浑水入渗砂柱孔隙水压变化试验

李晓丹++樊疆星++张潜++施禹行

摘 要：浑水渗流的一大特点就是一个非稳定渗流过程，一个不同于变水头渗流的非稳定渗流，地层的渗透路径和整体渗透系数随着时间的增长不断变化，渗流水中的悬浮物也会随着时间的增长不断的沉积。这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性能的影响，洪水在坝前淤积淤泥对绕坝渗流的影响。通过试验，测定了尾矿砂的颗粒级配曲线，主要成分为二氧化硅，又开展了不同入渗水头，不同浑水含沙量，不同级配尾矿砂条件下，浑水渗流的砂柱的试验研究，分析了水头高度随时间的变化情况。

关键词：颗粒级配 浑水渗流 水头高度 实验结果 分析

中图分类号：TV139 文献标识码：A 文章编号：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

我们知道常见的渗流计算都已有比较成熟的渗流理论，比如我们已知的属于清水理论的稳定渗流和非稳定渗流理论。可是，在日常生产实践中，我们经常会遇到涉及到浑水渗流的一些问题，而浑水渗流的一大特点就是一个非稳定渗流过程，一个不同于变水头渗流的非稳定渗流，地层的渗透路径和整体渗透系数随着时间的增长不断变化，渗流水中的悬浮物也会随着时间的增长不断的沉积。这类工程问题有长期浑水灌溉对土壤渗透性能的影响，洪水在坝前淤积淤泥对绕坝渗流的影响，浑水回灌补充地下水时地表渗透性能的变化，防渗灌浆时浆液在地层中的运动状态，粉煤灰水力冲填坝的渗流分析等，因此，研究浑水渗流理论对生产实践具有重要的应用价值。

1 试验概况

1.1 尾矿的粒度成分及矿物成分分析试验研究

1.1.1 试验实施方案

在首钢集团选择典型的尾矿库现场进行尾矿砂的取样，进行并完成尾矿砂的颗粒分析试验和矿物成分分析试验，分析尾矿砂的颗粒级配和矿物组成，在工程力学试验中心完成不同固结状态下尾矿砂三轴应力应变试验，得到尾矿坝的本构模型参数。

1.2 不同入渗水头浑水渗流的砂柱试验研究

1.2.1 浑水入渗淤堵试验步骤设计

（1）当溢流口有水流均匀流出后，打开试验砂柱下端阀门，待渗流稳定后，再开始计时并进行测量。每隔5min记录一次渗流量和各测压管水头高度。清水试验持续1个小时。

（2）清水入渗试验结束后，同时关闭试验砂柱上端和下端的阀门，并将自动搅拌系统中的清水安装好试验仪器，检查完装置气密性后就可以开始试验了。首先打开搅拌机和抽水机以及相关阀门，向砂柱中注入清水，并打开测压管开关，排空砂柱中的空气，使整个被水充满饱和。水排尽，然后向搅拌装置中注入浑水，直到溢流口有均匀水流出时，再同时打开试验砂柱上下端的阀门，并以此时为计时零点开始计时。用水桶在砂柱下端接住渗出浑水，每隔5 min记录一次数据，记录5 min内的累积入渗量，以及各侧管水头高度。对出渗的浑水测量完体积后用矿泉水瓶取样，并做好标放好以便测量其浓度。即随着渗流速度逐渐降低，可以逐渐将时间间隔加长为10 min，30 min。每个浑水试验持续5h。

1.2.2 试验方案

为了考虑不同条件对浑水入渗的作用情况，寻找浑水入渗淤堵机理，分别考虑了不同砂柱粒径、不同水头高度、不同浑水浓度的影响作用效果，通过正交试验并以清水入渗作为对照。试验方案如表1。

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

2.1.1 用筛析法

测得结果如表1所示。

（1）各层筛子上土粒质量。

（2）该土的颗粒级配曲线如图1所示。

2.1.2 试验浑水颗粒的确定

经过几十年的发展，如今的选矿工艺在不断提高，尾矿浆中颗粒的粒径在逐渐减小，有的都达到200目以下，为此选择150目以下粒径（即-0.10 mm）颗粒作为浑水颗粒（表3）。

