咸水越流過程中水、鹽運移機理的試驗設(shè)備

李靜，左文喆

(河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北唐山 063009)

華北平原第四系地下水具有上咸下淡的雙層結(jié)構(gòu)［1］。

一般情況下，淺層淡水以條帶狀或片狀分布于咸水體之上，隨著深層淡水長期處于超采狀態(tài)，深層淡水水頭大幅度下降，使上覆咸水由受淡水頂托而改為整體宏觀下移［2］。

各項研究結(jié)果顯示，華北平原深層地下水總開采量中，越流量約占40% ～70%。淺層咸水經(jīng)越流后是否會引起深層淡水資源咸化，是水文地質(zhì)界一直關(guān)注但未能有確切答案的問題。研究“咸水淡化”現(xiàn)象不僅有水文地質(zhì)理論方面的創(chuàng)新，而且在深層水資源開發(fā)與保護方面有重大的應(yīng)用價值［3］。

為回答深層淡水在水頭差作用下是否存在咸化的可能，必須進行室內(nèi)的粘性土越流試驗，分析水—鹽在粘性土中越流的過程和機理。

通常的固結(jié)和滲透設(shè)備是分離的，為模擬自然壓力狀態(tài)原狀土的滲透，必須同時實現(xiàn)固結(jié)和滲透兩種功能。同時，為分析咸水越流過程中的水巖作用，需分析越流途徑中不同深度處的水質(zhì)和土質(zhì)的變化。目前符合上述要求的試驗設(shè)備少見，為滿足試驗要求，設(shè)計了粘土的多層滲透裝置。經(jīng)過初步調(diào)試改進，該套設(shè)備運行良好，可較好地模擬自然狀態(tài)下粘性土的越流現(xiàn)象，分析越流過程中水—鹽變化情況。

1 研究方案的制定

為分析越流過程中的水—鹽作用，擬定了如下研究方案和技術(shù)路線:

(1)原狀土樣的孔隙、顆粒分析;通過X射線衍射對土中粘土礦物的組成和含量進行分析;通過掃描電鏡結(jié)合能譜分析，對土中所含元素進行定性和定量分析。

(2)將連續(xù)原狀粘土樣切割成多段，分別置入串聯(lián)的滲透裝置中，按野外自然壓力狀態(tài)加壓，進行咸水越流滲透試驗。定期取樣測試滲流途徑中各串聯(lián)點處的水質(zhì)，滲流結(jié)束后分析鹽分的滲出與滯留量，分析粘土樣各分段的鹽分含量及變化。

(3)對同一地點原狀土進行不同時間、不同壓力下的滲透試驗，分析鹽分運移的時間效應(yīng)，鹽分運移與壓力的關(guān)系。

(4)根據(jù)各試驗結(jié)果，進行綜合分析，建立土體孔隙、粒度與滲透性、鹽分運移量的相關(guān)關(guān)系。

其技術(shù)路線見圖:

圖1 技術(shù)路線

研究方案中，粘性土的咸水越流試驗?zāi)壳吧猩儆腥藝L試，其原因:一是因越流速率慢，因而試驗流程較長;二是原狀土需恢復(fù)到自然壓力狀態(tài);同時，需模擬華北平原降水漏斗區(qū)的咸淡水之間的水頭差;三是滲透過程中，中間段取水樣困難;四是滲透過程中土樣的微觀結(jié)構(gòu)和成分含量還不能進行跟蹤監(jiān)測;我們根據(jù)試驗要求，設(shè)計改裝了主要滲透試驗設(shè)備，較好地解決了滲透過程中的前三項問題。

2 設(shè)備簡介

HBST-1型滲透儀是河北理工大學與南京土壤儀器廠有限公司合作設(shè)計的。用于在室中測定土樣在有側(cè)限條件固結(jié)下一維滲透性能，可以進行多層滲透及單層滲透。該套設(shè)備較好的恢復(fù)了深層土體的自然狀態(tài)(約90米深的壓力);模擬了超采狀態(tài)下，原狀粘土層兩側(cè)的滲透壓差;可在兩個串聯(lián)的滲透裝置間取水樣，解決了在不同越流深度取水樣的問題;

試驗裝置主要由大部分組成:多項滲透裝置和加荷固結(jié)裝置。

多層滲透裝置:

(1)四層結(jié)構(gòu)，可以分別測定每層的滲透系數(shù)，也可以測定總的滲透系數(shù)。

(2)試樣采用滲透環(huán)刀結(jié)構(gòu)。

(4)最后三個滲透固結(jié)裝置的滲透壓力數(shù)字顯示，可以根據(jù)上游壓力和下游壓力計算滲透系數(shù)。

試樣部分結(jié)構(gòu)見圖:

加荷裝置:

使用兩臺雙聯(lián)中壓固結(jié)儀，可以提供固結(jié)壓力達1600 kPa。由加載適量秤砣提供所需壓力。滲透中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪進行固結(jié)載荷的修正，減小中浮力對結(jié)果的影響。

圖3 加荷裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗原理及技術(shù)指標的確定

3.1 試驗原理

為使土樣回復(fù)自然狀態(tài)，進行加荷固結(jié)。固結(jié)壓力由重力轉(zhuǎn)換得到。在固結(jié)裝置上按照一定的杠桿比例及重量轉(zhuǎn)換來達到加荷目的。進行固結(jié)試驗時通過百分表變化來修正及提示此部分工作的完成。

