多孔介質中反復注入顆粒遷移特性試驗

陳星欣,蘇世灼,張清林

(1.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096; 2.華僑大學土木工程學院,福建 廈門 361021; 3.中國建筑股份有限公司技術中心,北京 101300)

多孔介質中反復注入顆粒遷移特性試驗

陳星欣1,2,蘇世灼2,張清林3

(1.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096; 2.華僑大學土木工程學院,福建 廈門 361021; 3.中國建筑股份有限公司技術中心,北京 101300)

通過兩種不同滲流速度的室內試驗系列,采用在每個系列中分別向土柱中注入13次約392 mL顆粒懸浮液的方法,研究了注入次數和粒徑對多孔介質中顆粒遷移特性的影響。結果表明,注入次數、顆粒粒徑以及滲流速度對顆粒遷移特性有重要影響:在穩定速度的滲流作用下,注入顆粒的遷移特性曲線呈現類似于“正態分布”的規律,下降段持續時間大于上升段持續時間;滲流速度較小時,隨著注入次數增加,顆粒濃度峰值逐漸增大;滲流速度較大時,顆粒濃度峰值幾乎不隨注入次數變化。中值粒徑為3.40 μm的顆粒隨深度增加,沉積顆粒的質量比逐漸減小;中值粒徑為5.10 μm的顆粒在0.085 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比要明顯大于0.170 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比。滲流速度較小時,顆粒粒徑越大所受的重力越大,相應的運動速度也越大;滲流速度較大時,水動力是影響顆粒遷移速度的主要因素。粒徑越大的顆粒所受的篩濾作用也越大,相應的沉積量也越多。

：顆粒;反復注入;遷移特性;多孔介質;滲流

地下水反復回灌過程中顆粒遷移特性的研究在地源熱泵、城鎮供水、農田灌溉、鹽堿化土壤改良以及環境保護方面有重要意義。地下水回灌可以增加水資源、改善水質和控制地下水水位[1-5];同時地下水回灌技術是地源熱泵系統的關鍵技術。目前,地源熱泵存在“抽水易回灌難”的特點,地下水經過換熱器以后很難回灌到特定的含水層中,這主要是由于回灌過程中顆粒堵塞孔隙造成的。另外,回灌水中的污染物也可吸附在細小顆粒表面隨水流擴散,并且回灌水中生物顆粒會嚴重影響地下水的水質安全和人的身體健康，而回灌水中的生物顆粒主要來源于管道泄漏、化糞池和污水滲漏以及土地利用產生的污水和污泥等[6-11]。

影響顆粒遷移的化學因素主要有顆粒類型、溶液成分、pH值、離子強度以及溶液溫度,物理因素主要有粒徑分布、孔隙結構、顆粒濃度以及水力條件等[9,12]。在地下水反復回灌過程中,化學條件穩定時,顆粒之間的斥力消失,顆粒的沉積速率隨著多孔介質表面顆粒數量的增大而增大,從而促進顆粒沉積。大量研究發現顆粒很容易滯留在低滲流區域,低滲流區域主要是顆粒間的接觸點附近或者小孔隙中[12]。此外,當顆粒之間的作用力為斥力時,由于先前沉積的顆粒占據了多孔介質的表面且對懸浮的顆粒有斥力作用,此時顆粒的沉積速率隨著多孔介質表面沉積顆粒數量的增大而減小[13]。Liu等[13]研究發現高濃度的膠體比低濃度膠體更能迅速擴散到有利吸附的區域。Tan等[14]發現去離子水中的細菌遷移特性隨細菌濃度增大而增大。可見,反復回灌過程中沉積顆粒和懸浮顆粒的相互作用對顆粒遷移過程有重要影響。

天然狀態下地下水流速一般很小,回灌過程中滲流條件以及化學環境的變化也會造成沉積顆粒的重新釋放。Kaplan等[15]研究了pH值、Na吸附比以及低電解質濃度對重塑土中膠體釋放特性的影響。Shen等[16]通過試驗發現降低離子強度可以增加顆粒分離釋放效果。Sefrioui等[17]通過數值模擬研究了相互作用力以及表面粗糙度對顆粒停留特性的影響。另一方面,反復回灌過程中顆粒沉積會造成多孔介質孔隙變化,顆粒和多孔介質粒徑比值是控制多孔介質中顆粒沉積的重要因素，較大直徑的顆粒不能從較小孔徑的孔隙中穿過,從而產生篩濾作用；然而,當顆粒直徑小于孔隙喉道時,顆粒和多孔介質表面的物理化學作用對顆粒遷移特性有很大影響,這些影響統稱為非篩濾作用，包括擴散、吸附、沉積、攔截、慣性以及水動力作用等[12]。

