减压井化学淤堵试验研究

张 伟，张家发，孙厚才

20世纪60年代以来，我国水利工程建设中采用减压井或排水孔作为排水措施，在实际工程中发挥了很好的作用，然而，部分工程的减压井由于淤堵而在使用几年后就大大降低了减压效果［1］。有些研究者从化学淤堵角度去解释减压井减压效果降低的原因并进行了试验研究［2～6］，指出减压井周边砂层中含有的可还原溶解的针铁矿、方解石为减压井化学淤堵提供了物质条件，在渗水中检测到铁和钙等成分，据此推断这些物质随着水流流向减压井并可能淤堵减压井反滤层。有的学者通过分析排水孔和减压井井口析出物成分解释这些排水设施淤堵的原因［7，8］，归纳分析了这些析出物的来源以及对减压井、排水孔排水效果的影响。1998年大水后，针对长江堤防减压井的应用情况进行了现场调研［9，10］，表明减压井淤堵是客观存在的，也是减压井应用必须解决的一个关键问题。为此，在2000－2008年间对减压井淤堵的各种形式进行了系统的模拟试验研究［6，11］，从不同角度研究了减压井淤堵机理。本文重点阐述了减压井化学淤堵中所发生的氧化还原反应，并以模拟实验为基础，从氧化还原角度解释了减压井的化学淤堵机理，比较了不同还原条件对减压井化学淤堵的影响。

1 试验设计

1．1 试验目的

针对现场实际取得的基础粉细砂和反滤料，用葡萄糖溶液为模型试验提供一种还原条件，测定不同位置的氧化还原电位、含铁量以及系统渗透系数，并比较不同葡萄糖溶液浓度即不同还原条件的影响。重点分析砂样和反滤料中铁的溶解 运移 吸附 沉淀规律，并与实际减压井产生的化学淤堵现象进行比较，从氧化还原角度解释减压井的化学淤堵机理。

1．2 试验模型设计

图1 垂直渗透试验模型Fig．1 Test model of vertical permeation

实际工程中减压井水流方向是水平的，水流沿着减压井径向方向水平流向减压井。为了直接观察流水中携带的化学淤堵物对减压井反滤层的淤堵状况，并考虑试验中淤堵物来源有限以及易于在反滤层淤堵，用垂直向上渗流代替实际水平渗流。埋于地下的基础粉细砂缺乏与大气接触，一般处于一种还原条件，试验中用葡萄糖溶液来模拟还原条件，渗透试验模型见图1。模型主要由上游进水室、砂样、反滤料、测压系统等组成。A，B，C，D为 4个观测点（其中D为下游渗水），可以分别测量沿程液样的氧化还原电位和含铁量。作为比较试验，还进行了不同试样直径的垂直渗透试验，其中通过改变不同葡萄糖溶液浓度来提供不同的还原条件（第二组试验），分析不同还原条件对减压井化学淤堵的影响。

垂直渗透试验模型是沿减压井径向方向切出的一块试样，考虑了减压井反滤层，并采用葡萄糖溶液提供一种还原条件，较好地模拟了减压井运行环境，通过分析基础砂的氧化还原电位、含铁量变化以及渗水中含铁量等，从一定程度上模拟了减压井化学淤堵过程，验证了减压井化学淤堵中发生的氧化还原反应。

1．3 试验方法

试验分为两组，第一组试验模型如图1，试验历时70 d，控制渗透比降小于1。试验仪器直径179 mm，细砂装填厚度340 mm，反滤层厚度30 mm，并布置了A，B，C，D共4个测量点。采用葡萄糖溶液（1‰）从下向上渗透，定期测定A，B，C，D这4点的氧化还原电位和含铁量。具体测量方法是，停止渗透，从上述4点获取液样，然后测定液样中的氧化还原电位（En）、含铁量。

第二组试验作为第一组试验的比较，试验历时70 d，试验装置与图1类似，不同的是没有安装A，B，C测量点，试验仪直径为30 mm，试验具体情况见表1。采用不同浓度葡萄糖溶液来模拟不同还原条件，并进行连续渗透试验，比较葡萄糖浓度对淤堵的影响。

表1 第二组试验基本情况表Table 1 Situation of the second group test

1．4 试验测试内容

第一组试验主要内容包括：不同部位的氧化还原电位、渗透水中的含铁量测量分析；试验结束后取不同位置砂样和反滤料，测量其中的含铁量，分析铁的溶解- 运移- 吸附- 沉淀过程。

