張 偉，張家發(fā)，孫厚才

20世紀60年代以來，我國水利工程建設中采用減壓井或排水孔作為排水措施，在實際工程中發(fā)揮了很好的作用，然而，部分工程的減壓井由于淤堵而在使用幾年后就大大降低了減壓效果［1］。有些研究者從化學淤堵角度去解釋減壓井減壓效果降低的原因并進行了試驗研究［2～6］，指出減壓井周邊砂層中含有的可還原溶解的針鐵礦、方解石為減壓井化學淤堵提供了物質條件，在滲水中檢測到鐵和鈣等成分，據此推斷這些物質隨著水流流向減壓井并可能淤堵減壓井反濾層。有的學者通過分析排水孔和減壓井井口析出物成分解釋這些排水設施淤堵的原因［7，8］，歸納分析了這些析出物的來源以及對減壓井、排水孔排水效果的影響。1998年大水后，針對長江堤防減壓井的應用情況進行了現場調研［9，10］，表明減壓井淤堵是客觀存在的，也是減壓井應用必須解決的一個關鍵問題。為此，在2000－2008年間對減壓井淤堵的各種形式進行了系統(tǒng)的模擬試驗研究［6，11］，從不同角度研究了減壓井淤堵機理。本文重點闡述了減壓井化學淤堵中所發(fā)生的氧化還原反應，并以模擬實驗為基礎，從氧化還原角度解釋了減壓井的化學淤堵機理，比較了不同還原條件對減壓井化學淤堵的影響。

1 試驗設計

1．1 試驗目的

針對現場實際取得的基礎粉細砂和反濾料，用葡萄糖溶液為模型試驗提供一種還原條件，測定不同位置的氧化還原電位、含鐵量以及系統(tǒng)滲透系數，并比較不同葡萄糖溶液濃度即不同還原條件的影響。重點分析砂樣和反濾料中鐵的溶解 運移 吸附 沉淀規(guī)律，并與實際減壓井產生的化學淤堵現象進行比較，從氧化還原角度解釋減壓井的化學淤堵機理。

1．2 試驗模型設計

圖1 垂直滲透試驗模型Fig．1 Test model of vertical permeation

實際工程中減壓井水流方向是水平的，水流沿著減壓井徑向方向水平流向減壓井。為了直接觀察流水中攜帶的化學淤堵物對減壓井反濾層的淤堵狀況，并考慮試驗中淤堵物來源有限以及易于在反濾層淤堵，用垂直向上滲流代替實際水平滲流。埋于地下的基礎粉細砂缺乏與大氣接觸，一般處于一種還原條件，試驗中用葡萄糖溶液來模擬還原條件，滲透試驗模型見圖1。模型主要由上游進水室、砂樣、反濾料、測壓系統(tǒng)等組成。A，B，C，D為 4個觀測點（其中D為下游滲水），可以分別測量沿程液樣的氧化還原電位和含鐵量。作為比較試驗，還進行了不同試樣直徑的垂直滲透試驗，其中通過改變不同葡萄糖溶液濃度來提供不同的還原條件（第二組試驗），分析不同還原條件對減壓井化學淤堵的影響。

垂直滲透試驗模型是沿減壓井徑向方向切出的一塊試樣，考慮了減壓井反濾層，并采用葡萄糖溶液提供一種還原條件，較好地模擬了減壓井運行環(huán)境，通過分析基礎砂的氧化還原電位、含鐵量變化以及滲水中含鐵量等，從一定程度上模擬了減壓井化學淤堵過程，驗證了減壓井化學淤堵中發(fā)生的氧化還原反應。

1．3 試驗方法

試驗分為兩組，第一組試驗模型如圖1，試驗歷時70 d，控制滲透比降小于1。試驗儀器直徑179 mm，細砂裝填厚度340 mm，反濾層厚度30 mm，并布置了A，B，C，D共4個測量點。采用葡萄糖溶液（1‰）從下向上滲透，定期測定A，B，C，D這4點的氧化還原電位和含鐵量。具體測量方法是，停止?jié)B透，從上述4點獲取液樣，然后測定液樣中的氧化還原電位（En）、含鐵量。

第二組試驗作為第一組試驗的比較，試驗歷時70 d，試驗裝置與圖1類似，不同的是沒有安裝A，B，C測量點，試驗儀直徑為30 mm，試驗具體情況見表1。采用不同濃度葡萄糖溶液來模擬不同還原條件，并進行連續(xù)滲透試驗，比較葡萄糖濃度對淤堵的影響。

