李曉丹++樊疆星++張潛++施禹行

摘 要：渾水滲流的一大特點(diǎn)就是一個(gè)非穩(wěn)定滲流過程，一個(gè)不同于變水頭滲流的非穩(wěn)定滲流，地層的滲透路徑和整體滲透系數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷變化，滲流水中的懸浮物也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷的沉積。這類工程問題有長(zhǎng)期渾水灌溉對(duì)土壤滲透性能的影響，洪水在壩前淤積淤泥對(duì)繞壩滲流的影響。通過試驗(yàn)，測(cè)定了尾礦砂的顆粒級(jí)配曲線，主要成分為二氧化硅，又開展了不同入滲水頭，不同渾水含沙量，不同級(jí)配尾礦砂條件下，渾水滲流的砂柱的試驗(yàn)研究，分析了水頭高度隨時(shí)間的變化情況。

關(guān)鍵詞：顆粒級(jí)配 渾水滲流 水頭高度 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 分析

中圖分類號(hào)：TV139 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

我們知道常見的滲流計(jì)算都已有比較成熟的滲流理論，比如我們已知的屬于清水理論的穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流理論?？墒牵谌粘Ｉa(chǎn)實(shí)踐中，我們經(jīng)常會(huì)遇到涉及到渾水滲流的一些問題，而渾水滲流的一大特點(diǎn)就是一個(gè)非穩(wěn)定滲流過程，一個(gè)不同于變水頭滲流的非穩(wěn)定滲流，地層的滲透路徑和整體滲透系數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷變化，滲流水中的懸浮物也會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷的沉積。這類工程問題有長(zhǎng)期渾水灌溉對(duì)土壤滲透性能的影響，洪水在壩前淤積淤泥對(duì)繞壩滲流的影響，渾水回灌補(bǔ)充地下水時(shí)地表滲透性能的變化，防滲灌漿時(shí)漿液在地層中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，粉煤灰水力沖填壩的滲流分析等，因此，研究渾水滲流理論對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 尾礦的粒度成分及礦物成分分析試驗(yàn)研究

1.1.1 試驗(yàn)實(shí)施方案

在首鋼集團(tuán)選擇典型的尾礦庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行尾礦砂的取樣，進(jìn)行并完成尾礦砂的顆粒分析試驗(yàn)和礦物成分分析試驗(yàn)，分析尾礦砂的顆粒級(jí)配和礦物組成，在工程力學(xué)試驗(yàn)中心完成不同固結(jié)狀態(tài)下尾礦砂三軸應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，得到尾礦壩的本構(gòu)模型參數(shù)。

1.2 不同入滲水頭渾水滲流的砂柱試驗(yàn)研究

1.2.1 渾水入滲淤堵試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)溢流口有水流均勻流出后，打開試驗(yàn)砂柱下端閥門，待滲流穩(wěn)定后，再開始計(jì)時(shí)并進(jìn)行測(cè)量。每隔5min記錄一次滲流量和各測(cè)壓管水頭高度。清水試驗(yàn)持續(xù)1個(gè)小時(shí)。

（2）清水入滲試驗(yàn)結(jié)束后，同時(shí)關(guān)閉試驗(yàn)砂柱上端和下端的閥門，并將自動(dòng)攪拌系統(tǒng)中的清水安裝好試驗(yàn)儀器，檢查完裝置氣密性后就可以開始試驗(yàn)了。首先打開攪拌機(jī)和抽水機(jī)以及相關(guān)閥門，向砂柱中注入清水，并打開測(cè)壓管開關(guān)，排空砂柱中的空氣，使整個(gè)被水充滿飽和。水排盡，然后向攪拌裝置中注入渾水，直到溢流口有均勻水流出時(shí)，再同時(shí)打開試驗(yàn)砂柱上下端的閥門，并以此時(shí)為計(jì)時(shí)零點(diǎn)開始計(jì)時(shí)。用水桶在砂柱下端接住滲出渾水，每隔5 min記錄一次數(shù)據(jù)，記錄5 min內(nèi)的累積入滲量，以及各側(cè)管水頭高度。對(duì)出滲的渾水測(cè)量完體積后用礦泉水瓶取樣，并做好標(biāo)放好以便測(cè)量其濃度。即隨著滲流速度逐漸降低，可以逐漸將時(shí)間間隔加長(zhǎng)為10 min，30 min。每個(gè)渾水試驗(yàn)持續(xù)5h。

1.2.2 試驗(yàn)方案

為了考慮不同條件對(duì)渾水入滲的作用情況，尋找渾水入滲淤堵機(jī)理，分別考慮了不同砂柱粒徑、不同水頭高度、不同渾水濃度的影響作用效果，通過正交試驗(yàn)并以清水入滲作為對(duì)照。試驗(yàn)方案如表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 用篩析法

