试论粘性土释水在水源开采中的重要性.pdf

上 述对 轨道 车功 率的分析，引 T一些新 的轨道车功 率概念，并详细 阐述 了轨 道车 功率的确定方法。我们认为这样对厂家、用户是较为台理方便的。为此，建议轨道车生 产厂 家在轨 道车 标牌和说 明书上，明确 标出轨道车的标定功 率(装车功 率)值 和标 称功 率(轮 轴功 率)值。供使用单 位查用。试论粘性土释水在水源 开采中的重要性 陈 振 军 郑州水 电段管内除密县外的6 3 眼水源井，所处的地层均为新生界的第四系Q。、Q 即上更 新统、全新统 地层。该 地层 是 由许多橙散沉积物组成 孔 隙承压 水系统 在 它的 垂直剖面 中粗细沉 积、互相迭置，通常 包含大量的粘土层。如郑 北 9号井 的2 4 2 7 米 的 地 质柱状 图中，粘性 土就 有l 2 层计 1 8 8 2 米。因此开采这 些孔隙含 水系统 时，探 讨 粘性 土释水 的规律十 分必要。管井的 寿命，按正常的管理应在 1 5 2 0 年间，可 是不少 源井，由于过 量地开 采，却 在投产 7 8年 后，甚至有的在 8 4年后 便开 始出现严重的出沙及 淤塞现 象，导致水 源井过 早的 报废。不 能正确评价 水 资源的原 因，虽是多方面的，但被忽视的粘 性土的释 水，确 是一个 重要的原 因之一 一、粘性土释水的基本理论 土通常是 三相体。它 由固体 矿物颗粒、水、气体 组成。的，如 土颗 粒可 以承受各种力。正 交应力、剪应力水 只能 承受 正交应力，不能 承受剪应力l 对气体来 说，现在看法不 一，一般 认为。因加 压时，气体很 自 由地被排出 了，就不能 承受任何 力。1 9 2 5 年，泰 沙基就提 出。饱和 粘性土 在外荷作用下，土 中产生的应 力分为两部分：一部分 是 由土 骨架承受荷载 而产 生的应力，叫有 效应力 男一部 分是 由于水 承载而产生的 应 力 l，叫中性应力。这 就是著 名的泰沙基有效应 力原 理。用 公式表达，则为：P=+u c l j 这三相对 应力的反 应是不同 这可用一个 机械 模型来说 明，(见 图 1)图 1 容 器中盛 满水，上面是一个 多孔的 顶盖，顶盖下连一弹 簧，此 容器代表土体，容 器 9 维普资讯 http:/ 中的水 代表土 中的 孔隙水、弹 簧代表土 力骨 架，顶盖上的 孔代表土的渗透 能力。当加 以 外荷载 P对，弹 簧是可 以变形 的，而水几乎不能压 缩，凶l此在加 载后的一瞬 间全部 外 由水晕担，以后随着水从孔 隙中慢 慢渗出，顶盖下 压，弹簧逐渐受 力，外荷 逐渐 由水 承 受转而 由弹簧最受 把此模型模拟土体情 况，即 当加 外 荷 载 P后，开始的一瞬 间全部荷 载 由土孔 隙水晕受，中性 应力=P，以后孔 隙水 逐渐 被排 出(即释 水)土粒骨 架逐渐受力，值减少 了，相直 地骨 架应 力或 有效应力 P增加 了，最后外荷垒部 由土粒 骨架承受，P=。粘性土颗粒的 排列一般 为 圈聚 结构，(见图 2)它在静荷的作用下可 以被压缩、体 积变小。这就 是泰沙基的渗透 固结理论。至今仍在广泛 地应用。圈 二 二、粘性土释水在地下水源开采中的重要性 人们通 常把粘 土层作为不透水的 隔水层看 待的。但 必须 指出的是透 水层与隔水层 之 间没有 绝对的界 限，它们的 划分是相对的。尤 其是 在冲积平原 上，含水砂 层被粘土层分 隔成几个层 次，在 某一含 水层抽水 时，饱和的粘土层 中的结合水 和毛细 水就 会发 生 运 移、释水，使 粘性土层 本身 和相 邻含水层与抽水层发生 水力联 系 所 以研究 粘性土释水 的特 性对能台 理地开 采地下 水资源有很重要的 意义。在地 下水 源开 采时，对 于考 虑粘 性土释水量与不 考虑粘性土释水量，根 据水的均衡 方程可 以分别 列出两个 方程 式：考虑粘性土 释水 量时的 水均衡方程 式为。Q +Q越 一Q栗=Fl H+F2 S i h (1)忽 略粘 性土释水 量的 均衡 方程式为：Q篱+Qt Q栗=Fl H(2)式中，Qm 为来 自外 系统的侧 向流八量的域量(等 于侧 向流 八量减去侧 向流 出量)。Q越为来 自外系统越流 量的增 量(等于越流流 八量 减去越流流出量)Fl H为 均衡 期 t 时 间内含水 系统 内含水层弹性储存 量的 变 化 量，其 中 为 含水层的储 存系数，F。为 含水 层面积，H为 均衡期 t 时 间内含水层水 头平均 变幅。F S i h 为均衡 期t 时间 内粘性土层的储存 水量 的变 化量，其中F。为粘性土层 面 积，S i 为第i 均衡期中粘性土的平均储水系数，h 为均衡期t 时间内粘性土中平均水头 变化。比较方程(1)和方程(2)，可 以清 楚地看 出忽略 牯性：f=释水时，对评价地下水 资源可能产生 的偏差。假 定在第 1个开采期(水 位下 降期)含水层和粘 性土 层中的平均水头下降值分 别为 一H、一h l，根据(1)式，该开采期间累积开采量等于；1 0 o ，一 Q o j o口 0q口。