毛细透排水带抗淤堵性能试验.pdf

第8 卷 第4 期 中国水利水 电科学研究院学报 V o 1 ．8 N o ．4 2 0 1 0 ~ Iz l 2 月 J o u r n a l o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r Re s e a r c h D e c e mb e r ， 2 0 1 0 文章编号： 1 6 7 2 — 3 0 3 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 — 0 2 9 4 — 0 5 毛细透排水带抗淤堵性能试验 陈 霄1 ,2 张治晖1 ,2 ， 赵 华 ( 1 ． 中国水利水 电科学研究院 水利研究所 ，北京 1 0 0 0 4 8 ；2 ． 国家节水灌 溉工程技术研究 中心 ，北京 1 0 0 0 4 8 ) 摘要 ：通过对毛细透排水带进行试验 ，测试其抗淤堵性能。在清水和浑水条件下 ，对滤料渗透系数 、毛细透排水 带 与滤料组成的综合渗透系数进行对 比分析 ，结果表明，在清水情况下 ，毛细透排水带 与滤料组成的综合 渗透 系 数是未采用毛细透排水带原滤料渗透系数 的4 0 7 ．0 — 5 4 4 _ 3 ％；在采用浑水进行 2 7 次试验后 ，试验段从上至下4 段 的 综 合渗透系数分别是清水综合渗透系数的4 6 ． 0 ％、5 8 ． 5 ％、6 4 ． 5 ％和 8 3 ． 9 ％。试验表 明毛细透 排水 带能显著 提高综 合 的渗透系数 ，并具 有较好 的抗淤堵性能。 关键字 ：地下水人工补给 ；毛细透排水带 ；抗淤堵性 ；综合渗透系数 中图分类号 ：S 1 5 2 ． 7 2 文献标识码 ：A 地下水人工补给( 又称地下水回灌 ) 的实质就是借助某些工程措施 ，人为地将地表水注入地下含 水层 中 ，以增 加地 下水 的补 给量 、调节 和控 制地 下水 位⋯。供 水水 文地 质手 册编 写组将 地下 人工 补给 分为地面入渗补给 、诱导补给和地下灌注补给 ；K l a u s — D i e t e r B a l k e 等 认为人工 回灌地下水技术分 为坑塘 、管道 、沟渠和井 ；R o s c o e Mo s s 公 司 将人工补水方法分为三类 ：漫渗补水法 、凹坑和井筒 补水法 、注水井。而堵塞问题是地下水人工 回灌存在的主要 问题之一 。任何一种人工回灌都会遇到 回灌设施或 回灌地层堵塞 的问题 。杜新强等 针对地下水人工 回灌堵塞 问题 的研究意义做 了详细的 分析，并认为堵塞问题是制约地下水人工回灌效率的关键因素 。堵塞 的类型大致可分为5 种 ：物理性 堵 塞 、生物堵 塞 、化学 堵塞 、气 相堵塞 和永 久性堵 塞 。N ． A ． B u i k 等 分 析 了 回灌 井 的堵塞 率 。 在 人 工 回补地 下 水 的工 程 中 ，常 规 的渗 水 井 由于 土壤 中 的 细颗 粒 进 入 滤 料 或 过 滤 器 内不 能排 出 ，容 易淤 堵 ，造 成 渗 水 井失 效 。特别 是 回补 层为 弱 含 水层 ，更 是 如此 。毛 细 透排 水 带 利用 毛 细 、 虹吸 、重力以及表面张力 的水份传输机制 ，自动达成 吸水、过滤 、封闭以及导水等过程 ，具有不易 堵塞、主动排水等优点。毛细透排水带可模拟树根之作用 ，将地表水迅速导人土壤 中 ，可将毛细透 排水带置入渗水井中，提高入渗效果。为 了解毛细透排水带 的抗淤堵性能，需测试其在细颗粒物中 的抗 淤堵 效果 ，为 地下水 人工 补 给提供新 型材 料和 新方 法 。 1 试验材料和设备 1 ． 1 毛细透排水带 毛细透排水带系以薄片式软质塑胶为材料 ，宽度 2 0 0 m m，其上开设密集槽沟 ， 槽沟设计为内大外小呈n形状 ，毛细导管直径约为 l mm，沟槽宽度为0 ． 3 ram，如照片 1 、照片2 。毛 细 透排水 带材 料 的力学 性能见 表 1 。 1 ． 2 试验装置和方法采用的试验装置见图 1 、照片 3 ，将毛细透排水带垂直放入内径2 9 6 m m、筒高 2 ． 3 m的 U P V C塑料 圆筒 中 ，分别 采用 清水 和浑水 进行试 验 。 按照《 土工试验方法标准》 进行常水头渗透试验 。浑水采用粒径小于0 ． 0 7 5 m m的土粒配置 的泥浆 重量百分比为0 ． 5 ％。试验将观测在清水情况下 由滤料和毛细透排水带组成的综合渗透系数 ，以及在 浑水情况下的综合渗透系数 随时间的变化过程 。每次充入水的泥浆重量百分 比为0 ． 5 ％，每次试验待 收稿 日期 ：2 0 1 0 — 1 2 — 0 3 基金项 目：“ 十一五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 6 B AD 0 1 B 0 1 ) ；中国水利水电科学研究 院科研专项 ( 节集 0 8 1 0 ) 作者简介 ：陈霄( 1 9 8 4 一) ，湖北黄冈人 ，助理工程师 ，主要从事地下水 开发利用研究 。