粉細砂層降水管井包網(wǎng)過濾器優(yōu)化試驗研究

杭永山，孫軍，王軒，趙世航，黃桂香

(南京市航道管理處，南京210036)

摘要：粉細砂地基抽水管井因為細砂顆粒進入濾層、井底而影響抽水效率，甚至引起管井報廢，同時大量細顆粒流失容易引起側(cè)向土體漸進滲透破壞甚至影響基坑整體穩(wěn)定。為保證基坑降水工程的順利進行，以秦淮河船閘擴容改造工程為背景，通過室內(nèi)模擬試驗對濾網(wǎng)的選擇進行方案設(shè)計、比選。最終得出結(jié)論：在粉砂地基土降水井井周的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)宜選擇80目+120目的雙層濾網(wǎng)，并在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。試驗成果可供類似工程參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：粉細砂地層；管井過濾器；優(yōu)化方案；滲透破壞;秦淮河船閘

中圖分類號：TU443文獻標志碼：A

收稿日期：2013-11-19 ； 修回日期：2014-01-05

基金項目：新疆科技支撐計劃項目(201233132)；新疆水利水電工程重點學科基金資助項目(XJZDXK20100212)

作者簡介：宋興亮(1986-)，男，新疆哈密人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)平原水庫節(jié)水及周邊土壤次生鹽漬化防治研究，(電話)15909006107(電子信箱)498769910@qq.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.024

收稿日期：2013-12-23； 修回日期：2014-01-31

作者簡介：潘青松(1989-)，男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為混凝土材料動力特性及結(jié)構(gòu)抗震，(電話)15586374129(電子信箱)280469557@qq.com。

通訊作者：彭剛(1963-)，男，湖南岳陽人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為混凝土材料動力特性及結(jié)構(gòu)抗震，(電話)13972604433(電子信箱)gpeng158@126.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.023

1研究背景

秦淮河船閘位于秦淮河航道新河段下游，距入江口約2 km，是溝通長江干線和南京內(nèi)河航道的唯一通江口門船閘，是南京市水上交通的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

閘址地基土呈現(xiàn)典型的長江漫灘二元結(jié)構(gòu)地基形式，粉砂土層滲透系數(shù)大，可誘發(fā)滲透變形。施工方案采用深井降水，同時控制地下水位，南岸邊坡及上下游圍堰采用防滲帷幕作為防滲設(shè)施。用于粉質(zhì)砂土的降水管井既要保證一定的出水量，還要防止粉細砂土細顆粒進入反濾層引起的堵塞問題。目前應(yīng)用于供水、灌溉的管井過濾器按結(jié)構(gòu)分為光濾管過濾器、填礫過濾器、纏絲過濾器和包網(wǎng)過濾器。各個過濾器結(jié)構(gòu)都有其適應(yīng)的地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)大量的工程實踐和研究成果可知，過濾器的選擇應(yīng)取決于含水層土的顆粒級配、孔隙率、滲透系數(shù)等?，F(xiàn)對上述4種過濾器介紹如下。

(1) 光濾管過濾器是不纏絲、不包網(wǎng)、不填礫的直接下入含水層的濾管而形成的過濾器。這種過濾器適用于水位埋深不太大、含水層為砂卵石層的降水管井中。而決定濾管濾孔大小的基本因素是含水層的顆粒粒徑，根據(jù)特定關(guān)系式對含水層的顆粒級配進行處理即可比較合理地設(shè)計出濾孔的直徑[1]。當過濾管的有效開孔率越大，則其使用壽命越長，且出水量大而穩(wěn)定，缺點是無法阻止細顆粒流入管井，影響基坑穩(wěn)定性。

(2) 填礫過濾器(單層)適用于具有中間顆粒級配(1 ～5 mm)的卵石層、礫石層、礫砂層中。這種過濾器的關(guān)鍵是填礫的選擇和填礫厚度的確定，填礫采用聚集顆粒的8～10倍較合適，填礫厚度應(yīng)大于填礫粒徑的3～4倍即可。雙層填礫過濾器適應(yīng)于砂類含水層或缺少中間級配、含中細砂多的自生反濾層能力弱的卵石、礫石層[2]。

(3) 纏絲過濾器具有有效孔隙率大、水力性能好、出水量大、過濾器表面縫隙不易堵塞和使用壽命長等優(yōu)點，但相對于光濾管、填礫過濾器，纏絲過濾器在實踐中質(zhì)量較難控制，容易發(fā)生堵塞[3]。

