弱透水粘性土层的膜性能试验结果分析

高宗军，于　晨，郭海朋，冯建国，王　敏，张洪英，刘久潭

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

弱透水粘性土层的膜性能试验结果分析

高宗军1，于晨1，郭海朋2，冯建国1，王敏1，张洪英1，刘久潭1

(1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

[摘要]为了验证咸水通过越流的形式透过弱透水层向淡水层运动时可能存在对盐类物质的过滤、阻滞现象，设计对原状粘性土进行高压渗滤试验的装置，对所取得的河北任丘南部五里铺100 m深度左右的原状粘性土进行膜性能试验。试验结果初步显示，在30～70 m水标的压力差驱使下，透水的粘性土层具有对盐类物质的过滤作用10 cm土柱滤盐达20%～25%，对土样的，含盐量透水性变化等有待进一步试验研究。

[关键词]粘性土层；膜性能；试验；结果；分析

1概述

我国华北平原地下水资源十分丰富，但由于第四纪以来该地区、特别是其中东部地区经历了若干次海侵海退事件，造成该区不同埋藏深度咸淡水含水砂层交互出现的局面[1]。尤其是山东菏泽地区，地表或深度50 m以下至280 m深度的第四系地下水均为咸水，自20世纪后半期开始，人们大量开采深层淡水以满足工农业及生活需要，因而淡水含水层出现了区域性的地下水位降落漏斗，菏泽地区由原来的埋深28m以浅变为目前的100 m以下，致使与相邻的上下咸水含水层中的地下咸水形成了巨大的水头差，从而形成大面积的咸水向淡水补给的越流区域。这种巨大的越流量已经从地下水开采量及其水位动态等多方面得到了证实，但是淡水层中的地下水并没有像咸淡两种水掺混后所得到的那样咸，至少变咸的程度上远远低于预期。究其原因可能是由于咸淡水含水层间“弱透水”的粘性土层具有膜的滤盐性能造成的，即华北地区500 m以浅的淡水含水层中的地下水被大量开采后，其上下咸水含水层中的“咸水”在压力差的驱使下，透过粘性土层向其补充时，大量盐类物质被“阻挡”在咸水含水层一侧或滞留在弱透水层中，从而使得淡水含水层中的地下水没有快速变咸。作者即基于这样的设想，通过自主研发的试验装置，开展了模拟现状条件的高压(0.2～0.6 MPa)原状粘性土的膜功能试验。本文即对前期所做的部分试验结果做简单的介绍，以期与同行交流共勉。

国外研究人员对有关粘性土的膜性能试验研究较早，Whitwort，Fritz，Kemper等曾做过粘土和页岩的膜性能试验[5-7]，Young和Low在实验室证明了原状粘土和粘土页岩具有化学渗透的膜性能[8]，Henning等发现来自美国某施工现场的膨润土和垂直屏障土具有膜的性能[9]。国内学者在这方面研究较少，左文喆等通过一系列试验研究发现无论是扰动黏性土还是原状土都具有一定的膜性能，但实验条件下不能起到对盐分的截留作用[10-12]。本文以为这样的结论的得来，可能是由于人为扰动后重新装填土柱破坏了原有的土的结构，或者是由于原状土柱又过于单薄或片状化造成膜功能太小以至于不能够观察的原因。所以作者克服了这些弱点，采用较大规格的原状粘性土柱，并在施加较大围压的情况下，完成了模拟现状条件的假三轴土柱渗透试验。

2样品采集与加工

本次试验共完成渗透试验2组，样品采于河北省任丘南五里铺村施工的全取芯综合水文地质工程地质钻探孔。1#样品取样深度为90.60～90.90 m，岩性为粘土；2#样品取样深度为119.5～119.8 m，岩性为砂质粘土。

试样以岩心采集后蜡封密闭，使之保持天然湿度状态。试验前开封，利用铣床将样品加工至标准的圆柱体，2组样品的大小规格见表1所示。

表1　试验样品基本情况

3试验要求与器材改进

众所周知，相对于透水性较好的砂层或砂砾石层而言，粘性土具有隔水的效果。所以在1980年以前或更早些时候，人们将自然界里不同的岩层分为隔水层和含水层两大类。而在之后发现，通常认为的隔水层并非是绝对隔水的，而是在一定压力差的驱使下能够透过少量的水，从而引出了弱透水层的概念，进而提出了地下水系统的观念，这些也为József Tóth于1963年及其之后提出的地下水流系统理论[2，3，4]提供了证据，近年来也为国人所普遍接受[13-16]，并取得了一些成果。即粘性土也是可以透水的。

