粉细砂层降水管井包网过滤器优化试验研究

杭永山，孙军，王轩，赵世航，黄桂香

(南京市航道管理处，南京210036)

摘要：粉细砂地基抽水管井因为细砂颗粒进入滤层、井底而影响抽水效率，甚至引起管井报废，同时大量细颗粒流失容易引起侧向土体渐进渗透破坏甚至影响基坑整体稳定。为保证基坑降水工程的顺利进行，以秦淮河船闸扩容改造工程为背景，通过室内模拟试验对滤网的选择进行方案设计、比选。最终得出结论：在粉砂地基土降水井井周的滤网结构宜选择80目+120目的双层滤网，并在实际应用中取得了良好的效果。试验成果可供类似工程参考与借鉴。

关键词：粉细砂地层；管井过滤器；优化方案；渗透破坏;秦淮河船闸

中图分类号：TU443文献标志码：A

收稿日期：2013-11-19 ； 修回日期：2014-01-05

基金项目：新疆科技支撑计划项目(201233132)；新疆水利水电工程重点学科基金资助项目(XJZDXK20100212)

作者简介：宋兴亮(1986-)，男，新疆哈密人，硕士研究生，主要从事干旱区平原水库节水及周边土壤次生盐渍化防治研究，(电话)15909006107(电子信箱)498769910@qq.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.024

收稿日期：2013-12-23； 修回日期：2014-01-31

作者简介：潘青松(1989-)，男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)15586374129(电子信箱)280469557@qq.com。

通讯作者：彭刚(1963-)，男，湖南岳阳人，教授，博士生导师，研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震，(电话)13972604433(电子信箱)gpeng158@126.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.023

1研究背景

秦淮河船闸位于秦淮河航道新河段下游，距入江口约2 km，是沟通长江干线和南京内河航道的唯一通江口门船闸，是南京市水上交通的重要基础设施。

闸址地基土呈现典型的长江漫滩二元结构地基形式，粉砂土层渗透系数大，可诱发渗透变形。施工方案采用深井降水，同时控制地下水位，南岸边坡及上下游围堰采用防渗帷幕作为防渗设施。用于粉质砂土的降水管井既要保证一定的出水量，还要防止粉细砂土细颗粒进入反滤层引起的堵塞问题。目前应用于供水、灌溉的管井过滤器按结构分为光滤管过滤器、填砾过滤器、缠丝过滤器和包网过滤器。各个过滤器结构都有其适应的地层结构，根据大量的工程实践和研究成果可知，过滤器的选择应取决于含水层土的颗粒级配、孔隙率、渗透系数等。现对上述4种过滤器介绍如下。

(1) 光滤管过滤器是不缠丝、不包网、不填砾的直接下入含水层的滤管而形成的过滤器。这种过滤器适用于水位埋深不太大、含水层为砂卵石层的降水管井中。而决定滤管滤孔大小的基本因素是含水层的颗粒粒径，根据特定关系式对含水层的颗粒级配进行处理即可比较合理地设计出滤孔的直径[1]。当过滤管的有效开孔率越大，则其使用寿命越长，且出水量大而稳定，缺点是无法阻止细颗粒流入管井，影响基坑稳定性。

(2) 填砾过滤器(单层)适用于具有中间颗粒级配(1 ～5 mm)的卵石层、砾石层、砾砂层中。这种过滤器的关键是填砾的选择和填砾厚度的确定，填砾采用聚集颗粒的8～10倍较合适，填砾厚度应大于填砾粒径的3～4倍即可。双层填砾过滤器适应于砂类含水层或缺少中间级配、含中细砂多的自生反滤层能力弱的卵石、砾石层[2]。

(3) 缠丝过滤器具有有效孔隙率大、水力性能好、出水量大、过滤器表面缝隙不易堵塞和使用寿命长等优点，但相对于光滤管、填砾过滤器，缠丝过滤器在实践中质量较难控制，容易发生堵塞[3]。

(4) 包尼龙网的过滤器控砂效果较好。网眼尺寸应等于或略小于滤料粒径的下限[3]。因包网易形成实际过水能力不足，国内外资料不主张包网。但在生产实践中，特别在有细、粉砂的含水层地区，包网的控砂效果较好，但应尽量减少包裹层数，以防顾此失彼。