E — ma il ：x c h e n @1 6 3 ．c o - - - —— 2 9 4 — — 毛细透排水带抗淤堵性能试验 陈 霄 张治晖 赵 华 照片 l 毛细透排水 带 照片 2 毛细排水带剖面 表 1 毛细透排水带拉力试验结果 1 一U P V C管 ，2 一溢流孔 ，3 一 测压 管，4 一毛细透排水带 ，5 一滤料 ，6 一 金属孔板 ，7 一粗砂层 8 一砾石层 ，9 一 渗水孔 ，1 0 一供水管 ，l l 一供水箱 ，1 2 一 调节 管 ，1 3 一滑动架 ，1 4 一取水桶 图 1 淤堵性能试验装置示意 照 片 3淤 堵 性 能 试 验 装 置 测 压管水 位稳 定后 测记 测压 管水 位 ，每 次试 验过 程不 少于 0 ． 5 h 。 试 验 中综 合 渗透 系数按 照常 水头 渗透 系数公 式计 算 ，即 ( 1 ) 式 中：K 为第 i 点与第．『 测压管之间试样 的渗透系数 ，m m ／ s ；f 为时间，s ； Q为在时间 内渗出的水 量 ，m m3 ； 为第 i 点与第 点测： 压管间的距离 l 2 = 3 = 3 4 =L 4 5 = 2 7 0 mm；A为塑料筒的断面积 ， 6 8 8 1 3 mm。 ；H i 为第 i A与第 点测压管之间的水位差 ，m m。 1 ． 3 滤料颗分试验对试验使用的滤料按照《 土工试验方法标准》 G B ／ T 5 0 1 2 3 - 1 9 9 9 进行颗粒分析和渗 透系数试验 ，颗粒分析试验结果见表 2 和图2 ，滤料渗透系数为 1 ． 1 5 m ／ d 。 ．．—— 295 - -— — 毛细透排水带抗淤堵性能试验 陈霄 张治晖 赵 华 表 2 滤料颗粒分析试验结果 粒径 d 范围／ m m 重量 2<d 1<d≤ 2 O．5<d≤ 1 0- 2 5<d ≤ 0．5 0 ．0 75<d ≤ 0．2 5 d ≤ 0．0 7 5 2 2-3 4 - 3 31 ． 0 2 0 4 ． O 2 2 9 ． 0 1 2 1 ． 6 1 妞 豳I 憋 蒸 H ’ 一 、 ＼ 、 、 ＼ 、 、 2 材料抗淤堵试验结果和分析 土粒之粒径／ mm 图2滤料颗粒分布 曲线 2 ． 1 试验结果 在 内径 2 9 6 mm，滤料 d 5 0 为0 ． 2的细砂 内加入宽度 2 0 0 mm的毛细透排水带 ，根据 1 ． 2 中的试验 方法 ，进行 清水 试验 和 2 7 次 浑水试 验 ，试验 结果 见表 3 。 表 3 毛细透排水带清水和浑水试验结果 注 ： 中 和 为测压管编号 ，图 1 中的测压管标号从上到下依次为 1 ～ 5 。 _ _ _—— 2 96 -- -— — 毛细透排水带抗淤堵性能试验 陈霄 张治晖 赵 华 2 ． 2 结果分析从表4 可 以看 出第 1 行，加入毛细透排水带后清水试验的渗透系数与未加毛细透排水 带的原滤料有显著提高 ，分别是原滤料 的4 0 7 ． 0 ％～ 5 4 4 ． 3 ％，说明毛细透排水带加入后对提高土壤的 渗透系数具有显著效果。在 2 7 次浑水试验后 ，加人毛细透排水带后的综合渗透系数与未加毛细透排 水带 的原滤料也有提高 ，分别是原滤料的 2 0 5 ． 4 ％～ 3 4 1 ． 7 ％。说明随着浑水试验次数 的增加 ，毛细透 排水带和滤料组成的综合渗透系数逐渐降低 。 对于在细砂或粉细砂等弱透水地层及干旱地 区进行地下水补给工程 ，毛细透排水带具有很好 的 透水性 ，并且 其 特别 内大外 小 的Q形状 设计 可形 成较好 的反 滤层 ，有 利于水 的进入 。 初加入浑水后 ，水对第 1 — 2 段滤料要产生一定冲击扰动 ，而对其余3 段扰动很小 ，滤料的结构不 会立即发生变化 ，故滤料的渗透系数也不会马上变化。但初加入浑水后 ，毛细透排水带会受到浑水 中细小颗粒的影响，减少输水量 ，从而使得滤料和毛细透排水带组成的综合渗透 系数发生改变。从 表4 和图3 可以看出第 1 — 2 段的综合渗透系数减小幅度较其余 3 段的变化大。 表 4 试 验后渗透 系数 比较情况 注 ： 段 中 i 和 为 测 压 管 编 号 ，图 1中 的测 压 霄 标 号 从 上 到 F依 次 为 1 - 5。 对 试 验 过 程 的 观 测发 现 ，在 装 置 内滤 料 上 层 的砾 石 层 上 出现 了 一层 浑水 中 细颗 粒 形 成 的淤 积 层 ，每 次试 验后 增 加淤 积厚 度 1 ~ 2 m m，并且 随 着试 验次 数 的增 加在 逐渐 的加 厚 。经 过 2 7 次浑 水试 验 后 ，淤积层有 3 0 ～ 4 0 mm厚。毛细透排水带和滤料受到细颗粒淤积层的影响，输水量减少 ，综合渗透 系数 减小 。 针对试验结果 ，分别对试验中的4 段综合渗透系数的变化进行分析 ： 第 l 一 2 段 ：随着试验次数 的增加 ，第 1 — 2 段 的综合渗透系数发生 了较为明显的减小 ，见 图3 。并 且从表 4中可以看出第 2 7 次是第 1 次渗透系数的5 5 ． 8 3 ％。在试验进行中 ，进入滤料中的细颗粒物对 滤料结构产生影响 ，使得毛细透排水带输水量在逐渐减少 ，综合渗透系数降低。 