泡沫塑料滤层的雨洪入渗物理淤堵模拟试验研究

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

在渗滤系统中，淤堵问题的发生是普遍存在的[1-3]。海绵城市入渗设施面临的是雨洪悬浮物的淤堵问题。城市硬化区域降落的雨水裹挟地表残留物质，经地表产流后进入渗井、渗透池等入渗设施；雨洪水流速快，物理化学性质复杂，携带的悬浮物含量高，极易在滤层表面及内部沉积，堵塞其孔隙通道而影响渗滤系统长期性能。此外，常见的渗井、渗透管、渗透池的滤层采用砂石滤层和土工织物材料，且深埋于地下，淤堵物清理基本不可行，缺乏有效的维护和恢复措施。从材料和结构型式上改善滤层，使之便于维护和更新，是保障入渗设施长期性能的关键[4]。

长江科学院在葛洲坝枢纽大坝基础排水孔中首次采用可拆换的泡沫塑料滤芯，压缩后的厚度为8.6 cm，跟踪检测结果表明对软弱夹层中渗流带出的粒径>0.1 mm的物质颗粒起到良好的滤除效果[5-6]。此外，长江科学院在揭示减压井淤堵机理的基础上，研究出了新的减压井结构型式，包括外部固定部分和内部厚度为5 cm的可拆换泡沫塑料滤芯[7]，减少了氢氧化铁、碳酸盐和固体颗粒物在井壁和滤层中的沉积，在防治减压井淤堵方面取得了重大突破[6]，成为了一项实用技术并获得了国家科技进步奖。之后，长江科学院在长江航道工程建设中又提出了航道岸坡组合式水平排水孔方案，采用厚度为13 mm的可拆换泡沫塑料滤芯使淤堵的排水孔恢复功效，这一技术获得了国家专利并在工程中得以推广应用[8-9]。

虽说减压井和渗井中滤层面对的淤堵物源不同，起主要作用的滤层淤堵型式可能也有差异，但两者在结构型式和水流渗流方向上具有相似之处。海绵城市入渗设施中的渗井和减压井具有相似的结构型式以及辐射状水流条件，在此基础上，长江科学院针对海绵城市渗滤系统，通过改进和完善提出雨洪入渗设施可更换滤芯，可让雨洪流经前置池、拦污栅进入渗滤设施后，悬浮物能够尽量被滤层滞留，而不至于进入地层；滤层渗透性降低到一定程度后可拆洗或者更换，从而使得渗滤系统具有切实可行的维护方案[10]。

泡沫塑料孔隙结构良好，材料轻便耐腐，过滤性能优良，加工成型方便，规格种类多样，生产制造便宜；除此之外，还具有较强的拉伸强度、压缩强度和伸长率[11-12]。以此材料作为滤层，自身的孔隙结构既保证了一定的透水性能，也为淤堵颗粒提供了容纳空间；而且拆装方便，滤层淤堵之后能够清洗更换，易于维护管理。根据渗滤系统结构和雨洪悬浮物的特征，选用合适的滤层成为确保渗滤系统可靠性的关键。既能避免悬浮物淤积在滤层进口形成阻碍水流入渗的泥饼，又能防止悬浮物穿过滤层而污染土壤和淤堵地层孔隙的滤层，才是性能优良的可拆换滤层。

本文在实测的雨洪悬浮物特征基础上，借鉴堤防减压井中的工程经验，选取厚度为5 cm但孔隙不同的泡沫塑料，通过入渗模拟试验，研究悬浮物在滤层进口滞留、在滤层内淤堵及穿透滤层的规律，为滤层材料规格的选取和滤层结构的优化完善提供依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验装置

在渗井之中，雨洪水垂直井壁径向入渗。本文采用水平渗流试验来模拟渗井之中的这种辐射状水流条件。水平渗透装置材料为有机玻璃，示意图见图1。横截面尺寸为12 cm×12 cm，进水端部分长12 cm，出水端长5 cm，中间部分长15 cm。中间侧壁有1个测压孔，距离进水端透水孔板3 cm，进水端和出水端各一个测压孔，试验过程中分别用来监测进水端、滤层内部和出水端的测压管水头。采用的泡沫塑料滤层尺寸为5 cm ×10 cm×10 cm(长(厚)×宽×高)，用中性硅酮胶处理边壁流。为保证悬浮液浓度不发生变化，试验过程中采用搅拌器搅拌。整个试验装置如图2所示。

