河床漂石-砂卵石介质渗透特性的试验研究

摘要

在我国，尤其在北方地区水资源严重短缺，地下水超采已成为北方地区的共性问题。地下水限量开采也已成为地下水资源保护的主要措施。因此，为了满足人类日常生活及社会发展的用水需求，近几年来，我国北方地区傍河取水工程与日俱增。在实际开采河槽地下潜水工程建设中遇到的技术问题是理论计算结果与实际工程取水量相差过大。现场的详细踏勘分析认为，这与河床堆积砂卵石层中存在的漂石有直接的关系。本文对河床漂石-砂卵石介质渗透特性展开研究，对于傍河取用地下水工程建设以及提高取水效率有重大的意义。
　　 本文以柳林黄河滩地原状自然堆积砂卵石及其漂石为研究对象，运用试验研究的方法，从漂石形状、尺度、级配、剖面结构、淤积层等对砂卵石的渗透系数和渗流通量的影响方面，进行了系统研究。取得了以下几点主要结论：
　　 (1)天然河床漂石-砂卵石介质的粒径特征对渗透系数的影响很大。粒径特征不同，砂卵石介质其孔隙的数量与大小、渗透水流的过水面积以及细颗粒的充填度不同，渗透系数随砂卵石粒径特征的变化而发生变化。砂卵石介质的渗透系数与砂卵石有效粒径d10、限制粒径d60和不均匀系数Cu均具有密切的相关关系。渗透系数K随着d10的增大而增大，随着d60的增大而增大，随着Cu的增大而减小。渗透系数与有效粒径d10和限制粒径d60均呈二次函数相关关系，与不均匀系数Cu呈对数相关关系。砂卵石介质的渗透系数及水力梯度与漂石的截面面积及体积之间亦具有高度的相关性。
　　 (2)当河道水深不变，淤泥含量较小时，大部分淤泥将通过砂卵石介质孔隙通道被水流带出，淤泥对渗流通量的影响因而不明显。但是，当淤泥层厚度增加到一定程度之后，砂卵石介质部分孔隙将被累积增加的淤泥堵塞，此时，渗流通量将逐渐减小。在等厚度淤积层的覆盖下，河床中砂卵石的渗流通量随着河道水深的增大而增大。但是，在砂卵石表面淤积层厚度较大的情况下，随着试验的进行，河道水深的增大对砂卵石渗流通量的影响逐渐减弱。
　　 (3)在大粒径卵石覆盖层及细颗粒介质与土工布复合覆盖层下对砂卵石的阻泥保渗效果较好，细颗粒介质与土工布复合覆盖层最佳阻泥保渗效果组合结构为：土工布+细颗粒+土工布。在综合考虑砂砾石介质的渗透系数和水质状况的情况下，得出人工渗床最佳砂砾石剖面结构从上到下依次是：14cm厚1～0.25mm细颗粒+土工布+20cm厚3～11mm砂砾石+20cm厚6～3mm砂砾石+20cm厚10～6mm砂砾石+20cm厚30～10mm砂砾石+20cm厚50～30mm砂砾石+15cm厚90～50mm砂砾石。
　　 本文对不同粒径配比砂砾石介质人工渗床剖面结构的研究，只是根据试验结构进行初步分析，最终得出的最佳剖面结构需要日后的工程实践验证。