通常，人们将渗透系数小于10～5 cm/s的松散介质称为粘性土。渗透系数的获得，除了在野外进行水文地质试验外，还可以在室内通过达西试验取得。然而，达西试验是在水压力差不大的情况下来完成的，一旦压力差达到了1 KPa以上，松散物就会出现局部团聚及裂痕等不连续现象。而且达西试验的装置内需要充填的是松散的颗粒，不能够加装原状的土样，尤其是无法模拟地下几十米以下岩土所处的环境。为了模拟这种环境，必须对现有的设备进行改进，使其具有承受MPa级的压力、又不能够破坏岩土的结构及渗透和膜性质，因而作者设计完成了一种能够测试原状岩土渗透性及膜性能的假三轴高压试验装置(已结申请专利)。

4试验过程及结果

在此介绍的是两次试验的结果，以下将分别予以介绍。

4.11#样品膜性能试验

1#样品膜性能试验于2015年1月29日～2015年1月31日完成。样品为直径85 mm，高度100 mm的原状圆柱形土柱，采自河北任丘五里铺村深度90.60～90.90 m处。

【试验条件】

轴压0.150～0.450 Mpa;围压0.310～0.575 Mpa;室温11.0℃，水温15.9 ℃。 入水为咸水，咸水溶液按照10 g/lNaCl的浓度配制(滴定实测时不足9 g/L，见表2)。

【试验记录】

2015年1月29日16:10开机实验，由压力表每5min观察记录进水压力和围压的数值变化及渗滤液出水口的情况。20:30开始将观察记录时间间隔加大为10 min。实验过程中，轴压围压缓慢上升。

试验进行7 h50 min(470 min)即30日00:00开始出现渗滤液流出，之后每一小时取样测量，每9 h为一批次收集，共收集5个批次。实验时间历时约50 h(2 980 min)，最终得到总体积为162.5 ml的渗滤液。

以意大利山洪预警系统为例，欧盟一些国家所建设的山洪预警系统主要包括三个方面的内容：一个可视化的便于操作的平台；具有不同功能的模块，包括服务器优化计算分析模块，实时数据接收和存储模块，雷达数据管理和处理模块；综合形成预警信息的决策信息生成系统。在监测预警系统建设中，欧盟非常重视基础工作，例如建立相对比较详细的自然和社会经济数据库，开展降雨与流量的耦合监测和分析，进行山洪灾害事件现场调查和数据整编入库等。

轴压、围压及渗滤液体积随时间的变化情况见图1。图中渗滤液量为每小时的量，即ml/h。

图1　1#样品试验轴压、围压及渗滤液量随时间变化

由图1可见，轴压压力值随围压压力变化而变化，围压越大，轴压越大。且渗滤液的量也随着压力的增大而增大，符合正常的规律，试验结果是可信的。

之后采用AgNO3溶液滴定法进行了NaCl浓度测定，测定结果见表2所示。结果可知，相比于原溶液，渗滤液中NaCl浓度呈现下降趋势。若将此作为盐量的去除量，则该10 cm土柱的NaCl去除率约为0.25，或25%。

另外，根据渗滤液量与压力、样品的截面积等参数，采用达西定律计算方法，计算得出该粘性土的渗透系数值为：K=7.12E-08 cm/s。

表2　1#样品试验渗滤液NaCl浓度测定结果统计表

4.22#样品膜性能试验

2#样品膜性能试验于2015年2月3日～2015年2月6日进行。 样品为直径79 mm，高度100 mm的原状圆柱形土柱，采自河北任丘五里铺村深度119.5～119.8 m处。

【实验条件】

围压：0.480～0.618 Mpa；轴压：0.330～0.615 0 Mpa ；室温14.0℃，水温16.0℃。入水为咸水，咸水溶液按照10 g/L的浓度配制。

2015年2月3日21:00试验开始，由压力表每五分钟观察记录进水压力和围压的数值变化及渗滤液出水口的情况。至2月4日00:30开始将观察记录时间间隔加大为10 min。试验过程中，轴压围压缓慢上升。