加荷至前期最大固結(jié)壓力，恢復(fù)粘性土體至正常固結(jié)壓力狀態(tài)。

多層滲透試驗設(shè)備原理同55型滲透儀，采用環(huán)刀結(jié)構(gòu)，變水頭法測滲透，逐漸加壓至自然壓差狀態(tài)后穩(wěn)定。由于試驗中要求測取不同位置水樣，HBST-1型滲透儀通過串聯(lián)方式將四個同樣的滲透裝置連在了一起可方便取樣。同時每個滲透裝置又是個獨立的個體，因此亦可進行單層滲透試驗。

滲透壓力顯示儀可調(diào)節(jié)滲透壓，顯示相應(yīng)位置的滲透壓力值，將相鄰裝置上下滲透壓力值進差減即可得到該裝置的水頭差，再由最終流量及速度可得到有關(guān)滲透試驗的數(shù)據(jù)。該部分還可以進行氣泡調(diào)節(jié)，減少氣泡對結(jié)果的影響。

“李書記夸我們陳樓村變化特別大，基礎(chǔ)設(shè)施搞得好，特別是‘道路革命’開展得好，村道修建標準高、質(zhì)量好，為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施打下了堅實基礎(chǔ)。”說起前不久市委書記、市長李中華到陳樓村調(diào)研“四大革命”工作，該村黨支部書記陳永強特別激動。

3.2 技術(shù)指標的確定

HBST-1河北理工大學滲透儀中主要部分為多層滲透裝置，該裝置的主要技術(shù)指標如下:

(1)最大滲透壓力:0～200 kPa

原因:據(jù)野外工作經(jīng)驗及大量試驗數(shù)據(jù)計算得出，試驗粘土所在第三個承壓含水層存在20個水頭差。則由公式推的:

水的滲透壓:σ =γh=10 kN/m3×20 m=200 kN/m2=200 kPa

(2)前期最大固結(jié)壓力:0～1600 kPa

原因:根據(jù)試驗用土最大選自100多米深處，則h=100 m，粘土的有效密度ρ=1.6 g/cm3則同上得出:

土的重度:γ =ρg=1.6 g/cm3×10 m/s2=1.6×104kg/(ms)2=1.6×104N/m3=16 kN/m3土的自然狀態(tài)下的固結(jié)壓力:σ=γh=16 kN/m3×100 m=1600 kN/m2=1600 kPa我們將此滲透壓力由重力及杠桿原理轉(zhuǎn)換得出，即得加荷裝置。

4 試驗設(shè)備使用步驟

用環(huán)刀切取新鮮土樣，為了仿照自然狀態(tài)下粘性土的越流過程，將裝有原狀土樣的滲透固結(jié)容器至于加荷裝置上按圖2和圖3將整個裝置連接起來。

首先進行固結(jié)試驗:按照提前計算好的固結(jié)壓力在一定的時間段放置一定量的秤砣并調(diào)節(jié)杠桿平衡。此階段進行時需要逐級加壓，每五分鐘記錄百分表變化，觀測百分表的變化，直至其變化甚微時表示固結(jié)試驗的結(jié)束。約一小時左右加一百千帕壓力。記錄時間與土體變化關(guān)系做出變化圖。

其次滲透試驗前的排氣工作:將提前配置好的鹽水裝入水氣交換器中，開啟按鈕，旋轉(zhuǎn)壓力輸入伐控制滲透壓的大小。通過各氣泡調(diào)節(jié)閥排除各滲透儀中氣泡的干擾。這個過程較長，需要細心，緩慢調(diào)節(jié)直至排凈空氣。

再次滲透試驗:該部分也需逐級加壓。一次性加滿壓力，由于壓力較大土體會被沖走部分從而影響試驗結(jié)果，因此需要逐級加壓。

最后取樣，記錄結(jié)果。試驗中可隨時測取三通閥上任意點的水樣測量。取出的水樣需進行化驗鹽分含量，記錄數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)圖表。同時進行土樣滲流時間，流量的記錄完成有關(guān)滲流數(shù)據(jù)收集。

結(jié)合上述記錄數(shù)據(jù)及繪制圖表綜合分析整理出土體孔隙、粒度與滲透性、鹽分運移量的相關(guān)關(guān)系。最終完成實驗。

5 結(jié)論

(1)該試驗設(shè)備能較好的完成在自然狀態(tài)、有側(cè)限條件下多層及單層原狀土的一維滲透試驗。通過加荷固結(jié)裝置解決了土樣恢復(fù)自然狀態(tài)下的壓力問題;通過將單個滲透裝置的串聯(lián)解決了多層滲透及不同點取水樣等問題。

(2)在實際操作中仍需不斷進行設(shè)備修改，補充。調(diào)試中，該套設(shè)備能較好的完成試驗任務(wù)，最終可根據(jù)試驗結(jié)果較好地解答開采深層地下水的安全性問題。

［1］衛(wèi)文.華北平原第四系含水層地下水年齡與補給溫度［D］.北京:中國地質(zhì)科學院，2007.

［2］張宗祜，施德鴻，任福弘，等.論華北平原第四系地下水系統(tǒng)之演化［J］.中國科學，1997，4(2):168-107.

［3］卞學洛.有咸水區(qū)深層淡水可持續(xù)利用研究［J］.地下水，2004，26(2):91-96.

［4］曹文炳，萬力，龔斌，王大純.水位變化條件下粘性土滲流特征研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006，33(2):118-122.