減壓井化學(xué)淤堵試驗(yàn)研究

張 偉，張家發(fā)，孫厚才

20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)水利工程建設(shè)中采用減壓井或排水孔作為排水措施，在實(shí)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(xué)淤堵角度去解釋減壓井減壓效果降低的原因并進(jìn)行了試驗(yàn)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(xué)淤堵提供了物質(zhì)條件，在滲水中檢測(cè)到鐵和鈣等成分，據(jù)此推斷這些物質(zhì)隨著水流流向減壓井并可能淤堵減壓井反濾層。有的學(xué)者通過(guò)分析排水孔和減壓井井口析出物成分解釋這些排水設(shè)施淤堵的原因［7，8］，歸納分析了這些析出物的來(lái)源以及對(duì)減壓井、排水孔排水效果的影響。1998年大水后，針對(duì)長(zhǎng)江堤防減壓井的應(yīng)用情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研［9，10］，表明減壓井淤堵是客觀存在的，也是減壓井應(yīng)用必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。為此，在2000－2008年間對(duì)減壓井淤堵的各種形式進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)研究［6，11］，從不同角度研究了減壓井淤堵機(jī)理。本文重點(diǎn)闡述了減壓井化學(xué)淤堵中所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，并以模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從氧化還原角度解釋了減壓井的化學(xué)淤堵機(jī)理，比較了不同還原條件對(duì)減壓井化學(xué)淤堵的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際取得的基礎(chǔ)粉細(xì)砂和反濾料，用葡萄糖溶液為模型試驗(yàn)提供一種還原條件，測(cè)定不同位置的氧化還原電位、含鐵量以及系統(tǒng)滲透系數(shù)，并比較不同葡萄糖溶液濃度即不同還原條件的影響。重點(diǎn)分析砂樣和反濾料中鐵的溶解 運(yùn)移 吸附 沉淀規(guī)律，并與實(shí)際減壓井產(chǎn)生的化學(xué)淤堵現(xiàn)象進(jìn)行比較，從氧化還原角度解釋減壓井的化學(xué)淤堵機(jī)理。

1．2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖1 垂直滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig．1 Test model of vertical permeation

實(shí)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(xué)淤堵物對(duì)減壓井反濾層的淤堵?tīng)顩r，并考慮試驗(yàn)中淤堵物來(lái)源有限以及易于在反濾層淤堵，用垂直向上滲流代替實(shí)際水平滲流。埋于地下的基礎(chǔ)粉細(xì)砂缺乏與大氣接觸，一般處于一種還原條件，試驗(yàn)中用葡萄糖溶液來(lái)模擬還原條件，滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖1。模型主要由上游進(jìn)水室、砂樣、反濾料、測(cè)壓系統(tǒng)等組成。A，B，C，D為 4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（其中D為下游滲水），可以分別測(cè)量沿程液樣的氧化還原電位和含鐵量。作為比較試驗(yàn)，還進(jìn)行了不同試樣直徑的垂直滲透試驗(yàn)，其中通過(guò)改變不同葡萄糖溶液濃度來(lái)提供不同的還原條件（第二組試驗(yàn)），分析不同還原條件對(duì)減壓井化學(xué)淤堵的影響。

垂直滲透試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪茄販p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(yùn)行環(huán)境，通過(guò)分析基礎(chǔ)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(xué)淤堵過(guò)程，驗(yàn)證了減壓井化學(xué)淤堵中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。

1．3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為兩組，第一組試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1，試驗(yàn)歷時(shí)70 d，控制滲透比降小于1。試驗(yàn)儀器直徑179 mm，細(xì)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(gè)測(cè)量點(diǎn)。采用葡萄糖溶液（1‰）從下向上滲透，定期測(cè)定A，B，C，D這4點(diǎn)的氧化還原電位和含鐵量。具體測(cè)量方法是，停止?jié)B透，從上述4點(diǎn)獲取液樣，然后測(cè)定液樣中的氧化還原電位（En）、含鐵量。

第二組試驗(yàn)作為第一組試驗(yàn)的比較，試驗(yàn)歷時(shí)70 d，試驗(yàn)裝置與圖1類似，不同的是沒(méi)有安裝A，B，C測(cè)量點(diǎn)，試驗(yàn)儀直徑為30 mm，試驗(yàn)具體情況見(jiàn)表1。采用不同濃度葡萄糖溶液來(lái)模擬不同還原條件，并進(jìn)行連續(xù)滲透試驗(yàn)，比較葡萄糖濃度對(duì)淤堵的影響。

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

1．4 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

第一組試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：不同部位的氧化還原電位、滲透水中的含鐵量測(cè)量分析；試驗(yàn)結(jié)束后取不同位置砂樣和反濾料，測(cè)量其中的含鐵量，分析鐵的溶解- 運(yùn)移- 吸附- 沉淀過(guò)程。

