高宗軍，于　晨，郭海朋，馮建國(guó)，王　敏，張洪英，劉久潭

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

弱透水粘性土層的膜性能試驗(yàn)結(jié)果分析

高宗軍1，于晨1，郭海朋2，馮建國(guó)1，王敏1，張洪英1，劉久潭1

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

[摘要]為了驗(yàn)證咸水通過越流的形式透過弱透水層向淡水層運(yùn)動(dòng)時(shí)可能存在對(duì)鹽類物質(zhì)的過濾、阻滯現(xiàn)象，設(shè)計(jì)對(duì)原狀粘性土進(jìn)行高壓滲濾試驗(yàn)的裝置，對(duì)所取得的河北任丘南部五里鋪100 m深度左右的原狀粘性土進(jìn)行膜性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果初步顯示，在30～70 m水標(biāo)的壓力差驅(qū)使下，透水的粘性土層具有對(duì)鹽類物質(zhì)的過濾作用10 cm土柱濾鹽達(dá)20%～25%，對(duì)土樣的，含鹽量透水性變化等有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

[關(guān)鍵詞]粘性土層；膜性能；試驗(yàn)；結(jié)果；分析

1概述

我國(guó)華北平原地下水資源十分豐富，但由于第四紀(jì)以來該地區(qū)、特別是其中東部地區(qū)經(jīng)歷了若干次海侵海退事件，造成該區(qū)不同埋藏深度咸淡水含水砂層交互出現(xiàn)的局面[1]。尤其是山東菏澤地區(qū)，地表或深度50 m以下至280 m深度的第四系地下水均為咸水，自20世紀(jì)后半期開始，人們大量開采深層淡水以滿足工農(nóng)業(yè)及生活需要，因而淡水含水層出現(xiàn)了區(qū)域性的地下水位降落漏斗，菏澤地區(qū)由原來的埋深28m以淺變?yōu)槟壳暗?00 m以下，致使與相鄰的上下咸水含水層中的地下咸水形成了巨大的水頭差，從而形成大面積的咸水向淡水補(bǔ)給的越流區(qū)域。這種巨大的越流量已經(jīng)從地下水開采量及其水位動(dòng)態(tài)等多方面得到了證實(shí)，但是淡水層中的地下水并沒有像咸淡兩種水摻混后所得到的那樣咸，至少變咸的程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。究其原因可能是由于咸淡水含水層間“弱透水”的粘性土層具有膜的濾鹽性能造成的，即華北地區(qū)500 m以淺的淡水含水層中的地下水被大量開采后，其上下咸水含水層中的“咸水”在壓力差的驅(qū)使下，透過粘性土層向其補(bǔ)充時(shí)，大量鹽類物質(zhì)被“阻擋”在咸水含水層一側(cè)或滯留在弱透水層中，從而使得淡水含水層中的地下水沒有快速變咸。作者即基于這樣的設(shè)想，通過自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置，開展了模擬現(xiàn)狀條件的高壓(0.2～0.6 MPa)原狀粘性土的膜功能試驗(yàn)。本文即對(duì)前期所做的部分試驗(yàn)結(jié)果做簡(jiǎn)單的介紹，以期與同行交流共勉。

國(guó)外研究人員對(duì)有關(guān)粘性土的膜性能試驗(yàn)研究較早，Whitwort，F(xiàn)ritz，Kemper等曾做過粘土和頁(yè)巖的膜性能試驗(yàn)[5-7]，Young和Low在實(shí)驗(yàn)室證明了原狀粘土和粘土頁(yè)巖具有化學(xué)滲透的膜性能[8]，Henning等發(fā)現(xiàn)來自美國(guó)某施工現(xiàn)場(chǎng)的膨潤(rùn)土和垂直屏障土具有膜的性能[9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面研究較少，左文喆等通過一系列試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)無論是擾動(dòng)黏性土還是原狀土都具有一定的膜性能，但實(shí)驗(yàn)條件下不能起到對(duì)鹽分的截留作用[10-12]。本文以為這樣的結(jié)論的得來，可能是由于人為擾動(dòng)后重新裝填土柱破壞了原有的土的結(jié)構(gòu)，或者是由于原狀土柱又過于單薄或片狀化造成膜功能太小以至于不能夠觀察的原因。所以作者克服了這些弱點(diǎn)，采用較大規(guī)格的原狀粘性土柱，并在施加較大圍壓的情況下，完成了模擬現(xiàn)狀條件的假三軸土柱滲透試驗(yàn)。

2樣品采集與加工

本次試驗(yàn)共完成滲透試驗(yàn)2組，樣品采于河北省任丘南五里鋪村施工的全取芯綜合水文地質(zhì)工程地質(zhì)鉆探孔。1#樣品取樣深度為90.60～90.90 m，巖性為粘土；2#樣品取樣深度為119.5～119.8 m，巖性為砂質(zhì)粘土。