(4) 包尼龍網(wǎng)的過濾器控砂效果較好。網(wǎng)眼尺寸應(yīng)等于或略小于濾料粒徑的下限[3]。因包網(wǎng)易形成實際過水能力不足，國內(nèi)外資料不主張包網(wǎng)。但在生產(chǎn)實踐中，特別在有細、粉砂的含水層地區(qū)，包網(wǎng)的控砂效果較好，但應(yīng)盡量減少包裹層數(shù)，以防顧此失彼。

目前國內(nèi)外對降水井的反濾結(jié)構(gòu)研究較少，這方面的研究集中在大壩等反濾料的機理及優(yōu)化上。反濾料設(shè)計世界大多數(shù)都遵循太沙基準則。20世紀20年代后數(shù)10年里許多學者也做過相應(yīng)的研究，但也只是側(cè)重于對太沙基濾料準則的完善和拓展[4]。1922年，太沙基對理想的無黏性粒子(玻璃球)進行各種堆積試驗推理后，提出了如下反濾層設(shè)計準則：

(1)

(2)

式中：D15，d85分別代表反濾料、被保護土的粒徑，下標表示小于該粒徑的土顆粒占全部干土的質(zhì)量百分數(shù)。

目前對降水井反濾結(jié)構(gòu)的研究都處于定性的階段，并沒有一個完備的理論支持，主要代表有：王景廷和董西才[5]提出在粉細砂含水層中采用纏絲填粒過濾器、適當提高填含比的濾水結(jié)構(gòu)，具有出水量大、管井效率高、井的含砂量低等優(yōu)點；任建旭和鄭桂梅[6]認為在粉細砂地層宜采用籠狀過濾器和貼礫過濾器；李豐德和魯新平[7]以昌吉地區(qū)東三縣的奇臺縣為例，分析了穿孔管骨架竹簾包裹過濾器在管井應(yīng)用中存在的問題及危害性，提出了防止對策措施；吳繼民和韓向英[8]提出了用無紡布做井點反濾層，并取得了一定成果。

綜上所述，有必要對粉細砂地基土層的濾網(wǎng)過濾器作進一步的優(yōu)化設(shè)計，以期達到良好的控砂效果。

2試驗概況

對取自秦淮河地區(qū)粉質(zhì)砂土樣品進行室內(nèi)顆分試驗，得到粉質(zhì)砂層顆粒分布曲線如圖1所示。

圖1　粉砂層粒徑分布曲線 Fig.1　Grain size distribution curve of silty sand

從圖1中可以看出：土樣的砂土顆粒直徑0.075 mm以下的含量在40%左右;粉細砂含水層由于其顆粒細小又無黏性，砂粒易隨水流動，容易對過濾器產(chǎn)生堵塞，而且管井降水的三維效應(yīng)，使得井周可能存在較大的水力梯度，故在此類含水層建造的井，出水量小，易產(chǎn)生涌砂現(xiàn)象[5]。由于粉細砂含水層的這些特點，故對管井濾水結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計提出了更高要求。

綜上所述，細顆粒含量高、降水井井周水利條件的復(fù)雜性會影響管井的數(shù)量、布置的設(shè)計。同時有些細顆粒土會透過濾網(wǎng)進入井點降水井中，從而引起土顆粒的流失，對基坑整體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

3試驗裝置及方案

3.1　試驗裝置

本試驗針對80目和120目2種濾網(wǎng)進行室內(nèi)試驗。試驗時將滲透裝置上下透水石取出，為了避免濾網(wǎng)與滲透裝置的流水槽直接接觸引起排水孔的堵塞，裝置上部透水石改用透水的塑料隔柵，改造后的裝置如圖2所示。擺放完整后按圖示順序裝入裝置。為了與實際工況盡可能相符，且消除重力因素對試驗結(jié)果的影響，進行水平滲流模擬。試驗裝置分為3部分：進水裝置、裝樣區(qū)和出水裝置。進水部分用溢流桶作為水頭的控制設(shè)備，由以往文獻可知，對于平面滲流問題的模擬試驗都采用豎向滲流裝置，這就難免會產(chǎn)生重力因素的影響。本次試驗通過對滲透儀器的改裝，從試驗效果上看能夠消除因重力帶來的誤差，值得在以后的滲透模擬試驗中借鑒。