第二组试验测试系统渗透系数，对比分析不同葡萄糖溶液浓度对系统渗透系数的影响，从渗透系数过程线来分析减压井是否产生淤堵；试验结束后取不同位置砂样和反滤料，测量其中的含铁量，来分析铁的溶解- 运移--吸附- 沉淀过程。

2 试验结果及分析

2．1 氧化还原电位测试结果与分析

第一组试验测定了沿水流方向A，B，C共3点的氧化还原电位（En），结果见图2。

图2 氧化还原电位与时间的关系曲线Fig．2 The curve of redox potential and time

从图2的结果看，测得的氧化还原电位在68．5～111．8 mV之间，小于300 mV，试样处于还原条件，说明葡萄糖溶液为砂样提供了一个还原环境。试验初期，沿水流方向氧化还原电位增加，说明还原性逐步降低，20 d左右达到峰值。随着氧化物质的减少，还原反应在逐步减弱，氧化还原电位逐步降低，并有达到稳定的趋势，稳定的氧化还原电位在70～80 mV之间，砂样全部处于还原状态，基础细砂中的铁和钙被还原出来而溶解于地下水中，水中的铁以低价形式存在，发生的还原反应如式（1）至（2）。渗水中含铁量测试结果也说明了基础细砂中有铁还原溶解于地下水。

渗水透过反滤层流向出口，接触空气后，水中低价铁氧化为高价铁，在下游水面产生了红色膜以及反滤料表面颜色变黑的现象，主要是渗水接触大气后产生氧化反应以及生物活动造成的污垢吸附沉淀在反滤料表面所致，这一点说明了减压井化学淤堵的溯源性。渗水流出接触空气后发生如下氧化反应，见式（3）至（6）。

由于压力的释放，发生如下反应：

与空气中的氧进一步产生氧化反应：

其中产生的Fe2O3·3H2O为吸附物，将吸附在减压井管壁上，产生的 Ca（OH）2和 Fe（OH）3沉淀物，沉淀于减压井周边，部分沉淀物可能向减压井反滤层回灌。

将渗透水装在烧杯中搁置在空气中，一月后发现烧杯底部出现红色沉淀物，烧杯壁上也吸附了红色物质，表明基础砂中铁被溶解随水流带出，在空气中氧化形成了吸附和沉淀。由于试验为连续渗流，在反滤层中没有形成吸附或沉淀，实际减压井间歇运行时，这些吸附多与实际减压井井口周边红色沉淀物（图3）和井壁管红色吸附物（图4）类似。试验现象也说明了实际工程减压井出现的一些淤堵状况。

图3 井口周边红色沉淀物Fig．3 The red deposit around the well circumference

图4 井口管壁红色吸附物Fig．4 The red absorbed materials on the pipe wall of the well circumference

2．2 渗水中含铁量测试结果与分析

在第一组试验中，在测氧化还原电位的同时，对液样中的含铁量也进行了测试，结果见图5。第二组试验仅测试了下游出口液样中的含铁量，结果见表2。

图5 不同部位液样中含铁量与时间关系曲线Fig．5 The curve showing of iron quantity in different sites and times

表2 第二组试验液样中含铁量测试结果Table 2 Iron quantity in liquid sample of the second group test mg／L

图5结果表明，A，B，C，D这4点测到的水中含铁量随着时间的增加而增加，说明基础粉细砂中的铁被不断地还原出来而溶解于葡萄糖溶液中，证实了基础粉细砂在葡萄糖溶液提供的还原条件下产生的还原反应（见上式（1）～（2）），并有逐渐达到稳定的趋势。然而3点测试得到的含铁量相对关系还不能得到很好解释。

从表2可见，随着试验时间的延长，砂样中铁被越来越多地还原出来，这样，测得的下游出口液样中含铁量有所增加，进一步证实了上述基础粉细砂中铁被还原溶解于水的现象。水中含铁量与葡萄糖溶液的浓度关系不明显。

2．3 砂样含铁量测试结果及分析

第一组试验结束后，对反滤料和砂样进行了分层取样，测定其中含铁量，结果见表3。第二组试验结束后，对反滤料、泡沫过滤体及砂样进行了取样，测定其中含铁量，结果见表4。反滤料和砂样试验前的含铁量分别为0．15%和1．32%，泡沫过滤体主要成分是聚氨脂，本身不含铁。

表3 第一组试验结束后反滤料和砂样中含铁量测试结果Table 3 Iron quantity in filter materials and sand sample after the first group test %

表4 第二组试验泡沫过滤体、反滤料及砂样含铁量测试结果Table 4 Iron quantity in bubble filter，filter materials and sand sample of the second group test %