6 鼍4 2 第一测压段渗透系数 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 41 6 l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 28 3 0 试验次数 第四测压段渗透系数 6 薯 2 6 薯 2 第二测压段渗透系数 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 41 6 l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 试验次数 第三测压段渗透系数 6 薯 2 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 41 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 41 6 1 8 2 02 2 2 4 2 6 2 8 3 0 试验次数 试验次数 图 3各 测 压 段综 合 渗透 系数 变 化 情 况 第2 — 3 段 ：综合渗透系数随着试验次数的增加而 出现平缓的减小 ，见图3 。并且从表 4中可以看 出第 2 7 次是第 1 次渗透系数的7 4 ． 8 4 ％。综合渗透系数减小的幅度较第 1 — 2 段要小。 第3 — 4 段 ：综合渗透系数先增大后减小 ，起初滤料 中的细颗粒物随水排出，使得滤料的渗透系数 变大。而后从表4中可以看 出，随着试验次数增加 ，渗透系数出现下降，说明细颗粒物进一步的往下 入渗 ，并 进入 这一层 中。 - - - —— 2 9 7 --— — 毛细透排水带抗淤堵性能试验 陈霄 张治晖赵华 第4 — 5 段 ：此段处在最下层 ，在混水试验 中其综合渗透系数先增大后减小。在开始几次起初滤料 中的细颗粒 物不断随水排出，综合渗透系数变大。随着试验次数 的增加 ，综合渗透系数出现了一段 较为平稳随后出现缓慢的减小 ，出第 2 7 次是第 1 次的综合渗透系数 1 0 7 ． 7 ％。说明综合渗透系数没有 降低 ，也 就是 浑水 中的 细颗粒 物进 入 了这 一层 的量 较其上 部 3 层 要少 。 3 结论 通过对毛细透排水带抗淤堵试验 的结果分析得 出，在清水情况下 ，加入毛细透排水带后与滤料 组成的综合渗透系数是未采用毛细透排水带 的原滤料的4 0 7 ． O ％～ 5 4 4 ． 3 ％，说明渗透系数显著提高 。 采 用浑 水 后 ，综 合 渗透 系数 逐 渐 降低 ，上部 淤 积层 逐 渐增 厚 ，在 进行 2 7 次浑 水试 验 后 ，从 上 至下 4 段的综合渗透系数分别是清水综合渗透系数的4 6 ． 0 ％、5 8 ． 5 ％、6 4 ． 5 ％和8 3 ． 9 ％，说明上部滤料淤堵情 况较下部大。在实际毛细透排水带用于地下水 回灌时 ，经过一定时间后 ，需要对上部淤堵 的部分进 行 清理 。 参考文献 ： [1] [2 ] [8 ] [9 ] 张学真 ． 地下水人工补给研究现状与前瞻[ J ] ． 地下水 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 ) ： 2 5 — 2 8 ． K l a u s - Di e t e r Ba l k e， Ya n Z h u ． Na t u r a l wa t e r p u r i fi c a t i o n a n d wa t e r ma n a g e me n t b y a r t i fi c i a l g r o u n d wa t e r r e c h a r g e [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S c i e n c e ， 2 0 0 8 ， 9 ： 2 2 1 — 2 2 6． 供水水文地质手册编写组 ． 供水水文地质手册 [ M] ． 北 京 ： 地质出版社 ， 1 9 8 3． R o s c o e M o s s 公司著 ， 吴朝玉译 ． 地下水开发手册[ M] ． 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 9． 杜新强 ， 冶雪艳 ， 等 ． 地下水 人工 回灌堵塞问题研究进展 [ J ] ． 地球科学进展 ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 9 ) ： 9 7 3 — 9 8 0 ． 李璐 ， 卢文喜 ， 等 ． 人工 回灌过程 中含水层堵塞实验研究 [ J ] ． 