o (】口。，o 维普资讯 http:/ Q采=Q侧 十Q越 十Fj H l+F 2 S i h】(3)而 忽 略 粘 性 土 释 水日 寸，累 积 开 采 量 为：Q采=Q俺+(!越+Fj 一AH j (4)比较(8)和(4)式可 知(4)式 比(8 j 式 少一 项 粘 性 土 储 存 水 量变 化 项 F Si Ah-，该项表示在第 开采期间动用了粘性主释水量这部分不可补偿的堵存资源，而在不考虑 粘性土释水的 均衡 方程 中实际上 把部分 水量归结到方程的 其余各项 中去 了。最常 见的 是 把 它归结为越流量或弹性释放量。其结果，必 然是过 高地估计含水系统的供 水能 力，加 大开 采量，使地下水潜蚀和掏空 能力加 强，产生涌 砂现 象。随着部分砂粒的 流失原来的 平衡遭 到破坏，造 成本来作 为隔水顶 板的粘性土层 大量释水，粘性土骨 架上 有效 应力增 加，当超过它 的极 限抗压，抗剪 强度 时，就会产生 局部 坍塌，严重者地 面 就 会 发生 冗 降。1 9 8 3 年，郑州水 电段郑 北托 儿所 水源井就 出现 了这 种塌陷侍况，最后导致 了水源井 的报魔。一 一 ，_ 如果 孔隙承压 水含水系统 的水位 恢复到开 采期以前 的位置，那 么 根 据，1)式和(2)式 可 分 别得 出：Q棚+Q越=F l HI +F 2 S i Ah l(5)Q嚣+Q越=Fl Hl (6)式 中 H。为第一开采期水位恢复阶段 的台水层 水头平 均上升值(右 下脚 标 为开 采期 次，右上“”代 表水 位上 升期)比较(4)式 中的F AH。项 与(6)式 中 的F AH，项，因指定 的 H，与 lH绝对值相等，且上升期的 与下降期的 值 相等，因此可 以认 为随着水位的恢复储存水 量也随之完全恢复。但 将(5)式(8)式 比较则不 同丁，在粘性土水头 与含水 层水头基本 同步 上升时，水位上升阶段 粘性土 的储 存系 数S i 与S i 则不相等 了。粘性 土由于在开采时产生 了释水 固结现 象，原来 的 空 隙，一部 分被土粒移动时 填充 了，因此 水位上升阶段 粘性 土的储存 系数远小于水 位 下 降阶 段，即S i Si，故F S i h。项 E L F Si Ah l 要小。这意味着：含水层水位 恢复后，包括粘性土层在 内的整个 含水 系统 的储 存水量要 比第一 开采期 减小 了相 当F (S i Si )h 的数值(实际 上 Ah。的绝耐值往 往小于 h l，储 存水量的减少会更大 些)。由此可 见，考虑到粘 性土释水 量的存在，含水层 的水 位恢复决不 意味 着含水系统恢 复到原 来的状态。如果要保持 与第一开采期相同 的开 采水 量，水位势必会 下降到第一开 采期的水位以下。如 果开 采过 程 以同一的水位 变幅反 复升降，则随着粘性 土的压 密，储 水 系数不断地减小，开 采水量也必然减少。这就是某 些水源井在开采中动 水位 不 断 下 降，出水量不断减少，迫 使我们增加水泵 的扬水 管，甚至更换泵型 的重要 的原 因 之一。三、几点建议 1 为 J 进一步 搞好铁路不问断的 水 二 作，建议在评价 有大量粘性土 层的供水井 的(下 转 2 6 i)l 1 维普资讯 http:/ 设蔽接绝缘，以解决轨道 电路死区段过长问题。尽管“八五”期间部分正线推广UM一 7 i 型 无 绝 缘 轨道 电路，但 站 线 和 其余 正 线 仍使 爿 j 有 绝 缘 轨道 电路。所 以胶 接 绝 缘 今 后 仍 具 有广 阔前景。因此，我 们建 议：I 建立研究生产联合体，以工 厂化程序作业 代替现 场手工作业。2 以本 文介 绍的化学除锈工艺 代替 以往 的喷砂 除锈工艺。3 建 议采用本设 计的胶接用 金属夹板 为定型产 品，由工 厂轧制。4 发展 我国固体 胶板优势，研究高温 快速 固化及常温 固化结构腔粘剂。5 以部 文形式明确工 电部门管理分工，建 立新管理体制。6 扩 大 渡 皱 道 岔 胶 接缝 缘 的 应 用。7 研 究 新产 品，适 照现 代 管 理 模 式 的需 要。(参 考文 献略)(参加 测试工 作还有 秦建堂、吴跃伟等 人，特在 此致谢)。一 (上 接 i I 页)r 采水量时，要考虑到粘性土释水这一 因素，以避免 造成对地下水 资源的过 量开 采。2 在 涌水 量固定的条件下，如果动水位能保持相 对的稳定，不发生水 位连续下降则 可认 为含水层 内建立 了动 平衡。若在抽 水中发现 动水位和涌水 量不 断下 降，则证明开采 量超过了地下水补水量，建议更换相 应的出水量较小的泵 型。若一 时来不及更换，则应 采取相应的措 施控制水 泵的 出水 量。如有 的单 位采用了用泵出水 口处制伐的开启度、更 换泵的滤水网，切削叶轮等方法减小泵 的出水 量，但这 些方法均有不理想之处，皆不如 更换水泵理想。3 为 了及时发现管井 出现 的问题，建 议建 立管井使用记 录簿，详细记录 出水 量、水 位：米温、水质及含砂量的受化情况。2 6 维普资讯 http:/