第二組試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)滲透系數(shù)，對(duì)比分析不同葡萄糖溶液濃度對(duì)系統(tǒng)滲透系數(shù)的影響，從滲透系數(shù)過(guò)程線來(lái)分析減壓井是否產(chǎn)生淤堵；試驗(yàn)結(jié)束后取不同位置砂樣和反濾料，測(cè)量其中的含鐵量，來(lái)分析鐵的溶解- 運(yùn)移--吸附- 沉淀過(guò)程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 氧化還原電位測(cè)試結(jié)果與分析

第一組試驗(yàn)測(cè)定了沿水流方向A，B，C共3點(diǎn)的氧化還原電位（En），結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 氧化還原電位與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig．2 The curve of redox potential and time

從圖2的結(jié)果看，測(cè)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(shuō)明葡萄糖溶液為砂樣提供了一個(gè)還原環(huán)境。試驗(yàn)初期，沿水流方向氧化還原電位增加，說(shuō)明還原性逐步降低，20 d左右達(dá)到峰值。隨著氧化物質(zhì)的減少，還原反應(yīng)在逐步減弱，氧化還原電位逐步降低，并有達(dá)到穩(wěn)定的趨勢(shì)，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(chǔ)細(xì)砂中的鐵和鈣被還原出來(lái)而溶解于地下水中，水中的鐵以低價(jià)形式存在，發(fā)生的還原反應(yīng)如式（1）至（2）。滲水中含鐵量測(cè)試結(jié)果也說(shuō)明了基礎(chǔ)細(xì)砂中有鐵還原溶解于地下水。

滲水透過(guò)反濾層流向出口，接觸空氣后，水中低價(jià)鐵氧化為高價(jià)鐵，在下游水面產(chǎn)生了紅色膜以及反濾料表面顏色變黑的現(xiàn)象，主要是滲水接觸大氣后產(chǎn)生氧化反應(yīng)以及生物活動(dòng)造成的污垢吸附沉淀在反濾料表面所致，這一點(diǎn)說(shuō)明了減壓井化學(xué)淤堵的溯源性。滲水流出接觸空氣后發(fā)生如下氧化反應(yīng)，見(jiàn)式（3）至（6）。

由于壓力的釋放，發(fā)生如下反應(yīng)：

與空氣中的氧進(jìn)一步產(chǎn)生氧化反應(yīng)：

其中產(chǎn)生的Fe2O3·3H2O為吸附物，將吸附在減壓井管壁上，產(chǎn)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(xiàn)燒杯底部出現(xiàn)紅色沉淀物，燒杯壁上也吸附了紅色物質(zhì)，表明基礎(chǔ)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(yàn)為連續(xù)滲流，在反濾層中沒(méi)有形成吸附或沉淀，實(shí)際減壓井間歇運(yùn)行時(shí)，這些吸附多與實(shí)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(yàn)現(xiàn)象也說(shuō)明了實(shí)際工程減壓井出現(xiàn)的一些淤堵?tīng)顩r。

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(cè)試結(jié)果與分析

在第一組試驗(yàn)中，在測(cè)氧化還原電位的同時(shí)，對(duì)液樣中的含鐵量也進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5。第二組試驗(yàn)僅測(cè)試了下游出口液樣中的含鐵量，結(jié)果見(jiàn)表2。

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

表2 第二組試驗(yàn)液樣中含鐵量測(cè)試結(jié)果Table 2 Iron quantity in liquid sample of the second group test mg／L

圖5結(jié)果表明，A，B，C，D這4點(diǎn)測(cè)到的水中含鐵量隨著時(shí)間的增加而增加，說(shuō)明基礎(chǔ)粉細(xì)砂中的鐵被不斷地還原出來(lái)而溶解于葡萄糖溶液中，證實(shí)了基礎(chǔ)粉細(xì)砂在葡萄糖溶液提供的還原條件下產(chǎn)生的還原反應(yīng)（見(jiàn)上式（1）～（2）），并有逐漸達(dá)到穩(wěn)定的趨勢(shì)。然而3點(diǎn)測(cè)試得到的含鐵量相對(duì)關(guān)系還不能得到很好解釋。

從表2可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，砂樣中鐵被越來(lái)越多地還原出來(lái)，這樣，測(cè)得的下游出口液樣中含鐵量有所增加，進(jìn)一步證實(shí)了上述基礎(chǔ)粉細(xì)砂中鐵被還原溶解于水的現(xiàn)象。水中含鐵量與葡萄糖溶液的濃度關(guān)系不明顯。