图1 水平渗透仪俯视图

图2 试验装置

2.2 试验材料

本文通过取样调查了2018年10—12月在湖北省武汉市江岸区长江科学院九万方科研基地及黄浦大街九万方路至黄孝河路段停车场出口、公交站、地铁口、人行道等雨洪情况。该地区雨洪悬浮物典型特征为粒径<1 mm(见表1)，质量浓度介于139～2 500 mg/L之间。选择粗砂(粒径[0.5，1.0) mm)、中砂([0.25，0.5) mm)、细砂([0.1，0.25) mm)、粉砂([0.075，0.1) mm)以及黏土(<0.075 mm)用来配制不同粒组范围的雨洪悬浮液，开展不同粒组悬浮物淤堵特性试验。采用全级配颗粒配置雨洪悬浮液，进行不同悬浮物浓度下的滤层淤堵试验，各粒组质量占比如表1所示。它是根据2018年10月20日所收集雨水水样，经静置沉淀、烘干、筛分(除去植物碎屑及粒径>1 mm的砂砾)、称重计算得到的。取样之前接近一个月无降雨，期间测点附近也没有人工洒水情况，该结果具有典型雨洪悬浮物特征。

表1 雨洪悬浮物级配颗粒各粒组质量占比

长江科学院[13]在过滤器可拆换式减压井中使用的泡沫塑料过滤体等效孔径O90≥0.3 mm，在减压井淤堵防治中取得了良好效果。此外，Coulon等[14]通过室内土柱试验模拟了雨洪滞渗盆地堵塞的过程，入渗开始后的第6—第12个月平均等效孔径从606 μm减小到380 μm。试验选用武汉售丰海绵制品有限公司生产的6种不同孔径的泡沫塑料作为滤层，规格分别为30 ppi(pores per inch，即每英寸上的孔隙数目)、50 ppi、60 ppi、80 ppi、100 ppi、120 ppi(等效孔径最大为0.8 mm，最小为0.08 mm)。

2.3 试验方案

对于某一特定粒径范围的悬浮物，如果滤层孔隙过大，悬浮物颗粒会穿过滤层孔隙随水流带出，滤层起不到过滤效果；如果滤层孔隙过小则悬浮物将很快堵塞在滤层表面使其失效，滤层使用寿命也大为缩减。

本文根据不同粒组配制成雨洪悬浮物，采用不同粒组悬浮物对不同孔径滤层淤堵特性试验分析滤层淤堵规律，选择相应拦截效果最佳的滤层型号。粒组悬浮物浓度为1 000 mg/L。试验方案如表2所示。另外根据上述试验选材结果，选用规格为80 ppi和100 ppi的2种泡沫塑料作为滤层，开展不同悬浮物浓度条件下的淤堵试验，悬浮物质量浓度分别为200、500、1 000、2 000、5 000 mg/L。试验方案见表3。

表2 不同粒组悬浮物下不同规格滤层淤堵试验方案

表3 不同浓度悬浮液下滤层淤堵试验方案

试验过程中，用塑料试管收集不同时间节点的渗滤液，用浊度计测出浊度值以监测浊度变化。记录测压管水位的变化以监测淤堵过程中滤层渗透系数的变化，渗透系数计算可采用达西定律，即

(1)

式中：K为滤层渗透系数(cm/s)；V为时间t内通过滤层的水量(cm3)；L为渗径长度(cm)；A为滤层截面面积(cm2)；H1、H2分别为进、出水口测压管读数(cm)。

