混合含水介質(zhì)壓密作用下滲透系數(shù)的變化規(guī)律研究

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(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

地面沉降是地質(zhì)工程與地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域全球性難題，地面沉降現(xiàn)象主要由人為開(kāi)采地下水和石油、采礦、自然塌陷、地應(yīng)力變化及土體自然固結(jié)等因素引發(fā)[1-2]。滲透性問(wèn)題則是巖土地質(zhì)研究的關(guān)鍵之一，滲透系數(shù)作為表征滲透性的重要參數(shù)，其演化特性對(duì)砂土的強(qiáng)度與變形有重要影響。近年來(lái)，不同砂土類型所含不同粒徑顆粒對(duì)工程性狀的影響已引起國(guó)內(nèi)外的重視[3-4]?，F(xiàn)今公認(rèn)地面沉降同介質(zhì)的孔隙度存在主要關(guān)系[5-6],多數(shù)研究從各類介質(zhì)與滲透系數(shù)及孔隙度變化關(guān)系出發(fā)[7-10]，并得出了相應(yīng)的結(jié)論。其中，河海大學(xué)的束教授等人進(jìn)行了含水層壓密引起其特征參數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)[11]：滲透系數(shù)隨模擬含水層介質(zhì)壓密過(guò)程的變化幾乎呈線性的減小趨勢(shì)，壓密前后含水層的滲透系數(shù)和給水度發(fā)生了較大的變化，為此領(lǐng)域做出了引導(dǎo)和積極意義。但目前大多數(shù)的研究建立在單一或特定介質(zhì)的比較上[12]，而現(xiàn)實(shí)非均質(zhì)介質(zhì)(不同比例混合介質(zhì))中壓密作用下水力參數(shù)的變化規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。含水介質(zhì)層受到壓密作用后對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)影響較大，尤其是對(duì)其中的滲透系數(shù)有較深影響[13-15]。由此，本文探討不同比例混合介質(zhì)分別在不同的壓密作用下對(duì)滲透系數(shù)所產(chǎn)生的不同影響,借此得出普遍規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，我們選擇制作了不同比例的充填介質(zhì)樣品，充填介質(zhì)分為2種：細(xì)砂和中砂。在實(shí)驗(yàn)中我們先對(duì)細(xì)砂和中砂單獨(dú)進(jìn)行了填充實(shí)驗(yàn)，并將中砂和細(xì)砂按照1:1和2:1比例混合進(jìn)行填充實(shí)驗(yàn)，在混合砂試樣的配比中我們采取了均勻混合的方式。隨后對(duì)這四種砂樣進(jìn)行了研究，探究其在壓密條件下所產(chǎn)生滲透系數(shù)的不同。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)容器采用1 cm厚鋼化透明有機(jī)玻璃柱，內(nèi)徑為200 mm,高1 m(其中模擬含水層0.5 m，反濾層0.2 m，其余為上部高度)，柱體外壁安裝測(cè)量裝置，配有上、下游定水頭控制裝置，并用測(cè)壓管來(lái)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置上、下游的水頭；密紗布設(shè)置在模擬含水層底部，目的是防止試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中漏失；有機(jī)玻璃柱嵌入在鋼化支架內(nèi)，鋼化支架配有施壓裝置，并起到固定實(shí)驗(yàn)柱的作用(見(jiàn)圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將要實(shí)驗(yàn)的砂樣預(yù)先進(jìn)行浸泡處理，目的是維持實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)適當(dāng)壓力，模擬正常情況下水對(duì)砂石的壓力；

(2)向?qū)嶒?yàn)容器內(nèi)部填充水，水從實(shí)驗(yàn)容器頂部進(jìn)入，使其到達(dá)管高一半處后，關(guān)閉水閥；

(3)將飽和的濕砂從管頂慢慢填入，保持模擬介質(zhì)松散的狀態(tài)，直至厚度為500 mm；

(4)向?qū)嶒?yàn)容器內(nèi)部充填水，水從實(shí)驗(yàn)容器頂部進(jìn)入，使水位到達(dá)上游水頭的高度；

(5)調(diào)節(jié)上下游水頭高度，使上游水頭不超過(guò)實(shí)驗(yàn)柱內(nèi)上部出水口，下游水頭不高于砂柱高度；

(6)打開(kāi)水閥，維持飽和水位24 h，模擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)中砂樣穩(wěn)定的狀態(tài)；

