流集水流量不再受工作水头的

影响，并达到最小值。

参考文献：

［１］　 程琨．渗渠取水量影响因素试验研究［Ｄ］．石河子：石河子

大学，２００７：１－６．［２］　 刘宏，韩文喜．砂砾石土料的压实特性［ Ｊ］．三峡大学学

报，２００２，２４（４）：２９７－２９９．

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人 民 黄 河　 ２０１８ 年第 ４ 期

［３］　 傅华，凌华，蔡正银．砂砾石料渗透特性试验研究［ Ｊ］．水利与建筑工程学报，２０１０，８（４）：６９－７１．

［４］　 秦峰，王媛．非达西渗流研究进展［ Ｊ］．三峡大学学报，２００９，３１（６）：２５－２９．

［５］　 石继忠，李永业，孙西欢，等．水库采用无砂混凝土管渗流

法取水的试验研究［ Ｊ］．中国农村水利水电，２０１４（１０）：１２６－１２８．

［６］　 王磊，李永业，孙西欢，等．泥沙对水库渗流取水效能影响

的试验研究［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１４（８）：１３４－１３７．［７］　 吴持恭．水力学：下册［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９８：

２１７－２１９．［８］　 张我华，薛新华．孔隙介质的渗透特性初探［ Ｊ］．岩土力

学，２００９，３０（５）：１３５７－１３６１．［９］　 余明东，钱波，何仕海．黏性粗粒土压实特性试验研究

［Ｊ］．人民黄河，２０１５，３７（６）：９９－１０１．【责任编辑　 吕艳梅】

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