測(cè)得結(jié)果如表1所示。

（1）各層篩子上土粒質(zhì)量。

（2）該土的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

2.1.2 試驗(yàn)渾水顆粒的確定

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的選礦工藝在不斷提高，尾礦漿中顆粒的粒徑在逐漸減小，有的都達(dá)到200目以下，為此選擇150目以下粒徑（即-0.10 mm）顆粒作為渾水顆粒（表3）。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

渾水入滲過程中，由于渾水中有固體顆粒，所以渾水入滲其實(shí)是固液兩相流入滲，和清水的單相滲流不同，因此在水頭高度等方面會(huì)與清水不同。

從圖2中可得，每組試驗(yàn)中的清水和渾水在入滲過程中的累積入滲量都隨著時(shí)間的增加而增大，清水入滲過程中，相同時(shí)間內(nèi)的滲流量基本保持不變。在渾水入滲過程中，從試驗(yàn)2、3、4中可以看出，累積入滲量表現(xiàn)出了非線性的特性。從圖2中可以看出，渾水的入滲過程與清水入滲的累積入滲量隨時(shí)間變化曲線圖有明顯不同。渾水入滲時(shí)，滲透流量與滲透初始階段具有一定的線性關(guān)系但時(shí)間較短，斜率較清水累積入滲的斜率略小。滲透流量與時(shí)間的關(guān)系曲線與清水累積入滲曲線隨后隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸發(fā)生偏離。而且入滲渾水的濃度越大，渾水累積入滲曲線與清水累積入滲曲線分離得越快越早，但最終逐漸趨于平穩(wěn)。endprint

該試驗(yàn)砂柱中共設(shè)計(jì)了4個(gè)側(cè)管水頭，將試驗(yàn)砂柱分成了三層，從上到下依次為第一層、第二層、第三層。由于清水入滲表現(xiàn)出了良好的層流特性，所以只記錄其第一層的水頭差，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到了如圖3所示，水頭差隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。

從側(cè)管水頭差與時(shí)間的關(guān)系曲線中可以看出，清水在入滲的過程中，各層水頭差都基本保持一致并且恒定，顯示出土層的均一性以及清水入滲過程中的穩(wěn)定性。但渾水入滲則表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，在渾水濃度，水頭高度一定時(shí)，各層土間的水頭差都在隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸增大，且都大于清水入滲時(shí)的水頭差。而且深度越大，水頭差越小，即，又由于各層厚度相同，所以即，所以，。

說(shuō)明在渾水入滲過程中，在水流帶動(dòng)作用下的渾水顆粒進(jìn)入到了土柱中，改變了土柱中的滲透性能，加強(qiáng)了滲透阻力，以及滲流機(jī)械能的損失。

在渾水入滲過程中，水頭差的增幅隨著時(shí)間的增加而逐漸減小。在初始階段時(shí)，水頭差增幅比較快、也比較大，而后慢慢趨于穩(wěn)定。而且隨著砂柱深度的逐漸增加，水頭差的增幅減小，趨于穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。這主要是由于在渾水入滲的過程中，渾水顆粒在進(jìn)入砂柱的渾水顆粒在上層發(fā)生滯留后，砂柱表層的土體結(jié)構(gòu)逐漸變得密實(shí)，形成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的致密的土層，而后隨著渾水的入滲，這個(gè)致密結(jié)構(gòu)的厚度會(huì)逐漸增大，所以在初始階段水頭差會(huì)快速增大而后逐漸趨于穩(wěn)定。隨著逐漸的密實(shí)，密實(shí)層上水頭會(huì)變大，當(dāng)水力達(dá)到某個(gè)程度后，在水力作用下，上層孔隙中沉積的細(xì)顆粒會(huì)失穩(wěn)，進(jìn)而變成流動(dòng)的顆粒進(jìn)入到深部的砂柱中，這也是第二層和第三層的滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定的時(shí)間更長(zhǎng)的緣由。

3 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論。

（1）和清水的入滲相比，渾水入滲過程中的累積入滲量逐漸減小，在入滲介質(zhì)砂柱內(nèi)逐漸發(fā)生了堵塞的現(xiàn)象，阻礙了渾水的滲流。而且渾水濃度越大，堵塞發(fā)生得越快，堵塞的情況也越厲害。

（2）渾水濃度越大，最終的水頭差越大，水頭差趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短。

說(shuō)明在初始時(shí)刻，渾水入滲過程中，由于砂柱中的顆粒形成的固體骨架中，通道相對(duì)較大，也比較通暢，渾水入滲初始階段，渾水顆粒容易進(jìn)入砂柱中，但是隨著初始時(shí)刻大量的顆粒的進(jìn)入，逐漸占據(jù)了孔隙空間，減小了孔隙喉道，使能通過的顆粒越來(lái)越小，從而出現(xiàn)了上層淤堵比下層嚴(yán)重的情況以及上層水頭差更大的現(xiàn)象。

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