2.2 试验结果和分析

浑水入渗过程中，由于浑水中有固体颗粒，所以浑水入渗其实是固液两相流入渗，和清水的单相渗流不同，因此在水头高度等方面会与清水不同。

从图2中可得，每组试验中的清水和浑水在入渗过程中的累积入渗量都随着时间的增加而增大，清水入渗过程中，相同时间内的渗流量基本保持不变。在浑水入渗过程中，从试验2、3、4中可以看出，累积入渗量表现出了非线性的特性。从图2中可以看出，浑水的入渗过程与清水入渗的累积入渗量随时间变化曲线图有明显不同。浑水入渗时，渗透流量与渗透初始阶段具有一定的线性关系但时间较短，斜率较清水累积入渗的斜率略小。渗透流量与时间的关系曲线与清水累积入渗曲线随后随着时间的增长逐渐发生偏离。而且入渗浑水的浓度越大，浑水累积入渗曲线与清水累积入渗曲线分离得越快越早，但最终逐渐趋于平稳。endprint

该试验砂柱中共设计了4个侧管水头，将试验砂柱分成了三层，从上到下依次为第一层、第二层、第三层。由于清水入渗表现出了良好的层流特性，所以只记录其第一层的水头差，将试验数据整理得到了如图3所示，水头差随时间变化的关系曲线。

从侧管水头差与时间的关系曲线中可以看出，清水在入渗的过程中，各层水头差都基本保持一致并且恒定，显示出土层的均一性以及清水入渗过程中的稳定性。但浑水入渗则表现出不同的性质，在浑水浓度，水头高度一定时，各层土间的水头差都在随着时间的增长而逐渐增大，且都大于清水入渗时的水头差。而且深度越大，水头差越小，即，又由于各层厚度相同，所以即，所以，。

说明在浑水入渗过程中，在水流带动作用下的浑水颗粒进入到了土柱中，改变了土柱中的渗透性能，加强了渗透阻力，以及渗流机械能的损失。

在浑水入渗过程中，水头差的增幅随着时间的增加而逐渐减小。在初始阶段时，水头差增幅比较快、也比较大，而后慢慢趋于稳定。而且随着砂柱深度的逐渐增加，水头差的增幅减小，趋于稳定的时间越长。这主要是由于在浑水入渗的过程中，浑水颗粒在进入砂柱的浑水颗粒在上层发生滞留后，砂柱表层的土体结构逐渐变得密实，形成了一个相对稳定结构的致密的土层，而后随着浑水的入渗，这个致密结构的厚度会逐渐增大，所以在初始阶段水头差会快速增大而后逐渐趋于稳定。随着逐渐的密实，密实层上水头会变大，当水力达到某个程度后，在水力作用下，上层孔隙中沉积的细颗粒会失稳，进而变成流动的颗粒进入到深部的砂柱中，这也是第二层和第三层的渗透系数趋于稳定的时间更长的缘由。

3 结论

根据上述试验，可得到如下结论。

（1）和清水的入渗相比，浑水入渗过程中的累积入渗量逐渐减小，在入渗介质砂柱内逐渐发生了堵塞的现象，阻碍了浑水的渗流。而且浑水浓度越大，堵塞发生得越快，堵塞的情况也越厉害。

（2）浑水浓度越大，最终的水头差越大，水头差趋于稳定的时间越短。

说明在初始时刻，浑水入渗过程中，由于砂柱中的颗粒形成的固体骨架中，通道相对较大，也比较通畅，浑水入渗初始阶段，浑水颗粒容易进入砂柱中，但是随着初始时刻大量的颗粒的进入，逐渐占据了孔隙空间，减小了孔隙喉道，使能通过的颗粒越来越小，从而出现了上层淤堵比下层严重的情况以及上层水头差更大的现象。

参考文献

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