从表3的结果看，由于整个试验中的渗透水都处于还原状态，反滤料中的总铁量降低，反滤料中原有的铁被溶解出来随渗透液样带走，说明流动液样中的铁没有造成减压井反滤层的淤堵。对比分析砂层中含铁量的变化发现，砂样下部含铁量降低较多，中上部降低较少，说明葡萄糖溶液的还原能力沿渗流方向逐渐降低，表明液样从砂层中还原铁的能力指向减压井方向逐步减弱。

表4结果表明，泡沫过滤体中含铁量最高的达到2．41%，说明泡沫过滤体对铁的吸附作用是明显的。在葡萄糖溶液渗透下砂样和反滤料均处于还原状态，测得的含铁量一般低于砂样和反滤料自身含铁量的1．32%和0．15%（WHY1试验砂样含铁量有些异常，目前还不知道产生此种结果的原因）。这说明反滤料和砂样中的铁处于溶失状态，反滤料受到铁淤堵的可能性极低。泡沫过滤体上面红色吸附物主要来自渗透液液面氧化产生的铁氧化物，而不是反滤料或过滤体对渗水中化学物质的过滤产生淤堵，进一步说明了减压井化学淤堵的溯源性。

2．4 渗透系数测试结果与分析

第二组试验测试了不同葡萄糖浓度条件下系统渗透系数，部分试验结果见图6。

图6 WHY1渗透系数过程线图（2002年）Fig．6 The process curve of WHY1 permeability coefficient

从渗透系数过程线看，系统渗透系数初期降低，是因为试样有一个密度的调整过程（试验中发现砂样有一定的沉降）。20 d后，系统渗透系数基本稳定，结合砂样和反滤料含铁量分析结果，表明砂样和反滤料在连续渗透作用下没有产生淤堵。

3 结 语

（1）试验模型中考虑基础砂样与减压井反滤层的组合，且在不同试样部位设置监测点，揭示了减压井的实际淤堵过程。

（2）基础砂样与减压井反滤层组合试验结果表明，减压井反滤层在减压井连续渗流中也处于还原状态，不会产生化学淤堵，减压井化学淤堵主要集中在减压井间歇运行期。

（3）基础粉细砂中含有的针铁矿、方解石为减压井化学淤堵提供了物质条件；长期处于与大气隔绝的地下水为其溶解提供了还原条件；开敞的减压井为其提供了运移条件。渗水与大气接触，发生氧化反应使渗水中铁氧化，产生吸附和沉淀，再回灌到减压井滤网和反滤层中，形成对减压井的化学淤堵，这表明减压井化学淤堵具有很强的溯源性。模拟试验揭示的试验现象与实际减压井出现的现象一致，表明试验结果揭示的减压井淤堵机理是合理的。

（4）基于减压井化学淤堵溯源性的特点，长江科学院设计了过滤器可拆换新型减压井，取得了专利权，并应用于安庆江堤、荆南长江干堤加固工程中，连续几年的跟踪观测和现场多次起拔试验、抽水试验已经表明，设计思路正确，运行效果良好，同时也验证了本文的试验成果。

［1］ 吴昌瑜，张 伟，孙厚才．减压井淤堵机理研究现状［J］．长江科学院院报，2005，22（2）：60－62．

［2］ 孙厚才，伍碧秀，王幼麟．荆江大堤减压井物理化学淤堵试验研究［J］．水文地质工程地质，1990，（6）：15－17，60．

［3］ 肖振舜，汪在芹．减压井灌淤机理的物理化学试验研究［J］．水利学报，1994，（1）：19－25．

［4］ 曹 刚．长江干堤减压井淤堵的成因分析及防治措施的探讨［J］．泥沙研究，1994，（1）：17－23．

［5］ 张家发，张 伟，李思慎．堤防工程减压井淤堵及其应对措施研究［J］．长江科学院院报，2006，23（5）：24－28．

［6］ 孙厚才，付礼英．荆江大堤减压井的淤堵及修复［J］．武汉水利电力大学学报，1993，（1）：64－68．

［7］ 孙厚才，杨本新．葛洲坝3号船闸基础排水廊道固体析出物研究［J］．人民长江，2008，（14）：86－88．

［8］ 蒋顺清，熊官卿．龙河口水库坝后渗出物的试验研究［J］．长江科学院院报，1991，8（1）：52－58．

［9］ 张伟，孙厚才，肖利．减压井研究现状和现场调研与试验研究报告［R］．武汉：长江科学院，2003．

［10］张 伟，丁金华，许继军．国外减压井有关问题译文［R］．武汉：长江科学院，2002．

［11］张 伟，许继军，张家发，等．堤防工程减压井淤堵及其应对措施研究［R］．武汉：长江科学院，2006．