3 试验结果分析

3.1 不同粒组悬浮物对不同孔径滤层淤堵试验结果

试验开始后采用清水入渗使滤层饱和，待水流稳定后加入固体颗粒物。随着试验的进行，观察到出水端水流由清慢慢变浑再逐渐变清，出水水量逐渐变小。试验结束后滤层出水端有细颗粒沉积(试验F2、F4和F5除外)，进水端表面有固体颗粒附着。试验过程中监测了滤层渗透系数和滤出液浊度的变化。

图3 相同悬浮物粒径范围下滤层k-t变化曲线

3.1.1 渗透系数的变化

图3给出了不同滤层规格下渗透系数随时间的变化规律。图3(a)和3(b)表明渗透系数随时间只有微小减小，试验过程中发现粒径范围为[0.5，1.0) mm和[0.25，0.5) mm的悬浮物容易在进水端沉积(见图4)。在F5试验结束后，收集了水平渗透仪进水口以及补给箱中的余砂，烘干称量得到其质量为379.22 g，试验记录用砂总量为430 g，则停留在滤层内部的砂大约为50 g，不到用砂总质量的1/8，说明只有极少部分在滤层内部停留。图3(c)中F7和F8(F6滤层孔径较F7和F8大，初始渗透系数高，难以直接作比较)和图3(d)表明在相同的悬浮物粒径下滤层渗透系数下降速率与其孔径关系为：滤层孔径越大，下降速率越慢；滤层孔径越小，淤堵速度越快。试验F6—F11以及图3(e)F13中的滤层渗透系数随时间均呈现出“L”型淤堵规律。渗透系数的变化随着试验的逐渐进行可以分为3个阶段：

图4 F4试验后进水端沉积的砂

(1)快速下降阶段。这一时期渗透系数呈线性下降，不同粒组下这种线性变化持续的时间有所不同。[0.1,0.25) mm粒组大约为20～25 min，[0.075,0.1) mm粒组大约为10～15 min，<0.075 mm粒组约为10 min(仅限于试验F13)。从这一点来看细颗粒似乎更容易造成滤层渗透系数在短期内迅速降低。

(2)缓慢下降阶段。渗透系数的变化进入“弯段”——过渡期，渗透系数减小速度变慢。

(3)相对稳定阶段。在有限的时间内，渗透系数几乎不发生变化。

而图3(e)中F12的滤层渗透系数在试验开始的15 min有微小的下降，约为0.1 cm/s，之后几乎不再变化;试验结束之后渗透装置出水端沉积一层约1 cm厚的黏土，见图5。F14渗透系数随时间的变化曲线前期近乎为一条倾斜的直线，直到第380 min左右开始慢慢趋于稳定。对于<0.075 mm的颗粒，从试验数据分析来看，它对100 ppi的滤层淤堵得更快，但需要注意的是即使规格为120 ppi的滤层，在出水端依然有颗粒“穿孔而出”，如图6所示。

图5 试验F12结束后出水端沉积的黏土

图6 试验F14结束后出水端细颗粒“穿孔而出”

不同悬浮物粒径下滤层渗透系数随时间的变化曲线如图7所示(注意：图7(c)和图3(b)中的F5纵轴比例尺不同，使得图像变化规律看起来有所不同，实际是相同的)。由图7中的(b)、(c)、(d)图可以得知，滤层规格为50 ppi、60 ppi和80 ppi时，悬浮颗粒粒径越小，滤层渗透系数下降速率越快；粒径越大，下降速率越慢。对于试验F6、F7、F9、F10、F13来说，即使悬浮物粒径小于滤层孔径，试验结束后的滤层渗透系数大约为初始渗透系数的1/10(由1.0 cm/s左右降到了0.1 cm/s以下)，降低了约一个数量级。这与Reddi等[15]研究砂石滤层物理淤堵的结果相似。然而，滤层规格为100 ppi时却表现出与50 ppi、60 ppi和80 ppi相反的规律，即悬浮颗粒粒径越大，滤层渗透系数下降速率越快；粒径越小，下降速率越慢，见图7(e)。F11试验结束之后发现滤层进水面出现了一层泥皮，试样表面自然风干之后如图8所示。

