渾水入滲砂柱孔隙水壓變化試驗

李曉丹++樊疆星++張潛++施禹行

摘 要：渾水滲流的一大特點就是一個非穩(wěn)定滲流過程，一個不同于變水頭滲流的非穩(wěn)定滲流，地層的滲透路徑和整體滲透系數(shù)隨著時間的增長不斷變化，滲流水中的懸浮物也會隨著時間的增長不斷的沉積。這類工程問題有長期渾水灌溉對土壤滲透性能的影響，洪水在壩前淤積淤泥對繞壩滲流的影響。通過試驗，測定了尾礦砂的顆粒級配曲線，主要成分為二氧化硅，又開展了不同入滲水頭，不同渾水含沙量，不同級配尾礦砂條件下，渾水滲流的砂柱的試驗研究，分析了水頭高度隨時間的變化情況。

關(guān)鍵詞：顆粒級配 渾水滲流 水頭高度 實驗結(jié)果 分析

中圖分類號：TV139 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0014-02

Experiment of the Change of Water Pressure When Muddy Water Infiltration Sand Column Pores

Li Xiaodan Fan Jiangxing Zhang Qian Shi Yuxing

（School of Civil Engineering， North China University of Technology，Beijing，100144，China）

Abstract：During the experiments； we determined the grain grading curve of the last placer and the main component is silica. The muddy water infiltration sand column pores experiment is under the condition of different infiltration heads， different muddy sediment concentrations and using last placer of different grading. We analyzes the head height change with time variation.

Key Wrds：Grain Grading；Muddy Water Seepage；Head Height；The Experimentai Resuits；Analysis

我們知道常見的滲流計算都已有比較成熟的滲流理論，比如我們已知的屬于清水理論的穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流理論?？墒?，在日常生產(chǎn)實踐中，我們經(jīng)常會遇到涉及到渾水滲流的一些問題，而渾水滲流的一大特點就是一個非穩(wěn)定滲流過程，一個不同于變水頭滲流的非穩(wěn)定滲流，地層的滲透路徑和整體滲透系數(shù)隨著時間的增長不斷變化，滲流水中的懸浮物也會隨著時間的增長不斷的沉積。這類工程問題有長期渾水灌溉對土壤滲透性能的影響，洪水在壩前淤積淤泥對繞壩滲流的影響，渾水回灌補充地下水時地表滲透性能的變化，防滲灌漿時漿液在地層中的運動狀態(tài)，粉煤灰水力沖填壩的滲流分析等，因此，研究渾水滲流理論對生產(chǎn)實踐具有重要的應(yīng)用價值。

1 試驗概況

1.1 尾礦的粒度成分及礦物成分分析試驗研究

1.1.1 試驗實施方案

在首鋼集團選擇典型的尾礦庫現(xiàn)場進行尾礦砂的取樣，進行并完成尾礦砂的顆粒分析試驗和礦物成分分析試驗，分析尾礦砂的顆粒級配和礦物組成，在工程力學試驗中心完成不同固結(jié)狀態(tài)下尾礦砂三軸應(yīng)力應(yīng)變試驗，得到尾礦壩的本構(gòu)模型參數(shù)。

1.2 不同入滲水頭渾水滲流的砂柱試驗研究

1.2.1 渾水入滲淤堵試驗步驟設(shè)計

（1）當溢流口有水流均勻流出后，打開試驗砂柱下端閥門，待滲流穩(wěn)定后，再開始計時并進行測量。每隔5min記錄一次滲流量和各測壓管水頭高度。清水試驗持續(xù)1個小時。

（2）清水入滲試驗結(jié)束后，同時關(guān)閉試驗砂柱上端和下端的閥門，并將自動攪拌系統(tǒng)中的清水安裝好試驗儀器，檢查完裝置氣密性后就可以開始試驗了。首先打開攪拌機和抽水機以及相關(guān)閥門，向砂柱中注入清水，并打開測壓管開關(guān)，排空砂柱中的空氣，使整個被水充滿飽和。水排盡，然后向攪拌裝置中注入渾水，直到溢流口有均勻水流出時，再同時打開試驗砂柱上下端的閥門，并以此時為計時零點開始計時。用水桶在砂柱下端接住滲出渾水，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)，記錄5 min內(nèi)的累積入滲量，以及各側(cè)管水頭高度。對出滲的渾水測量完體積后用礦泉水瓶取樣，并做好標放好以便測量其濃度。即隨著滲流速度逐漸降低，可以逐漸將時間間隔加長為10 min，30 min。每個渾水試驗持續(xù)5h。

1.2.2 試驗方案

為了考慮不同條件對渾水入滲的作用情況，尋找渾水入滲淤堵機理，分別考慮了不同砂柱粒徑、不同水頭高度、不同渾水濃度的影響作用效果，通過正交試驗并以清水入滲作為對照。試驗方案如表1。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 用篩析法