(7)24h后，用量筒和秒表測(cè)量下游水頭的流量和時(shí)間，用Darcy公式[15]計(jì)算滲透系數(shù)K，連續(xù)測(cè)三組數(shù)據(jù)，取其平均值；

(8)每完成一組實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)外界施壓裝置將模擬含水介質(zhì)均勻壓密1 mm，重復(fù)步驟(5)-(7)，獲取新的一組滲透系數(shù)K；

(9)當(dāng)含水介質(zhì)達(dá)到壓密裝置的最大壓密能力時(shí)，本組實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)主要獲取在不同壓密條件下模擬含水介質(zhì)的滲透系數(shù)變化，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，重力對(duì)砂的影響超過(guò)預(yù)期，由此對(duì)單一砂樣做了長(zhǎng)時(shí)間的模擬實(shí)驗(yàn)。隨后對(duì)不同壓密條件下的不同砂樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.1 壓密與滲透系數(shù)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)壓密階段以毫米為單位，通過(guò)外界施壓裝置將模擬含水介質(zhì)均勻壓密，然后在壓密介質(zhì)上進(jìn)行達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)，每壓密一次獲取一組滲透系數(shù)K，重復(fù)步驟直至含水介質(zhì)達(dá)到壓密裝置的最大壓密能力為止。測(cè)得數(shù)據(jù)后整理成曲線圖表如圖2，由圖表可知：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，四種介質(zhì)表現(xiàn)出的滲透系數(shù)差異，主要受到粒徑的級(jí)配及其排列方式的影響，結(jié)果顯示平均直徑越小滲透系數(shù)越小，平均直徑越大滲透系數(shù)越大，越容易透水。

在對(duì)模擬含水介質(zhì)施壓逐級(jí)增大的情況下，滲透系數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。相同的實(shí)驗(yàn)條件下，不同粒徑的砂樣壓密高度越小時(shí)其滲透系數(shù)的變化程度越大，壓密到一定程度時(shí)，不同粒徑的含水介質(zhì)滲透系數(shù)變化緩慢；中砂、細(xì)砂、混合砂的滲透系數(shù)在壓密條件下滲透系數(shù)逐漸減小，且減小速率逐漸降低。

圖2 壓密過(guò)程中滲透系數(shù)K與壓密高度h關(guān)系曲線

在壓密過(guò)程后期，滲透系數(shù)的變化曲線斜率減小，曲線越來(lái)越平緩，中砂滲透系數(shù)的變化最明顯。在施加壓力時(shí)砂粒之間的孔隙逐漸變小，排列方式也有一定的變化，施加壓力引起儲(chǔ)水空間損失，外界施加的壓力引起介質(zhì)顆粒之間摩擦力增大，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒之間的空隙愈難被壓縮，進(jìn)而降低了對(duì)滲透系數(shù)的影響。

2.2 砂樣種類與滲透系數(shù)的關(guān)系

含水介質(zhì)的滲透系數(shù)，主要是受砂粒本身顆粒級(jí)配及其排列方式的影響。即平均粒徑越大、排列越松散，介質(zhì)孔隙越大、滲透性越好。因此中砂滲透系數(shù)大于細(xì)砂。在模擬含水介質(zhì)壓密之后，滲透系數(shù)呈線性下降，反映出含水層透水性的規(guī)律變化。主要原因是由于壓密過(guò)程中砂樣的空隙變化。在逐步壓密過(guò)程中，模擬含水介質(zhì)的空隙逐漸減小，以致模擬含水介質(zhì)的透水性下降。四種模擬含水介質(zhì)都符合該變化規(guī)律，四種砂樣的空隙在壓縮中都是明顯且易被改變的。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在壓縮后中砂的滲透系數(shù)仍大于壓縮后細(xì)砂的滲透系數(shù)。

在細(xì)砂和中砂混合含水介質(zhì)的壓密實(shí)驗(yàn)中，細(xì)砂與中砂的混合使砂樣密實(shí)，從而改變了原有的大空隙。由圖2知，混合砂的滲透系數(shù)介于中砂和細(xì)砂之間，且滲透系數(shù)傾向于粒徑較小的介質(zhì)。細(xì)砂和中砂的混合比例決定了其空隙變化的程度，實(shí)驗(yàn)中中砂和細(xì)砂按照1：1比例混合的混合砂滲透系數(shù)明顯小于2：1比例混合的混合砂滲透系數(shù)，說(shuō)明細(xì)砂和中砂按照1:1比例混合的混合砂，砂粒之間空隙更小。即細(xì)砂在此比例中更易填補(bǔ)中砂空隙，從而改變?cè)局猩暗臐B透性質(zhì)。