目前国内外对降水井的反滤结构研究较少，这方面的研究集中在大坝等反滤料的机理及优化上。反滤料设计世界大多数都遵循太沙基准则。20世纪20年代后数10年里许多学者也做过相应的研究，但也只是侧重于对太沙基滤料准则的完善和拓展[4]。1922年，太沙基对理想的无黏性粒子(玻璃球)进行各种堆积试验推理后，提出了如下反滤层设计准则：

(1)

(2)

式中：D15，d85分别代表反滤料、被保护土的粒径，下标表示小于该粒径的土颗粒占全部干土的质量百分数。

目前对降水井反滤结构的研究都处于定性的阶段，并没有一个完备的理论支持，主要代表有：王景廷和董西才[5]提出在粉细砂含水层中采用缠丝填粒过滤器、适当提高填含比的滤水结构，具有出水量大、管井效率高、井的含砂量低等优点；任建旭和郑桂梅[6]认为在粉细砂地层宜采用笼状过滤器和贴砾过滤器；李丰德和鲁新平[7]以昌吉地区东三县的奇台县为例，分析了穿孔管骨架竹帘包裹过滤器在管井应用中存在的问题及危害性，提出了防止对策措施；吴继民和韩向英[8]提出了用无纺布做井点反滤层，并取得了一定成果。

综上所述，有必要对粉细砂地基土层的滤网过滤器作进一步的优化设计，以期达到良好的控砂效果。

2试验概况

对取自秦淮河地区粉质砂土样品进行室内颗分试验，得到粉质砂层颗粒分布曲线如图1所示。

图1　粉砂层粒径分布曲线 Fig.1　Grain size distribution curve of silty sand

从图1中可以看出：土样的砂土颗粒直径0.075 mm以下的含量在40%左右;粉细砂含水层由于其颗粒细小又无黏性，砂粒易随水流动，容易对过滤器产生堵塞，而且管井降水的三维效应，使得井周可能存在较大的水力梯度，故在此类含水层建造的井，出水量小，易产生涌砂现象[5]。由于粉细砂含水层的这些特点，故对管井滤水结构的合理设计提出了更高要求。

综上所述，细颗粒含量高、降水井井周水利条件的复杂性会影响管井的数量、布置的设计。同时有些细颗粒土会透过滤网进入井点降水井中，从而引起土颗粒的流失，对基坑整体稳定产生影响。

3试验装置及方案

3.1　试验装置

本试验针对80目和120目2种滤网进行室内试验。试验时将渗透装置上下透水石取出，为了避免滤网与渗透装置的流水槽直接接触引起排水孔的堵塞，装置上部透水石改用透水的塑料隔栅，改造后的装置如图2所示。摆放完整后按图示顺序装入装置。为了与实际工况尽可能相符，且消除重力因素对试验结果的影响，进行水平渗流模拟。试验装置分为3部分：进水装置、装样区和出水装置。进水部分用溢流桶作为水头的控制设备，由以往文献可知，对于平面渗流问题的模拟试验都采用竖向渗流装置，这就难免会产生重力因素的影响。本次试验通过对渗透仪器的改装，从试验效果上看能够消除因重力带来的误差，值得在以后的渗透模拟试验中借鉴。

图2　模拟试验装置 Fig.2　Simulation test device

3.2　试验方案

3.2.1试样参数

本组试样取自秦淮河船闸下游的砂土，编号为J3-15，深度为12.1～12.3 m，试验周期为2 d。

3.2.2试验步骤

为了真实反映现场的条件，试验装置基于渗透仪进行改装。试验步骤为：

(1) 取样。取深度为12.1～12.3 m的粉质砂土，本次试验土样分3组，各组土样工况见表1。

表1　3组试验土样的工况及试验参数 Table 1　Test parameters and conditions of 3 groups of specimens