試樣以巖心采集后蠟封密閉，使之保持天然濕度狀態(tài)。試驗(yàn)前開封，利用銑床將樣品加工至標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，2組樣品的大小規(guī)格見表1所示。

表1　試驗(yàn)樣品基本情況

3試驗(yàn)要求與器材改進(jìn)

眾所周知，相對(duì)于透水性較好的砂層或砂礫石層而言，粘性土具有隔水的效果。所以在1980年以前或更早些時(shí)候，人們將自然界里不同的巖層分為隔水層和含水層兩大類。而在之后發(fā)現(xiàn)，通常認(rèn)為的隔水層并非是絕對(duì)隔水的，而是在一定壓力差的驅(qū)使下能夠透過少量的水，從而引出了弱透水層的概念，進(jìn)而提出了地下水系統(tǒng)的觀念，這些也為József Tóth于1963年及其之后提出的地下水流系統(tǒng)理論[2，3，4]提供了證據(jù)，近年來也為國(guó)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，人們將滲透系數(shù)小于10～5 cm/s的松散介質(zhì)稱為粘性土。滲透系數(shù)的獲得，除了在野外進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)外，還可以在室內(nèi)通過達(dá)西試驗(yàn)取得。然而，達(dá)西試驗(yàn)是在水壓力差不大的情況下來完成的，一旦壓力差達(dá)到了1 KPa以上，松散物就會(huì)出現(xiàn)局部團(tuán)聚及裂痕等不連續(xù)現(xiàn)象。而且達(dá)西試驗(yàn)的裝置內(nèi)需要充填的是松散的顆粒，不能夠加裝原狀的土樣，尤其是無法模擬地下幾十米以下巖土所處的環(huán)境。為了模擬這種環(huán)境，必須對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使其具有承受MPa級(jí)的壓力、又不能夠破壞巖土的結(jié)構(gòu)及滲透和膜性質(zhì)，因而作者設(shè)計(jì)完成了一種能夠測(cè)試原狀巖土滲透性及膜性能的假三軸高壓試驗(yàn)裝置(已結(jié)申請(qǐng)專利)。

4試驗(yàn)過程及結(jié)果

在此介紹的是兩次試驗(yàn)的結(jié)果，以下將分別予以介紹。

4.11#樣品膜性能試驗(yàn)

1#樣品膜性能試驗(yàn)于2015年1月29日～2015年1月31日完成。樣品為直徑85 mm，高度100 mm的原狀圓柱形土柱，采自河北任丘五里鋪村深度90.60～90.90 m處。

【試驗(yàn)條件】

軸壓0.150～0.450 Mpa;圍壓0.310～0.575 Mpa;室溫11.0℃，水溫15.9 ℃。 入水為咸水，咸水溶液按照10 g/lNaCl的濃度配制(滴定實(shí)測(cè)時(shí)不足9 g/L，見表2)。

【試驗(yàn)記錄】

2015年1月29日16:10開機(jī)實(shí)驗(yàn)，由壓力表每5min觀察記錄進(jìn)水壓力和圍壓的數(shù)值變化及滲濾液出水口的情況。20:30開始將觀察記錄時(shí)間間隔加大為10 min。實(shí)驗(yàn)過程中，軸壓圍壓緩慢上升。

試驗(yàn)進(jìn)行7 h50 min(470 min)即30日00:00開始出現(xiàn)滲濾液流出，之后每一小時(shí)取樣測(cè)量，每9 h為一批次收集，共收集5個(gè)批次。實(shí)驗(yàn)時(shí)間歷時(shí)約50 h(2 980 min)，最終得到總體積為162.5 ml的滲濾液。

以意大利山洪預(yù)警系統(tǒng)為例，歐盟一些國(guó)家所建設(shè)的山洪預(yù)警系統(tǒng)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)可視化的便于操作的平臺(tái)；具有不同功能的模塊，包括服務(wù)器優(yōu)化計(jì)算分析模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)模塊，雷達(dá)數(shù)據(jù)管理和處理模塊；綜合形成預(yù)警信息的決策信息生成系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)中，歐盟非常重視基礎(chǔ)工作，例如建立相對(duì)比較詳細(xì)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，開展降雨與流量的耦合監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)行山洪災(zāi)害事件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)整編入庫(kù)等。

軸壓、圍壓及滲濾液體積隨時(shí)間的變化情況見圖1。圖中滲濾液量為每小時(shí)的量，即ml/h。

圖1　1#樣品試驗(yàn)軸壓、圍壓及滲濾液量隨時(shí)間變化

由圖1可見，軸壓壓力值隨圍壓壓力變化而變化，圍壓越大，軸壓越大。且滲濾液的量也隨著壓力的增大而增大，符合正常的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

之后采用AgNO3溶液滴定法進(jìn)行了NaCl濃度測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表2所示。結(jié)果可知，相比于原溶液，滲濾液中NaCl濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。若將此作為鹽量的去除量，則該10 cm土柱的NaCl去除率約為0.25，或25%。