图7 不同悬浮物粒径下滤层k-t变化曲线

图8 F11试验结束后滤层进水面出现一层泥皮

3.1.2 渗滤液浊度的变化

浊度反映的是溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，主要包括悬浮物对光线产生的散射和溶质分子对光线的吸收。水的浊度不仅与水中悬浮物质的含量有关，而且与悬浮物质的大小、形状以及折射系数等有关。试验过程中收集了F9、F10、F11、F12、F13、F14的渗滤液，测得其浊度(单位：NTU)随时间的变化曲线如图9所示。

图9 不同规格滤层渗滤液浊度变化

图9(a)中F9、F10、F11以及图9(b)中F13表明渗滤液浊度的变化同样可以分为3个阶段：

(1)快速增加阶段。试验开始初期，渗滤物由清澈快速变浑浊，[0.075,0.1) mm粒组渗虑液浊度在试验开始后15～20 min达到峰值，<0.075 mm粒组渗虑液浊度则在试验开始后10～15 min达到峰值。

(2)降低阶段。渗滤液浑浊状态逐渐变浅，浊度减小。

(3)相对稳定阶段。浊度保持动态稳定。

图9(b)中F12滤出液浊度在短时间内快速增加到峰值之后基本维持不变,F14滤出液浓度达到峰值之后下降缓慢，均与渗透系数的变化规律相一致。

3.2 不同浓度悬浮物下滤层淤堵试验结果

3.2.1 渗透系数的变化

连续级配颗粒悬浮物入渗下，渗透系数随时间的变化曲线如图10所示。结果表明在相同滤层孔径下，悬浮颗粒浓度越大，渗透系数下降速率越快；浓度越小，渗透系数下降速率越慢。数据记录显示在淤堵完成后，悬浮物浓度为5 000、2 000、1 000 mg/L时滤层渗透系数降至0.1 cm/s以下，浓度为500、200 mg/L时滤层渗透系数降为0.14 cm/s左右。对于所选用的2种滤层来说，由于孔径接近，渗透系数的降低程度相差不大。

图10 不同悬浮物浓度下滤层k-t变化曲线

图11中不同规格滤层渗透系数随时间的变化曲线说明，在相同的悬浮物浓度下，滤层孔径越小，渗透系数随时间增长降低越快；滤层孔径越大，渗透系数随时间增长降低越慢。悬浮物浓度为200 mg/L时，在试验开始时的50 min内渗透系数没有明显的降低。从图11中的(a)、(b)、(c)和(d)图可以看出，试验结速之后2种孔径的滤层渗透系数相差不大，说明淤堵程度与滤层孔径关系不明显。

图11 不同规格滤层k-t变化曲线

3.2.2 渗滤液浊度的变化

图12给出了渗滤液浊度随时间的变化规律。结果显示渗滤液浊度的变化过程也可以分为与3.1试验中相似的3个阶段：①由清水入渗转变为悬浮物入渗时滤出液浊度的快速上升阶段。②滤出液浊度的缓慢下降阶段。③滤出液浊度的相对稳定阶段。

图12 不同孔径滤层渗滤液浊度变化

4 试验结果分析与讨论

4.1 不同粒径悬浮物对不同孔径滤层淤堵试验结果分析

4.1.1 渗透系数变化分析

悬浮颗粒随着水流进入滤层孔隙，逐渐堵塞过流通道，也有部分颗粒附积在滤层表面，两者均会导致渗透系数的降低。图3中试验F1—F5中悬浮物大都在进水端沉积，只有极少部分进入滤层内部，渗透系数只有微小的减小。类似这样粗粒悬浮物，可以通过设置前置池避免其进入渗滤系统，或者通过对入渗系统清淤得以解决。本文将对粒径<0.25 mm的颗粒进行重点讨论。