圖2　模擬試驗裝置 Fig.2　Simulation test device

3.2　試驗方案

3.2.1試樣參數(shù)

本組試樣取自秦淮河船閘下游的砂土，編號為J3-15，深度為12.1～12.3 m，試驗周期為2 d。

3.2.2試驗步驟

為了真實反映現(xiàn)場的條件，試驗裝置基于滲透儀進行改裝。試驗步驟為：

(1) 取樣。取深度為12.1～12.3 m的粉質(zhì)砂土，本次試驗土樣分3組，各組土樣工況見表1。

表1　3組試驗土樣的工況及試驗參數(shù) Table 1　Test parameters and conditions of 3 groups of specimens

(2) 參數(shù)的測量。對試驗土樣進行含水率和干密度及顆分試驗。3組試驗土樣的試驗參數(shù)見表1。

(3) 制樣。根據(jù)現(xiàn)場試樣的干密度和環(huán)刀的體積計算出所需要土的質(zhì)量，通過控制土的干密度進行填土，為保證土質(zhì)均勻，每2 cm進行壓實，直至所有土恰好填滿整個環(huán)刀為止。

(4) 裝樣。將裝好的環(huán)刀試樣裝入試驗儀器中進行試驗。

(5) 水頭飽和。將組裝好的4組儀器在其進水孔和出水孔分別接軟管用來控制水頭高度，控制水頭高度分別為試樣高度的1/3，2/3，1。每個水頭高度持續(xù)時間為1 h。

(6) 穩(wěn)定水頭高度，進行試驗。用飽和裝置進水孔和出水孔的軟管控制水位差。根據(jù)現(xiàn)場水力梯度，此處的水力梯度取i=3，為了與現(xiàn)場狀況更為吻合，將裝置側(cè)置，這樣可以較好地防止土顆粒在重力作用下隨水滲出。

(7) 試驗記錄。本試驗在36 h內(nèi)分5組進行，即：裝置本身不變，改變?yōu)V網(wǎng)的型號，分別進行80目、120目、以及80目+120目、80目+2×120目。作為對比的無濾網(wǎng)裝置試驗，測定其滲透系數(shù)隨時間的改變，本次滲透系數(shù)測定分5次進行，大約每9 h測量1次滲透系數(shù)，周期為36 h，36 h后測量砂土試樣土的流失量、濾網(wǎng)上砂土質(zhì)量以及中粗砂中砂的質(zhì)量。

(8) 平行試驗。為了避免過大誤差的存在和更準確地觀察各參數(shù)的變化，本次試驗做3組平行試驗，測量滲透系數(shù)、濾網(wǎng)透砂量等，操作同第1組試樣。

(9) 金屬濾網(wǎng)的銹蝕試驗。將金屬濾網(wǎng)放于飽和的粉細砂土中定期觀察金屬濾網(wǎng)隨時間的銹蝕程度。

(10) 整理資料。將所測得各項參數(shù)(含水率、干密度、土的流失量)填表，測得滲透系數(shù)繪制Kw-t曲線，得出結(jié)論。

4試驗結(jié)果分析

4.1　滲透系數(shù)

通過繪制各個工況下試樣Kw-t曲線可以清晰地看出不同工況下滲透系數(shù)隨時間的變化，同時也比較直觀地看出滲透系數(shù)的變化幅度。圖3為各工況下滲透系數(shù)隨時間變化曲線。為了更加準確地描述滲透系數(shù)的變化,對試驗數(shù)據(jù)進行計算,得出了各工況下滲透系數(shù)的改變率，如表2所示。

表2　各規(guī)格濾網(wǎng)對滲透系數(shù)的改變率 Table 2　Rate of permeability coefficient change caused by different specifications of filter　%

圖3　各工況下滲透系數(shù)隨時間變化曲線 Fig.3　Curves of permeability coefficient vs. time under different conditions

由圖3和表2可以看出，80目+2×120目濾網(wǎng)對土的滲透系數(shù)改變率最大，達到63.0%，80目+120目濾網(wǎng)對土的滲透系數(shù)改變率為60.6%，120目和80目濾網(wǎng)次之，分別為56.8%和31.0%。沒有濾網(wǎng)的裝置滲透系數(shù)雖有下降但變化量很小，可忽略不計，可見濾網(wǎng)層數(shù)越多，濾網(wǎng)越容易堵塞；試驗過程中也發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)上附著一層粉砂，多層濾網(wǎng)粉砂多見于兩層之間，可見隨著濾網(wǎng)層數(shù)的增加，粉細砂粒易在包網(wǎng)之間聚集，所以建議在以后類似工程中適當減少包網(wǎng)層數(shù)。綜上可知，選擇80目+120目濾網(wǎng)既可以有效提高滲透系數(shù)的變率，還可以控制堵塞。