2．3 砂樣含鐵量測(cè)試結(jié)果及分析

第一組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)反濾料和砂樣進(jìn)行了分層取樣，測(cè)定其中含鐵量，結(jié)果見(jiàn)表3。第二組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)反濾料、泡沫過(guò)濾體及砂樣進(jìn)行了取樣，測(cè)定其中含鐵量，結(jié)果見(jiàn)表4。反濾料和砂樣試驗(yàn)前的含鐵量分別為0．15%和1．32%，泡沫過(guò)濾體主要成分是聚氨脂，本身不含鐵。

表3 第一組試驗(yàn)結(jié)束后反濾料和砂樣中含鐵量測(cè)試結(jié)果Table 3 Iron quantity in filter materials and sand sample after the first group test %

表4 第二組試驗(yàn)泡沫過(guò)濾體、反濾料及砂樣含鐵量測(cè)試結(jié)果Table 4 Iron quantity in bubble filter，filter materials and sand sample of the second group test %

從表3的結(jié)果看，由于整個(gè)試驗(yàn)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(lái)隨滲透液樣帶走，說(shuō)明流動(dòng)液樣中的鐵沒(méi)有造成減壓井反濾層的淤堵。對(duì)比分析砂層中含鐵量的變化發(fā)現(xiàn)，砂樣下部含鐵量降低較多，中上部降低較少，說(shuō)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(jié)果表明，泡沫過(guò)濾體中含鐵量最高的達(dá)到2．41%，說(shuō)明泡沫過(guò)濾體對(duì)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(cè)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(yàn)砂樣含鐵量有些異常，目前還不知道產(chǎn)生此種結(jié)果的原因）。這說(shuō)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(guò)濾體上面紅色吸附物主要來(lái)自滲透液液面氧化產(chǎn)生的鐵氧化物，而不是反濾料或過(guò)濾體對(duì)滲水中化學(xué)物質(zhì)的過(guò)濾產(chǎn)生淤堵，進(jìn)一步說(shuō)明了減壓井化學(xué)淤堵的溯源性。

2．4 滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果與分析

第二組試驗(yàn)測(cè)試了不同葡萄糖濃度條件下系統(tǒng)滲透系數(shù)，部分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

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

從滲透系數(shù)過(guò)程線看，系統(tǒng)滲透系數(shù)初期降低，是因?yàn)樵嚇佑幸粋€(gè)密度的調(diào)整過(guò)程（試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)砂樣有一定的沉降）。20 d后，系統(tǒng)滲透系數(shù)基本穩(wěn)定，結(jié)合砂樣和反濾料含鐵量分析結(jié)果，表明砂樣和反濾料在連續(xù)滲透作用下沒(méi)有產(chǎn)生淤堵。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌紤]基礎(chǔ)砂樣與減壓井反濾層的組合，且在不同試樣部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，揭示了減壓井的實(shí)際淤堵過(guò)程。

（2）基礎(chǔ)砂樣與減壓井反濾層組合試驗(yàn)結(jié)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(huì)產(chǎn)生化學(xué)淤堵，減壓井化學(xué)淤堵主要集中在減壓井間歇運(yùn)行期。

（3）基礎(chǔ)粉細(xì)砂中含有的針鐵礦、方解石為減壓井化學(xué)淤堵提供了物質(zhì)條件；長(zhǎng)期處于與大氣隔絕的地下水為其溶解提供了還原條件；開(kāi)敞的減壓井為其提供了運(yùn)移條件。滲水與大氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)使?jié)B水中鐵氧化，產(chǎn)生吸附和沉淀，再回灌到減壓井濾網(wǎng)和反濾層中，形成對(duì)減壓井的化學(xué)淤堵，這表明減壓井化學(xué)淤堵具有很強(qiáng)的溯源性。模擬試驗(yàn)揭示的試驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)際減壓井出現(xiàn)的現(xiàn)象一致，表明試驗(yàn)結(jié)果揭示的減壓井淤堵機(jī)理是合理的。

（4）基于減壓井化學(xué)淤堵溯源性的特點(diǎn)，長(zhǎng)江科學(xué)院設(shè)計(jì)了過(guò)濾器可拆換新型減壓井，取得了專利權(quán)，并應(yīng)用于安慶江堤、荊南長(zhǎng)江干堤加固工程中，連續(xù)幾年的跟蹤觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)多次起拔試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)已經(jīng)表明，設(shè)計(jì)思路正確，運(yùn)行效果良好，同時(shí)也驗(yàn)證了本文的試驗(yàn)成果。

［1］ 吳昌瑜，張 偉，孫厚才．減壓井淤堵機(jī)理研究現(xiàn)狀［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22（2）：60－62．

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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(yīng)對(duì)措施研究［R］．武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2006．