表1 第二組試驗基本情況表Table 1 Situation of the second group test

1．4 試驗測試內容

第一組試驗主要內容包括：不同部位的氧化還原電位、滲透水中的含鐵量測量分析；試驗結束后取不同位置砂樣和反濾料，測量其中的含鐵量，分析鐵的溶解- 運移- 吸附- 沉淀過程。

第二組試驗測試系統(tǒng)滲透系數，對比分析不同葡萄糖溶液濃度對系統(tǒng)滲透系數的影響，從滲透系數過程線來分析減壓井是否產生淤堵；試驗結束后取不同位置砂樣和反濾料，測量其中的含鐵量，來分析鐵的溶解- 運移--吸附- 沉淀過程。

2 試驗結果及分析

2．1 氧化還原電位測試結果與分析

第一組試驗測定了沿水流方向A，B，C共3點的氧化還原電位（En），結果見圖2。

圖2 氧化還原電位與時間的關系曲線Fig．2 The curve of redox potential and time

從圖2的結果看，測得的氧化還原電位在68．5～111．8 mV之間，小于300 mV，試樣處于還原條件，說明葡萄糖溶液為砂樣提供了一個還原環(huán)境。試驗初期，沿水流方向氧化還原電位增加，說明還原性逐步降低，20 d左右達到峰值。隨著氧化物質的減少，還原反應在逐步減弱，氧化還原電位逐步降低，并有達到穩(wěn)定的趨勢，穩(wěn)定的氧化還原電位在70～80 mV之間，砂樣全部處于還原狀態(tài)，基礎細砂中的鐵和鈣被還原出來而溶解于地下水中，水中的鐵以低價形式存在，發(fā)生的還原反應如式（1）至（2）。滲水中含鐵量測試結果也說明了基礎細砂中有鐵還原溶解于地下水。

滲水透過反濾層流向出口，接觸空氣后，水中低價鐵氧化為高價鐵，在下游水面產生了紅色膜以及反濾料表面顏色變黑的現象，主要是滲水接觸大氣后產生氧化反應以及生物活動造成的污垢吸附沉淀在反濾料表面所致，這一點說明了減壓井化學淤堵的溯源性。滲水流出接觸空氣后發(fā)生如下氧化反應，見式（3）至（6）。

由于壓力的釋放，發(fā)生如下反應：

與空氣中的氧進一步產生氧化反應：

其中產生的Fe2O3·3H2O為吸附物，將吸附在減壓井管壁上，產生的 Ca（OH）2和 Fe（OH）3沉淀物，沉淀于減壓井周邊，部分沉淀物可能向減壓井反濾層回灌。

將滲透水裝在燒杯中擱置在空氣中，一月后發(fā)現燒杯底部出現紅色沉淀物，燒杯壁上也吸附了紅色物質，表明基礎砂中鐵被溶解隨水流帶出，在空氣中氧化形成了吸附和沉淀。由于試驗為連續(xù)滲流，在反濾層中沒有形成吸附或沉淀，實際減壓井間歇運行時，這些吸附多與實際減壓井井口周邊紅色沉淀物（圖3）和井壁管紅色吸附物（圖4）類似。試驗現象也說明了實際工程減壓井出現的一些淤堵狀況。

圖3 井口周邊紅色沉淀物Fig．3 The red deposit around the well circumference

圖4 井口管壁紅色吸附物Fig．4 The red absorbed materials on the pipe wall of the well circumference

2．2 滲水中含鐵量測試結果與分析

在第一組試驗中，在測氧化還原電位的同時，對液樣中的含鐵量也進行了測試，結果見圖5。第二組試驗僅測試了下游出口液樣中的含鐵量，結果見表2。

圖5 不同部位液樣中含鐵量與時間關系曲線Fig．5 The curve showing of iron quantity in different sites and times

表2 第二組試驗液樣中含鐵量測試結果Table 2 Iron quantity in liquid sample of the second group test mg／L

圖5結果表明，A，B，C，D這4點測到的水中含鐵量隨著時間的增加而增加，說明基礎粉細砂中的鐵被不斷地還原出來而溶解于葡萄糖溶液中，證實了基礎粉細砂在葡萄糖溶液提供的還原條件下產生的還原反應（見上式（1）～（2）），并有逐漸達到穩(wěn)定的趨勢。然而3點測試得到的含鐵量相對關系還不能得到很好解釋。

從表2可見，隨著試驗時間的延長，砂樣中鐵被越來越多地還原出來，這樣，測得的下游出口液樣中含鐵量有所增加，進一步證實了上述基礎粉細砂中鐵被還原溶解于水的現象。水中含鐵量與葡萄糖溶液的濃度關系不明顯。