4.2　濾網(wǎng)透砂量

通過對試驗結(jié)束后出砂量進行稱量，得出各個工況下出砂的質(zhì)量如表3所示。

表3　各規(guī)格濾網(wǎng)裝置土流出量百分比 Table 3　Percentage of outflow soil in the presence of filters with different specifications 　%

從表3可以看出，80目濾網(wǎng)的流失量最大平均值為0.454%，120目、80目+120目、80目+2×120目濾網(wǎng)次之，流失量分別為0.358%，0.300%,0.276%。

進入八十年代中期后，我們家經(jīng)濟情況大為好轉(zhuǎn)。由于工作上的關(guān)系，我吃招待飯的機會較多，下館子就能吃到用紅燒豬肉、牛鞭、牛肉罐頭烹制的菜肴，以及各種水果罐頭，常令外人羨慕不已。

4.3　金屬濾網(wǎng)銹蝕

通過圖4濾網(wǎng)的銹蝕試驗結(jié)果可以明確地觀察到,金屬濾網(wǎng)的銹蝕程度隨時間而逐漸加強，最終金屬濾網(wǎng)上出現(xiàn)明顯的銹斑甚至銹孔，使得濾網(wǎng)的濾砂性能大大降低。雖然有些學者認為降水管井為臨時性的建筑，包網(wǎng)取材不要求嚴格[3]；但對于水質(zhì)呈現(xiàn)鹽堿性的地層應(yīng)采用耐腐蝕材料制作，當采用抗腐蝕性差的材料時，應(yīng)作防腐蝕處理[9]。

圖4 金屬濾網(wǎng)隨時間而銹蝕情況Fig.4 Corrosionofmetalmesheswithtime

5結(jié)論

(1) 濾網(wǎng)控砂性能試驗結(jié)果說明，為更好地配合反濾料的控砂及防止細小顆粒進入水泥無砂管引起無砂管的堵塞，有必要在水泥無砂管外面包裹濾網(wǎng)防止降水管井的堵塞。

(2) 采用包網(wǎng)過濾器會對砂土的透水性產(chǎn)生影響，但在濾網(wǎng)層數(shù)選擇上應(yīng)當適當減少，其中針對粉細砂層可選擇80目+120目濾網(wǎng)組合，這種濾網(wǎng)組合不僅對滲透系數(shù)改變較小，而且可以有效地控制粉細砂土的流出。

(3) 金屬濾網(wǎng)易發(fā)生銹蝕，在工程實踐中尤其對于水質(zhì)酸堿性較強的地區(qū)，不宜采用金屬濾網(wǎng)作為包網(wǎng)材料。

參考文獻：

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[9]GB50296—99，供水管井技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，1999.( GB50296—99，Technical Standard for Water Supply Well[S]. Beijing：China Planning Press，1999. (in Chinese))

(編輯：黃玲)

Optimization of the Filter Structure of Dewatering WellTube in Silty Fine Sand Foundation

HANG Yong-shan, SUN Jun, WANG Xuan, ZHAO Shi-hang, HUANG Gui-xiang

(Navigation Channel Administration of Nanjing City, Nanjing 210036, China)

Abstract:Fine sand particles entering the filter layer and borehole of dewatering well tubes in silty sand stratum will

reduce the dewatering efficiency and even lead to well tube failure. Meanwhile, loss of a large number of fine particles is prone to cause progressive seepage failure and even affect the overall stability of the foundation pit. In order to ensure the dewatering works, we conducted indoor simulation test to design and compare schemes of filter screen selection. The expansion project of Qinhuai River Sluice was taken as the engineering background. Results suggest that double-layer screens of 80 meshes and 120 meshes are suitable for the dewatering well in silty sand foundation. It was applied to engineering practice and obtained good result.

Key words: fine silty sand ground；tube well filter；optimization scheme；seepage failure；sluice of Qinhuai river

2015,32(04):125-128

2015,32(04):120-124