试验F6—F11以及试验F13渗透系数随时间具有相似的“L”型变化规律，见图3(c)—图3(e)。这表明滤层具有相似的淤堵过程，即试验开始时有大量颗粒进入滤层内部，占据了其内部孔隙空间，降低了过流面积，导致渗透系数的快速降低；随着悬浮颗粒的入渗，滤层内部孔隙通道继续变小，颗粒进入滤层的变小、数量变少，渗透系数进入缓慢下降阶段；到最后滤层内部淤堵完成后，渗透系数稳定不变。此外，本文定义如果一组悬浮颗粒使得某种孔径的滤层渗透系数有更快的降低，则该孔径的滤层对这组悬浮颗粒具有较好的截留效果——滤层既能够拦截较粗颗粒进入，又能使大部分细颗粒留存在自身内部。那么[0.1，0.25) mm、[0.075，0.1) mm及<0.075 mm的每一组悬浮颗粒均对应着一种截留效果较好的滤层。比如[0.1，0.25) mm对应80 ppi的滤层，[0.075，0.1) mm和<0.075 mm均对应100 ppi的滤层。

试验F12的渗透系数在试验过程中几乎没有变化，这是由于试验F12的滤层孔径远大于悬浮颗粒粒径，在水流的作用下颗粒直接穿过滤层孔隙被带出而难以淤堵，见图5。试验F14滤层渗透系数随时间的增长在试验前中期呈线性降低的原因可能是黏土颗粒直径与滤层孔径相差不大，能够同时进入滤层内部孔隙的颗粒较少，而且进入其中的单个颗粒容易随水流带出，只有少量停留在滤层内部，淤堵过程比较缓慢。随着淤堵颗粒的累积，滤层孔隙被逐渐占据，渗透系数趋于稳定。

淤堵过程如图13(a)所示，其中粗颗粒是指颗粒粒径相较于滤层孔径而言大的颗粒，细颗粒反之。

滤层孔径为100 ppi时渗透系数变化之所以表现出与50 ppi、60 ppi和80 ppi不同的规律，可能是由于较粗的颗粒同时进入滤层孔隙内部比较困难，更容易在滤层表面引发堵塞而造成渗透系数的快速降低，颗粒淤堵机制如图13(c)所示。从试验现象来看，可以确定的是：图13(b)中所示的细颗粒在滤层内部沉积以及悬浮颗粒物在滤层进水面积聚产生的泥皮均能引起试验F6、F7、F9、F10、F13中滤层渗透系数的降低。但并不确定是否有图13(d)流体动力桥接的“贡献”(现有成果的桥接现象多在胶体颗粒间发生，是由于孔隙附近的水动力克服了颗粒间和颗粒-孔隙表面的胶态斥力而阻止了颗粒同时进入孔隙[17])，这还有待于细观之下的研究成果。

图13 孔隙淤堵机制

需要注意的是，随着试验时间的延长，滤层进水面前端会形成低渗透区(或者滤饼)，所测量的渗透系数应为滤饼-泡沫塑料滤层整体的渗透系数[18-19]。此时渗透系数的稳定只是短时间的相对稳定，随着时间延长，渗透系数仍会逐渐降低直至滤层完全淤堵。

同样的，对于某一孔径的滤层也对应着一组截留效果较好的粒组悬浮物。比如50 ppi的滤层对[0.1，0.25) mm的粒组悬浮物截留效果好一些，80 ppi和100 ppi的滤层对[0.075，0.1) mm的粒组悬浮物均有不错的截留效果。

4.1.2 渗滤液浊度变化分析

试验中发现浊度受到所选用的土颗粒颜色影响较大，本文旨在通过滤出液浊度的变化来说明和验证滤层淤堵程度的变化，所测值并不真实代表滤出液中的悬浮颗粒含量。图9中渗滤液浊度的变化说明试验刚开始时，滤层孔隙空间还没有被淤堵，部分细颗粒经滤层随水流带出，渗滤液浊度快速增加达到峰值；随着淤堵颗粒在滤层内部的积累，孔隙通道逐渐变小，颗粒随水流带出比较困难，渗滤液浊度逐渐减小；滤层内部淤堵完成后，渗滤液浊度不再发生变化，处于一个相对稳定的数值。