试验进行6 h40 min(400 min)，于2月4日03:40渗滤液开始流出，之后每隔1 h取样测量，每8 h为一批次收集，共收集7个批次。试验持续时间3 700 min，约61 h40 min，最终得到总体积为200.05 ml的渗滤液。

轴压、围压及渗滤液体积随时间的变化情况见图2所示。图中渗滤液量为每小时的量，即ml/h。

需要说明，2015年2月5日17：00左右围压压力表读数出现异常。直至实验结束，读数固定0.643 Mpa不变。经分析，压力表出现问题，而非实验现象，故之后围压数据并未读取，造成图示围压变化曲线缺失。

由图2可见，与1#样品的试验相同，轴压压力值随围压压力变化而变化，围压越大，轴压越大。且渗滤液的量也随着压力的增大而增大，因而试验结果是可信的。

与1#样品的试验一样，之后采用AgNO3溶液滴定法进行了NaCl浓度测定，测定结果见表3所示。结果可知，相比于原溶液，渗滤液中NaCl浓度亦呈现下降趋势。若将此作为盐量的去除量，则该10 cm土柱的NaCl去除率约为0.2，或20%，较1#样品为小。

图2　2#样品试验轴压、围压及渗滤液量随时间变化

但是根据渗滤液量与压力、样品的截面积等参数，采用达西定律计算方法，计算得出该砂质粘土的渗透系数值为：K=3.71E-08 cm/s，较1#样品求得的数值偏小1倍左右。究其原因可能有二：一是压力表的精度存在误差，二是2#样品非均质程度较大，影响了其渗透能力。

表3　2#样品试验渗滤液NaCl浓度测定结果统计表

5结果讨论

通过对采自河北省任丘市南五里铺村100深度左右的两个原状粘性土样品的高压膜性能试验可知，在30～70 m水柱的水压力差驱使下，弱透水的粘性土层具有对盐类物质的过滤作用，即粘性土层具有“滤盐”的效果，10 cm土柱、压力差30～70 m水柱下，滤盐率20%～25%，效果显著。

但是这种客观上的“滤盐”效果，有可能存在以下两种情况：一是如本文所介绍的膜性能引起，会导致咸水中的盐类物质积累于咸水一侧，造成咸水更咸，即盐度增加；另一种可能是由于粘性土层中粘性土颗粒对盐类物质的吸附或化学沉淀引起的。

所以，由于尚未对试验粘性土样品的结构改变、含盐量变化、透水性指标进行鉴定，对试验样品顶端溶液中是否有NaCl积累情况也不明确，因而上述结论尚需通过进一步的试验予以验证。

参考文献

[1]吴爱民，李长青，徐彦泽，等.华北平原地下水可持续利用的主要问题及对策建议[J]. 南水北调与水利科技.2010,8(6):110-114.

[2]Tóth J. A Theoretical Analysis of Groundwater flow in Small Drainage Basins[J]. Journal of Geophysical research,1963,68(16):4795-4812.

[3]Tóth J. A theoretical analysis of groundwater flow in small drainage basis[J]. Journal of Geophysical research, 1963, 68(16): 4795-4812.

[4]József Tóth. Hydraulic continuity in large sedimentary basins[J]. Hydrogeology Journal, 1995, 3( 4)：4-16.

[5]Whitworth T M, Fritz S J. Electrolyte-induced solute permeability effects in compacted smectite membranes. Applied Geochemistry [J]. 1994, 9: 533-546.

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[11]左文喆，徐叶净，等. 粘性土膜效应的实验研究[J]. 离子交换与吸附.2013, 29(6): 551-560.

[12]左文喆，徐叶净，等.扰动黏性土膜效应的实验研究[C].全国苦咸水淡化技术研讨会论文集.2013,18-153.

[13]梁杏，张人权，靳孟贵.地下水流系统—理论 应用 调查(M).北京：地质出版社.2015.03.

[14]蒋小伟.盆地含水系统与地下水流动系统特征[D]. 北京：中国地质大学.2011.

[15]高宗军.地下水流系统分异的试验演示及其意义[J]. 山东科技大学学报(自然科学版).2013，32(2)：17-24.

[16]高宗军.抽水井附近地下水流运动特征[J].山东科技大学学报(自然科学版).2014,33(3)：11-19,37.

[收稿日期]2016-03-08

[作者简介]高宗军(1964-)，男，山东泰安人，教授，研究方向：水工环地质。

[中图分类号]S151.9+5

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)03-0036-03