另外，根據(jù)滲濾液量與壓力、樣品的截面積等參數(shù)，采用達(dá)西定律計(jì)算方法，計(jì)算得出該粘性土的滲透系數(shù)值為：K=7.12E-08 cm/s。

表2　1#樣品試驗(yàn)滲濾液NaCl濃度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.22#樣品膜性能試驗(yàn)

2#樣品膜性能試驗(yàn)于2015年2月3日～2015年2月6日進(jìn)行。 樣品為直徑79 mm，高度100 mm的原狀圓柱形土柱，采自河北任丘五里鋪村深度119.5～119.8 m處。

【實(shí)驗(yàn)條件】

圍壓：0.480～0.618 Mpa；軸壓：0.330～0.615 0 Mpa ；室溫14.0℃，水溫16.0℃。入水為咸水，咸水溶液按照10 g/L的濃度配制。

2015年2月3日21:00試驗(yàn)開始，由壓力表每五分鐘觀察記錄進(jìn)水壓力和圍壓的數(shù)值變化及滲濾液出水口的情況。至2月4日00:30開始將觀察記錄時(shí)間間隔加大為10 min。試驗(yàn)過程中，軸壓圍壓緩慢上升。

試驗(yàn)進(jìn)行6 h40 min(400 min)，于2月4日03:40滲濾液開始流出，之后每隔1 h取樣測(cè)量，每8 h為一批次收集，共收集7個(gè)批次。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間3 700 min，約61 h40 min，最終得到總體積為200.05 ml的滲濾液。

軸壓、圍壓及滲濾液體積隨時(shí)間的變化情況見圖2所示。圖中滲濾液量為每小時(shí)的量，即ml/h。

需要說明，2015年2月5日17：00左右圍壓壓力表讀數(shù)出現(xiàn)異常。直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，讀數(shù)固定0.643 Mpa不變。經(jīng)分析，壓力表出現(xiàn)問題，而非實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，故之后圍壓數(shù)據(jù)并未讀取，造成圖示圍壓變化曲線缺失。

由圖2可見，與1#樣品的試驗(yàn)相同，軸壓壓力值隨圍壓壓力變化而變化，圍壓越大，軸壓越大。且滲濾液的量也隨著壓力的增大而增大，因而試驗(yàn)結(jié)果是可信的。

與1#樣品的試驗(yàn)一樣，之后采用AgNO3溶液滴定法進(jìn)行了NaCl濃度測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表3所示。結(jié)果可知，相比于原溶液，滲濾液中NaCl濃度亦呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。若將此作為鹽量的去除量，則該10 cm土柱的NaCl去除率約為0.2，或20%，較1#樣品為小。

圖2　2#樣品試驗(yàn)軸壓、圍壓及滲濾液量隨時(shí)間變化

但是根據(jù)滲濾液量與壓力、樣品的截面積等參數(shù)，采用達(dá)西定律計(jì)算方法，計(jì)算得出該砂質(zhì)粘土的滲透系數(shù)值為：K=3.71E-08 cm/s，較1#樣品求得的數(shù)值偏小1倍左右。究其原因可能有二：一是壓力表的精度存在誤差，二是2#樣品非均質(zhì)程度較大，影響了其滲透能力。

表3　2#樣品試驗(yàn)滲濾液NaCl濃度測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

5結(jié)果討論

通過對(duì)采自河北省任丘市南五里鋪村100深度左右的兩個(gè)原狀粘性土樣品的高壓膜性能試驗(yàn)可知，在30～70 m水柱的水壓力差驅(qū)使下，弱透水的粘性土層具有對(duì)鹽類物質(zhì)的過濾作用，即粘性土層具有“濾鹽”的效果，10 cm土柱、壓力差30～70 m水柱下，濾鹽率20%～25%，效果顯著。

但是這種客觀上的“濾鹽”效果，有可能存在以下兩種情況：一是如本文所介紹的膜性能引起，會(huì)導(dǎo)致咸水中的鹽類物質(zhì)積累于咸水一側(cè)，造成咸水更咸，即鹽度增加；另一種可能是由于粘性土層中粘性土顆粒對(duì)鹽類物質(zhì)的吸附或化學(xué)沉淀引起的。

所以，由于尚未對(duì)試驗(yàn)粘性土樣品的結(jié)構(gòu)改變、含鹽量變化、透水性指標(biāo)進(jìn)行鑒定，對(duì)試驗(yàn)樣品頂端溶液中是否有NaCl積累情況也不明確，因而上述結(jié)論尚需通過進(jìn)一步的試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

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[收稿日期]2016-03-08

[作者簡(jiǎn)介]高宗軍(1964-)，男，山東泰安人，教授，研究方向：水工環(huán)地質(zhì)。

[中圖分類號(hào)]S151.9+5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0036-03