(2) 参数的测量。对试验土样进行含水率和干密度及颗分试验。3组试验土样的试验参数见表1。

(3) 制样。根据现场试样的干密度和环刀的体积计算出所需要土的质量，通过控制土的干密度进行填土，为保证土质均匀，每2 cm进行压实，直至所有土恰好填满整个环刀为止。

(4) 装样。将装好的环刀试样装入试验仪器中进行试验。

(5) 水头饱和。将组装好的4组仪器在其进水孔和出水孔分别接软管用来控制水头高度，控制水头高度分别为试样高度的1/3，2/3，1。每个水头高度持续时间为1 h。

(6) 稳定水头高度，进行试验。用饱和装置进水孔和出水孔的软管控制水位差。根据现场水力梯度，此处的水力梯度取i=3，为了与现场状况更为吻合，将装置侧置，这样可以较好地防止土颗粒在重力作用下随水渗出。

(7) 试验记录。本试验在36 h内分5组进行，即：装置本身不变，改变滤网的型号，分别进行80目、120目、以及80目+120目、80目+2×120目。作为对比的无滤网装置试验，测定其渗透系数随时间的改变，本次渗透系数测定分5次进行，大约每9 h测量1次渗透系数，周期为36 h，36 h后测量砂土试样土的流失量、滤网上砂土质量以及中粗砂中砂的质量。

(8) 平行试验。为了避免过大误差的存在和更准确地观察各参数的变化，本次试验做3组平行试验，测量渗透系数、滤网透砂量等，操作同第1组试样。

(9) 金属滤网的锈蚀试验。将金属滤网放于饱和的粉细砂土中定期观察金属滤网随时间的锈蚀程度。

(10) 整理资料。将所测得各项参数(含水率、干密度、土的流失量)填表，测得渗透系数绘制Kw-t曲线，得出结论。

4试验结果分析

4.1　渗透系数

通过绘制各个工况下试样Kw-t曲线可以清晰地看出不同工况下渗透系数随时间的变化，同时也比较直观地看出渗透系数的变化幅度。图3为各工况下渗透系数随时间变化曲线。为了更加准确地描述渗透系数的变化,对试验数据进行计算,得出了各工况下渗透系数的改变率，如表2所示。

表2　各规格滤网对渗透系数的改变率 Table 2　Rate of permeability coefficient change caused by different specifications of filter　%

图3　各工况下渗透系数随时间变化曲线 Fig.3　Curves of permeability coefficient vs. time under different conditions

由图3和表2可以看出，80目+2×120目滤网对土的渗透系数改变率最大，达到63.0%，80目+120目滤网对土的渗透系数改变率为60.6%，120目和80目滤网次之，分别为56.8%和31.0%。没有滤网的装置渗透系数虽有下降但变化量很小，可忽略不计，可见滤网层数越多，滤网越容易堵塞；试验过程中也发现滤网上附着一层粉砂，多层滤网粉砂多见于两层之间，可见随着滤网层数的增加，粉细砂粒易在包网之间聚集，所以建议在以后类似工程中适当减少包网层数。综上可知，选择80目+120目滤网既可以有效提高渗透系数的变率，还可以控制堵塞。

4.2　滤网透砂量

通过对试验结束后出砂量进行称量，得出各个工况下出砂的质量如表3所示。

表3　各规格滤网装置土流出量百分比 Table 3　Percentage of outflow soil in the presence of filters with different specifications 　%

从表3可以看出，80目滤网的流失量最大平均值为0.454%，120目、80目+120目、80目+2×120目滤网次之，流失量分别为0.358%，0.300%,0.276%。

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4.3　金属滤网锈蚀

通过图4滤网的锈蚀试验结果可以明确地观察到,金属滤网的锈蚀程度随时间而逐渐加强，最终金属滤网上出现明显的锈斑甚至锈孔，使得滤网的滤砂性能大大降低。虽然有些学者认为降水管井为临时性的建筑，包网取材不要求严格[3]；但对于水质呈现盐碱性的地层应采用耐腐蚀材料制作，当采用抗腐蚀性差的材料时，应作防腐蚀处理[9]。