综合以上分析，滤层孔径和悬浮液粒径的相关关系为：对粒径为[0.1，0.25) mm的悬浮物具有最佳截留效果的滤层规格为80 ppi；对粒径<0.075 mm的悬浮物具有最佳截留效果的滤层规格为100 ppi； 而80 ppi和100 ppi规格的滤层对粒径为[0.075， 0.1) mm的悬浮物均有不错的截留效果。 对于>0.25 mm的颗粒， 由于其在水流输送途中容易发生沉积， 则可以通过在渗井前设置沉砂池， 在进入滤层前将其除去； 也可以定期或不定期对渗井进行清淤。 此外， 还需进一步细分粒径在0.25 mm左右的颗粒范围， 研究不同流速下颗粒的沉积情况。

4.2 不同浓度悬浮物滤层淤堵试验结果分析

图10中滤层规格为80 ppi时，5组试验结束时的滤层渗透系数最大值为0.157 cm/s，最小为0.095 cm/s，两者相差0.062 cm/s；滤层规格为100 ppi时，5组试验结束时的滤层渗透系数最大值为0.150 cm/s，最小为0.063 cm/s，两者相差0.087 cm/s。试验前后滤层渗透系数降低幅度很小，可以忽略不计，说明颗粒浓度只是决定了淤堵的速率，颗粒浓度与最终淤堵的程度关系不明显。图11(a)中悬浮物浓度为200 mg/L时2种滤层的渗透系数在试验初期没有明显变化，这是因为悬浮物浓度比较小，试验初期同时进入滤层的颗粒较少，而且极易被水流带出，滤层淤堵缓慢；随着颗粒的逐渐沉积，滤层内部孔隙通道慢慢减小，渗透系数开始快速降低。

渗滤液浊度的变化表明悬浮物入渗初期，部分悬浮颗粒随水流带出滤层，在短期内滤出液浊度快速增加达到峰值；随着时间的延续，更多悬浮颗粒进入滤层堵塞内部孔隙通道，被水流带出滤层的颗粒慢慢减少，滤出液浊度渐渐下降；随着滤层内部淤堵完成，滤出液浊度渐趋稳定。

入渗模拟试验结果也显示所选用的这几种规格的泡沫塑料滤层能够对雨洪悬浮物进行较为有效的截留。无论是从滤层结构的适用性还是从滤层的工作效果来说，将可拆换的泡沫塑料滤层应用于海绵城市入渗设施——渗井中是可行的。

5 结 论

本文通过开展不同粒径悬浮物溶液对不同孔径滤层入渗模拟试验以及不同悬浮物浓度下雨洪入渗模拟试验，得出如下结论：

(1)在不同粒径悬浮液对不同孔径滤层的淤堵特性试验中，当悬浮物粒径为[0.075，0.1) mm时，滤层渗透系数的变化随着滤层的逐渐淤堵可以分为3个过程，即快速下降阶段、缓慢下降阶段和相对稳定阶段。

(2)在不同粒径悬浮液对不同孔径滤层的淤堵特性试验中，即便悬浮物粒径小于滤层孔径，试验完成后的滤层渗透系数大约为初始渗透系数的1/10，降低了约一个数量级。

(3)试验选材结果表明对于[0.1，0.25) mm以及<0.1 mm的细颗粒，与其相对应的具有最佳截留效果的滤层规格分别为80 ppi和100 ppi。

(4)悬浮液浓度决定了滤层淤堵的快慢，与淤堵程度没有明显关系。浓度越大，滤层渗透系数下降越快；浓度越小，滤层渗透系数下降越慢。

(5)滤层淤堵过程中渗滤液浊度随时间的变化规律也证明了渗透系数的变化规律。

鉴于泡沫塑料滤层淤堵机理比较复杂，将继续开展泡沫塑料滤层淤堵物细观空间形态研究，深入探索滤层内部淤堵物的颗粒组成以及分布情况等。试验中滤层出水端发现有细颗粒，这些穿过滤层流出的颗粒对周围环境的影响程度如何需要接受评估。加大滤层厚度能够提高悬浮颗粒物滤除效果，需要进一步开展更大尺度的物理淤堵模型试验和现场原型试验以确定合理的滤层尺寸。此外，滤层淤堵是由物理作用、生物作用和化学作用中两者或三者共同作用的结果，本文没有考虑生物生长和化学反应对滤层淤堵的影响。