水工建筑物基坑排水無砂管有效孔隙率的測定

吳炳富 吳國義

一 、引言

近年來，在水利工程建設中凡涉及到深井降水、減壓井施工項目均廣泛地采用水泥預制管。水泥預制管有造價低廉、施工后處理方便且無安全隱患的優點。早期在預制管管井施工中，管井的成功率不太高，主要原因在于無砂管的有效孔隙率無法測定。內、外連通的隙率稱為有效孔隙；內、外不連通的隙率稱為盲隙，盲隙對透水性無意義。無砂管的有效孔隙率選擇是管井施工前必要的準備工作，也是決定管井成敗關鍵的一步。筆者在十多年的管井施工中，曾數次對無砂管有效孔隙率的測定進行專題研究，并將測定的方法拿到實踐中去驗證，驗證的結果均能達到預期的目的，使管井的成井率達到95%以上。

二、無砂管有效孔隙率的測定

1.測定方法

由于無砂管孔隙不規則，無法直接測定其有效孔隙率。無砂管有效孔隙率通過兩種管材滲透比較法進行測定。具體方法是：在邊界條件相同的情況下，取同徑同長兩種濾水管進行滲透對比試驗。一種管材為已知孔隙率的鋼骨架過濾器，另一種管材為待測的無砂管。向兩種管中注入等體積的水，抬高相同高度的水頭，保持常水頭一段時間使兩管滲透穩定。停止向兩管中注水，并同時分別計算兩種管內漏盡水所經歷的時間。調節鋼骨架過濾器孔隙率，使已知孔隙率的鋼骨架過濾器漏盡時間等于待測無砂管漏盡水的時間。此時鋼骨架過濾器的孔隙率就近似于待測無砂管的有效孔隙率。

2.測定步驟

（1）根據無砂管管徑加工1根2m長等徑（內徑）鋼管，在鋼管一端截1m長度（預制無砂管和護壁管的長度均是每節1m）加工成過濾器。過濾器孔眼直徑一般在3～6mm，孔眼在鋼管的表面呈梅花形均勻分布。加工過濾器的孔隙率應大于待測無砂管的孔隙率，一般加工成50%～70%，以60%為最佳。

（2）用薄鋼板加工成一只長方體敞口水箱。 箱高2m，底部 2r×4r（r為無砂管的外半徑），水箱中央橫向用薄鋼板隔成等體積兩室，鋼板延伸到水箱口。水箱底面除在兩室中央保留一塊半徑為r0（無砂管的內半徑）的圓面積不透水外，其余加工成濾水孔眼，以確保透水迅速。

（3）將待測無砂管豎置于水箱一端，并使管底面與水箱底面圓面積重合。無砂管上端對接一節一根護壁管，兩管同心；將已知孔隙率的鋼管過濾器豎置于水箱另一端，管底面也與水箱底面圓面積重合，所有接頭部位都要確保絕對止水。

（4）同時用大流量向兩管內注水，直到水流從管口溢出，再調整注水流量，使液面穩定于管口，并持續15min。在此期間應觀察兩管側面滲透是否穩定，經確認穩定后停止注水。

（5）停止注水與開始計時同步。分別將兩管內水流滲透過程的水深和經歷的時間計入附表中。

（6）分析兩管滲透水流所經歷的時間，調整鋼管過濾器的已知孔隙率。重復（ 4）（ 5） 試驗步驟，直到兩管漏盡水流所需的時間相等為止。此時鋼管過濾器的孔隙率，近似于待測無砂管的有效孔隙率。

（7）若試驗步驟（6）不能“ 調整到兩管漏盡水流所需的時間相等”，應通過試驗將無砂管的有效孔隙率上、下限值逼近到一個很小范圍內的區間值，再用插值法求出無砂管有效孔隙率的近似值。

3、試驗成果應用

施工時所采購的水泥預制管應固定一個生產廠家，無砂管應選擇在同一生產批次最佳。若施工需要數量過大，同一生產批次不能滿足，下一生產批次的灰石比、石子的品質和顆分曲線以及管密度等制管技術參數應與上一生產批次相同，以免在無砂管生產過程中對有效孔隙率產生較大的偏差。從施工用管中隨機抽取5%無砂管做試驗樣品，進行滲透性能對比試驗，施工用管數量再少，抽取樣品試件不得低于5件。對試驗成果進行數理統計求無砂管有效孔隙率的平均值，并將其作為無砂管孔隙率應用到管井的設計或施工中。

三、結語

無砂管的制造過程中有效孔隙率與預制無砂管的水泥和石子配合比以及沖擊次數（制管密度）有密切的關系。在施工實踐中，通過多次試驗數據積累和分析，建立無砂管的有效孔隙率與制管的水泥和石子配合比以及制管密度相關關系，為后期類似工程項目施工起著重要的指導作用。根據所需無砂管孔隙率，并通過上述相關關系求得水泥和石子配合比以及制管密度，并將此制管技術參數作為定單下到制管廠家。不需要在項目施工前做無砂管滲透性能對比試驗工作，這樣既節省了時間，又節省了資源。

無砂管作為管井濾水管以其成本低廉被廣泛采用，在基坑排水或是抽取地下水進行農作物灌溉的“農灌井”項目，采用本方法測試無砂管的有效孔隙率，對管井的使用效果和壽命延長有著非常重要的作用