壓密過(guò)程中四種含水介質(zhì)K-h曲線的中間部分出現(xiàn)比較平緩的一段，分析可知，這應(yīng)當(dāng)為砂樣空隙基本壓密的情況，滲透系數(shù)改變甚少，但在砂樣骨架開(kāi)始遭受破壞后，其滲透系數(shù)又開(kāi)始逐漸下降[11]。故砂樣骨架的破壞程度對(duì)模擬含水層的滲透性質(zhì)也有非常大的影響。

圖2中四條曲線后段的曲率略有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明在壓密過(guò)程中，四種含水介質(zhì)受壓縮作用所產(chǎn)生的變化逐漸減小。由此知含水介質(zhì)的壓縮及滲透參數(shù)是在有限的范圍內(nèi)改變的。

2.3 重力影響與滲透系數(shù)的關(guān)系

理論分析表明，含水介質(zhì)的孔隙大小對(duì)滲透系數(shù)起主要作用。在各砂樣未被壓密之前，由于水流方向從上至下，在重力作用下，介質(zhì)中的細(xì)顆粒隨水流向下進(jìn)行運(yùn)移，充填入大的顆?？障吨?，從而使底部砂樣整體的孔隙減小。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)模擬含水介質(zhì)中的這種重力作用被放大，進(jìn)而使底部含水介質(zhì)不斷密實(shí)，滲透系數(shù)有明顯的下降趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 未施壓各砂樣滲透系數(shù)K-天數(shù)d關(guān)系曲線

用線性趨勢(shì)線擬合，決定系數(shù)R2(R2為相關(guān)系數(shù))為0.845 2～0.885 5。細(xì)顆粒的運(yùn)移直接導(dǎo)致顆粒排列更緊密、顆粒間孔隙空間減小，滲透系數(shù)隨之減小。在相同實(shí)驗(yàn)條件下四種砂樣滲透系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，但下降速率各不相同，重力對(duì)不同砂樣的影響也不同，下降速率具體表現(xiàn)為：

中砂>混合砂(中砂：細(xì)砂=2：1)> 混合砂(中砂：細(xì)砂=1：1)>細(xì)砂。

這是由于砂樣中粒徑較小顆粒越多，其越容易向下發(fā)生運(yùn)移，填充入顆粒空隙之間。未施壓情況下，每種砂樣所測(cè)得的滲透系數(shù)都是前期下降速度快，后期下降速度趨緩。其原因?yàn)榍捌诮橘|(zhì)上部細(xì)小顆粒較多，小顆粒向下運(yùn)移，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，由于砂樣內(nèi)部的不規(guī)則排列，細(xì)小顆粒向下運(yùn)移需要克服的阻力越來(lái)越大，同時(shí)細(xì)小顆粒填充入孔隙后，會(huì)使透水路徑減少，對(duì)水質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)產(chǎn)生阻力，從而導(dǎo)致了透水能力的減弱，滲透系數(shù)下降速率越來(lái)越慢。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著模擬含水介質(zhì)的壓密，滲透系數(shù)幾乎成線性減小。而且，隨著壓密程度的增加，不同介質(zhì)的滲透系數(shù)變化程度不同。其中，變幅最大的為中砂，其次為混合砂(中砂：細(xì)砂=2：1)，之后為混合砂(中砂：細(xì)砂=1：1)，變幅最小的為細(xì)砂。

(2)對(duì)于混合砂，隨著粒徑較小介質(zhì)的比例增加，滲透系數(shù)在不同程度上傾向于粒徑較小的介質(zhì)。

(3)含水層透水能力主要取決于介質(zhì)粒間空隙大小和多少等因素。

(4)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)看，含水介質(zhì)從無(wú)壓到有壓的過(guò)程致使介質(zhì)壓密，滲透系數(shù)減小，含水介質(zhì)的透水能力減弱。由于水力梯度以及重力因素的影響，導(dǎo)致介質(zhì)中的細(xì)小顆粒沿空隙向下運(yùn)移，使得所測(cè)滲透系數(shù)值逐漸變小，并導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間加長(zhǎng)。因此含水層介質(zhì)其他水理性質(zhì)的變化，后續(xù)仍需繼續(xù)進(jìn)行深入研究。