2．3 砂樣含鐵量測試結果及分析

第一組試驗結束后，對反濾料和砂樣進行了分層取樣，測定其中含鐵量，結果見表3。第二組試驗結束后，對反濾料、泡沫過濾體及砂樣進行了取樣，測定其中含鐵量，結果見表4。反濾料和砂樣試驗前的含鐵量分別為0．15%和1．32%，泡沫過濾體主要成分是聚氨脂，本身不含鐵。

表3 第一組試驗結束后反濾料和砂樣中含鐵量測試結果Table 3 Iron quantity in filter materials and sand sample after the first group test %

表4 第二組試驗泡沫過濾體、反濾料及砂樣含鐵量測試結果Table 4 Iron quantity in bubble filter，filter materials and sand sample of the second group test %

從表3的結果看，由于整個試驗中的滲透水都處于還原狀態(tài)，反濾料中的總鐵量降低，反濾料中原有的鐵被溶解出來隨滲透液樣帶走，說明流動液樣中的鐵沒有造成減壓井反濾層的淤堵。對比分析砂層中含鐵量的變化發(fā)現，砂樣下部含鐵量降低較多，中上部降低較少，說明葡萄糖溶液的還原能力沿滲流方向逐漸降低，表明液樣從砂層中還原鐵的能力指向減壓井方向逐步減弱。

表4結果表明，泡沫過濾體中含鐵量最高的達到2．41%，說明泡沫過濾體對鐵的吸附作用是明顯的。在葡萄糖溶液滲透下砂樣和反濾料均處于還原狀態(tài)，測得的含鐵量一般低于砂樣和反濾料自身含鐵量的1．32%和0．15%（WHY1試驗砂樣含鐵量有些異常，目前還不知道產生此種結果的原因）。這說明反濾料和砂樣中的鐵處于溶失狀態(tài)，反濾料受到鐵淤堵的可能性極低。泡沫過濾體上面紅色吸附物主要來自滲透液液面氧化產生的鐵氧化物，而不是反濾料或過濾體對滲水中化學物質的過濾產生淤堵，進一步說明了減壓井化學淤堵的溯源性。

2．4 滲透系數測試結果與分析

第二組試驗測試了不同葡萄糖濃度條件下系統(tǒng)滲透系數，部分試驗結果見圖6。

圖6 WHY1滲透系數過程線圖（2002年）Fig．6 The process curve of WHY1 permeability coefficient

從滲透系數過程線看，系統(tǒng)滲透系數初期降低，是因為試樣有一個密度的調整過程（試驗中發(fā)現砂樣有一定的沉降）。20 d后，系統(tǒng)滲透系數基本穩(wěn)定，結合砂樣和反濾料含鐵量分析結果，表明砂樣和反濾料在連續(xù)滲透作用下沒有產生淤堵。

3 結 語

（1）試驗模型中考慮基礎砂樣與減壓井反濾層的組合，且在不同試樣部位設置監(jiān)測點，揭示了減壓井的實際淤堵過程。

（2）基礎砂樣與減壓井反濾層組合試驗結果表明，減壓井反濾層在減壓井連續(xù)滲流中也處于還原狀態(tài)，不會產生化學淤堵，減壓井化學淤堵主要集中在減壓井間歇運行期。

（3）基礎粉細砂中含有的針鐵礦、方解石為減壓井化學淤堵提供了物質條件；長期處于與大氣隔絕的地下水為其溶解提供了還原條件；開敞的減壓井為其提供了運移條件。滲水與大氣接觸，發(fā)生氧化反應使?jié)B水中鐵氧化，產生吸附和沉淀，再回灌到減壓井濾網和反濾層中，形成對減壓井的化學淤堵，這表明減壓井化學淤堵具有很強的溯源性。模擬試驗揭示的試驗現象與實際減壓井出現的現象一致，表明試驗結果揭示的減壓井淤堵機理是合理的。

（4）基于減壓井化學淤堵溯源性的特點，長江科學院設計了過濾器可拆換新型減壓井，取得了專利權，并應用于安慶江堤、荊南長江干堤加固工程中，連續(xù)幾年的跟蹤觀測和現場多次起拔試驗、抽水試驗已經表明，設計思路正確，運行效果良好，同時也驗證了本文的試驗成果。

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［11］張 偉，許繼軍，張家發(fā)，等．堤防工程減壓井淤堵及其應對措施研究［R］．武漢：長江科學院，2006．