人 民黄河 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 9 ) ： 9 — 1 3． B u i k N A， S n i j d e r s A L． C l o g g i n g o f r e c h a r g e w e l l s i n p o r o u s me d i a [ E B ／ O L ]． ME D I A． h t t p s ： ／ ／ i n t r a w e b． s t o c k — t o n． e d u ／ e y o s ／ e n e r g y s t u d i e s ／ c o n t e n t ／ d o c s ／ F I NAL _P AP E RS ／ 1 3 A ． p d f． 吕清禄 ． 毛细式透排水技术在地下水补注中的应用 [ J ] ． 给水排水动态 ， 2 0 0 6( 2 ) ： 7 - 9． G B ／ T 5 0 1 2 3 — 1 9 9 9 ， 土工试验方法标 准[ S ] ． Expe r i m e nt o n a nt i -c l o g g i n g c a pa bi l i t y o f c a pi l l a r y dr a i n be l t CHEN Xi a o 一， ZHANG Zh i —h ui 一，ZHAO Hu a ’ ( 1 ．D e p t ． o fI r r i g a t i o n a n d D r a i n a g e ，I W HR，B e ij i n g 1 0 0 0 4 8，C h i n a； 2 ． N a t i o n a l C e n t e r ofE f fic i e n t I r r i g a t i o n E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y R e s e a r c h ，B e ij i n g 1 0 0 0 4 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e e x p e rime n t s a l e c o n d u c t e d f o r t e s t i n g t h e a n t i — c l o g g i n g c a p a b i l i t y o f c a p i l l a r y d r a i n b e h i n p u r e w a t e r a n d mu d d y wa t e r r e s p e c t i v e l y ．T h e r e s u l t o f t h e e x p e rime n t s i n d i c a t e， t h a t t h e s y n t h e s i s p e r me a — b i l i t y c o e ffic i e n t o f c a p i l l a r y d r a i n b e l t w i t h fi l t e r i s 4 0 7 ．0 - 5 4 4_ 3 ％o f t h a t o f f i l t e r o n l y ．I n mu d d y wa t e r e x - p e r i me n t ， a f t e r a d d i n g 2 7 t i me s mu d d y wa t e r ， t h e s y n t h e s i s p e r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t o f c a p i l l a ry d r a i n b e l t w i t h fi l t e r a r e 4 6 ．0 ％ ，5 8 ． 5 ％ ，6 4 ． 5 ％ a n d 8 3 ． 9 ％ o f t h a t o f p u r e wa t e r i n 4 s e c t i o n l a y e r s f r o m t o p to h o t 。 t o m． C a p i l l a ry d r a i n b e l t C a p i l l a ry c a n i n c r e a s e t h e p e r me a b i l i t y c o e ffi c i e n t o f fi l t e r ， a n d h a v e b e t t e r a n — t i — c l o g g i n g c a p a b i l i t y ． Ke y wo r d s ：a r t i fi c i a l gro u n d w a t e r r e c h arg e ；c a p i l l a ry d r a i n b e l t ；a n t i - c l o g g i n g c a p a b i l i t y；s y n t h e s i s p e rm e a - b i l i t y c o e m c i e n t -- —— 2 9 8 -—— — ( 责任编辑 ：吕斌秀)