測得結(jié)果如表1所示。

（1）各層篩子上土粒質(zhì)量。

（2）該土的顆粒級配曲線如圖1所示。

2.1.2 試驗渾水顆粒的確定

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的選礦工藝在不斷提高，尾礦漿中顆粒的粒徑在逐漸減小，有的都達到200目以下，為此選擇150目以下粒徑（即-0.10 mm）顆粒作為渾水顆粒（表3）。

2.2 試驗結(jié)果和分析

渾水入滲過程中，由于渾水中有固體顆粒，所以渾水入滲其實是固液兩相流入滲，和清水的單相滲流不同，因此在水頭高度等方面會與清水不同。

從圖2中可得，每組試驗中的清水和渾水在入滲過程中的累積入滲量都隨著時間的增加而增大，清水入滲過程中，相同時間內(nèi)的滲流量基本保持不變。在渾水入滲過程中，從試驗2、3、4中可以看出，累積入滲量表現(xiàn)出了非線性的特性。從圖2中可以看出，渾水的入滲過程與清水入滲的累積入滲量隨時間變化曲線圖有明顯不同。渾水入滲時，滲透流量與滲透初始階段具有一定的線性關(guān)系但時間較短，斜率較清水累積入滲的斜率略小。滲透流量與時間的關(guān)系曲線與清水累積入滲曲線隨后隨著時間的增長逐漸發(fā)生偏離。而且入滲渾水的濃度越大，渾水累積入滲曲線與清水累積入滲曲線分離得越快越早，但最終逐漸趨于平穩(wěn)。endprint

該試驗砂柱中共設(shè)計了4個側(cè)管水頭，將試驗砂柱分成了三層，從上到下依次為第一層、第二層、第三層。由于清水入滲表現(xiàn)出了良好的層流特性，所以只記錄其第一層的水頭差，將試驗數(shù)據(jù)整理得到了如圖3所示，水頭差隨時間變化的關(guān)系曲線。

從側(cè)管水頭差與時間的關(guān)系曲線中可以看出，清水在入滲的過程中，各層水頭差都基本保持一致并且恒定，顯示出土層的均一性以及清水入滲過程中的穩(wěn)定性。但渾水入滲則表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，在渾水濃度，水頭高度一定時，各層土間的水頭差都在隨著時間的增長而逐漸增大，且都大于清水入滲時的水頭差。而且深度越大，水頭差越小，即，又由于各層厚度相同，所以即，所以，。

說明在渾水入滲過程中，在水流帶動作用下的渾水顆粒進入到了土柱中，改變了土柱中的滲透性能，加強了滲透阻力，以及滲流機械能的損失。

在渾水入滲過程中，水頭差的增幅隨著時間的增加而逐漸減小。在初始階段時，水頭差增幅比較快、也比較大，而后慢慢趨于穩(wěn)定。而且隨著砂柱深度的逐漸增加，水頭差的增幅減小，趨于穩(wěn)定的時間越長。這主要是由于在渾水入滲的過程中，渾水顆粒在進入砂柱的渾水顆粒在上層發(fā)生滯留后，砂柱表層的土體結(jié)構(gòu)逐漸變得密實，形成了一個相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的致密的土層，而后隨著渾水的入滲，這個致密結(jié)構(gòu)的厚度會逐漸增大，所以在初始階段水頭差會快速增大而后逐漸趨于穩(wěn)定。隨著逐漸的密實，密實層上水頭會變大，當水力達到某個程度后，在水力作用下，上層孔隙中沉積的細顆粒會失穩(wěn)，進而變成流動的顆粒進入到深部的砂柱中，這也是第二層和第三層的滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定的時間更長的緣由。

3 結(jié)論

根據(jù)上述試驗，可得到如下結(jié)論。

（1）和清水的入滲相比，渾水入滲過程中的累積入滲量逐漸減小，在入滲介質(zhì)砂柱內(nèi)逐漸發(fā)生了堵塞的現(xiàn)象，阻礙了渾水的滲流。而且渾水濃度越大，堵塞發(fā)生得越快，堵塞的情況也越厲害。

（2）渾水濃度越大，最終的水頭差越大，水頭差趨于穩(wěn)定的時間越短。

說明在初始時刻，渾水入滲過程中，由于砂柱中的顆粒形成的固體骨架中，通道相對較大，也比較通暢，渾水入滲初始階段，渾水顆粒容易進入砂柱中，但是隨著初始時刻大量的顆粒的進入，逐漸占據(jù)了孔隙空間，減小了孔隙喉道，使能通過的顆粒越來越小，從而出現(xiàn)了上層淤堵比下層嚴重的情況以及上層水頭差更大的現(xiàn)象。

參考文獻

[1] 黨發(fā)寧，劉云賀，陳軍強，等.渾水滲流理論及其工程應(yīng)用術(shù)[J].中國科學（E輯：技術(shù)科學），2006，36（9）：1029-1036.

[2] 姚雷，馬吉明，任理.渾身滲入的滯留物分布特征及影響因素分析[J].水力發(fā)電，2004，30（11）：20-23.

[3] 白丹，李占斌，洪小康.等.渾水滲入規(guī)律試驗研究[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5（1）：59-62.endprint