图4 金属滤网随时间而锈蚀情况Fig.4 Corrosionofmetalmesheswithtime

5结论

(1) 滤网控砂性能试验结果说明，为更好地配合反滤料的控砂及防止细小颗粒进入水泥无砂管引起无砂管的堵塞，有必要在水泥无砂管外面包裹滤网防止降水管井的堵塞。

(2) 采用包网过滤器会对砂土的透水性产生影响，但在滤网层数选择上应当适当减少，其中针对粉细砂层可选择80目+120目滤网组合，这种滤网组合不仅对渗透系数改变较小，而且可以有效地控制粉细砂土的流出。

(3) 金属滤网易发生锈蚀，在工程实践中尤其对于水质酸碱性较强的地区，不宜采用金属滤网作为包网材料。

参考文献：

[1]浙江省工业设计院勘测队. 通讯管井光滤管过滤器[J]. 建筑技术，1977，(3)：7-11.( Survey Team of Zhejiang Provincial Industrial Design Institute. Light Filter Tube Filter for Communication Tube Wells [J]. Building Technology，1977，(3)：7-11.(in Chinese))

[2]万邦炎. 管井过滤器与砾石填充物[J]. 铁路标准设计通讯，1985，(6)：27-30.(WAN Bang-yan. Tube Wells Filler and Gravel[J]. Railway Standard Design Communications, 1985，(6)：27-30.(in Chinese))

[3]姚天强，石振华. 基坑降水手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社，2006.(YAO Tian-qiang, SHI Zhen-hua. Manual of Foundation Pit Dewatering[M]. Beijing: China Architecture and Building Press，2006. (in Chinese))

[5]王景廷，董西才. 粉细砂含水层管井滤水结构的探讨[J]. 电力勘测，1995，(4):15-20.(WANG Jing-ting，DONG Xi-cai. Silty Water Filter Structures of Tube Well in Sand Aquifer[J]. Electric Power Survey,1995，(4):15-20. (in Chinese))

[6]任建旭，郑桂梅.粉细砂地层管井过滤器设计研究[J]. 给水排水,1990，(8):68-73.(REN Jian-xu, ZHENG Gui-mei. Design of Tube Well Filter in Fine Sand Strata [J]. Water Supply and Drainage,1990，(8):68-73. (in Chinese))

[7]李丰德，鲁新平. 浅析穿孔管骨架竹帘包裹过滤器在管井应用中存在的问题[J]. 地下水,2002,24(3):175-176.(LI Feng-de, LU Xin-ping. Problems of Applying Skeleton Filter Wrapped in Bamboo to Tube Wells[J]. Groundwater，2002,24(3):175-176. (in Chinese))

[8]吴继民，韩向英. 用无纺布做井管反滤层[J]. 水利天地,1992，(6):20-21.(WU Ji-min, HAN Xiang-ying. Non-woven Filter Layer Tube [J]. Water Conservancy World，1992，(6):20-21. (in Chinese))

[9]GB50296—99，供水管井技术规范[S]. 北京：中国计划出版社，1999.( GB50296—99，Technical Standard for Water Supply Well[S]. Beijing：China Planning Press，1999. (in Chinese))

(编辑：黄玲)

Optimization of the Filter Structure of Dewatering WellTube in Silty Fine Sand Foundation

HANG Yong-shan, SUN Jun, WANG Xuan, ZHAO Shi-hang, HUANG Gui-xiang

(Navigation Channel Administration of Nanjing City, Nanjing 210036, China)

Abstract:Fine sand particles entering the filter layer and borehole of dewatering well tubes in silty sand stratum will

reduce the dewatering efficiency and even lead to well tube failure. Meanwhile, loss of a large number of fine particles is prone to cause progressive seepage failure and even affect the overall stability of the foundation pit. In order to ensure the dewatering works, we conducted indoor simulation test to design and compare schemes of filter screen selection. The expansion project of Qinhuai River Sluice was taken as the engineering background. Results suggest that double-layer screens of 80 meshes and 120 meshes are suitable for the dewatering well in silty sand foundation. It was applied to engineering practice and obtained good result.

Key words: fine silty sand ground；tube well filter；optimization scheme；seepage failure；sluice of Qinhuai river

2015,32(04):125-128

2015,32(04):120-124