本文對多孔介質中反復注入顆粒遷移特性進行試驗研究,以深入分析注入次數和顆粒粒徑對顆粒遷移特性的影響及停留在土柱中的顆粒隨深度的變化特性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗顆粒采用人工合成的球形硅微粉,中值粒徑分別為3.40 μm和5.10 μm,顆粒級配合理。多孔介質采用天然石英砂,其級配不良,粒徑分布范圍為1.00～3.10 mm。試驗前將沖洗干凈的石英砂在105℃條件下烘干24 h備用。

1.2 試驗方法

試驗設備如圖1所示,土柱內徑為70 mm,高度為300 mm。蠕動泵抽取儲液箱里的高純去離子水注入土柱,同時通過流量計測定單位時間的流量。進水口和出水口處的篩網可以確保滲流均勻流過整個土柱斷面。每隔一定時間,對出水口處液體的濁度進行測試,利用水中顆粒濁度和濃度的關系將濁度進行轉換,進而分析流出液中顆粒濃度的變化特性。試驗土柱分10層填裝,每層填裝約176 g石英砂并搗實相同次數,填裝時盡量控制搗實能量使土柱形成均勻整體。每次試驗前對填裝好的土柱進行初次沖洗,當土柱流出液的濁度趨于純水濁度時,可以進行正式的試驗。

圖1 試驗裝置示意圖

進行兩種不同滲流速度(0.085 cm/s和0.170 cm/s)情況下的顆粒遷移特性系列試驗,在每個系列中依次向土柱中注入13次顆粒懸浮液,每次注入約392 mL質量濃度為0.2 g/L的顆粒懸浮液,每次注入完懸浮液以后繼續注入高純去離子水,直至流出液濁度趨于純水濁度為止。在每一個試驗系列中,在相同條件下對兩種不同粒徑顆粒分別進行試驗。在每次注入試驗時,從注入顆粒懸浮液開始,每隔一定時間用濁度儀測定流出液中水樣濁度,當流出液濁度趨于純水濁度時,即可開始下一次顆粒懸浮液注入。通過水中顆粒濃度和濁度的關系對流出液顆粒濃度的變化特性進行分析。

為定量分析試驗完成后沉積在土柱中的沉積顆粒隨深度的變化特性,每次試驗完成以后,在土柱不同深度取出一定量的石英砂放入100 mL的鋁盒,每個土柱間隔5 cm深度取樣,在每個鋁盒中加入去離子水,然后通過振動使得石英砂和顆粒分離。對鋁盒中濁度進行測試,即可求得鋁盒中顆粒濃度。鋁盒中石英砂和水的體積可以通過空盒、水和裝砂鋁盒的質量求出。

2 試驗結果分析

2.1 注入次數對顆粒遷移特性的影響

注入顆粒會使沉積顆粒重新釋放,因此注入次數對多孔介質中顆粒遷移有重要影響。圖2和圖3分別為粒徑3.40 μm和5.10 μm顆粒在兩種不同滲流速度下的遷移特性曲線,圖中孔隙體積比PV是指流過土柱的總流量和土柱孔隙體積的比值,用來表示顆粒遷移時間;C/C0(C為流出液中顆粒濃度,C0為注入懸浮液顆粒濃度)為相對濃度;虛線指示PV為0.8的位置,顆粒懸浮液注入持續時間是0～0.8PV,從0.8PV開始,從土柱進水口注入高純去離子水,整個注入過程中滲流速度不變。

圖2 流出液中3.40 μm粒徑顆粒遷移特性曲線

圖3 流出液中5.10 μm粒徑顆粒遷移特性曲線

從圖2可以看出,在每一次注入顆粒懸浮液時,流出液中的顆粒濃度曲線都呈現“正態分布”的規律,曲線上升段持續時間較短,下降段持續時間要大于上升段持續時間。分析可知,由于顆粒懸浮液注入時間持續了大約0.8PV,這種短時注入方式使得流出液中顆粒濃度曲線呈現類似于“正態分布”的規律；注入顆粒首先在多孔介質中發生沉積,隨后部分沉積顆粒逐漸釋放,造成下降段持續時間較長。圖2(a)中0.8PV處,隨著注入次數增加,遷移特性曲線的顆粒濃度也逐漸增大，顆粒濃度峰值也隨注入次數增加呈增大趨勢且所對應的PV逐漸減小，其中,第1、4、7、10、13次注入時的濃度峰值對應的PV分別為1.47、1.41、1.36、1.31和1.25。分析可知,由于同類型顆粒間的作用力為斥力,先前沉積的顆粒占據了多孔介質表面,并且對后注入的懸浮顆粒產生斥力,此時顆粒的沉積速率隨著多孔介質表面沉積顆粒數量的增大而減小,從而造成流出液中顆粒濃度隨注入次數增加而增大。另外,懸浮狀態的顆粒對小孔隙或者大孔隙吼道處的沉積顆粒有碰撞或者排斥作用,造成沉積顆粒逐漸釋放,表現為注入次數越多,沉積顆粒釋放到流出液中也越快。

圖2(b)0.8PV處,顆粒濃度隨注入次數增加而增大,但顆粒濃度峰值隨注入次數變化很小,并且每次注入時顆粒遷移特性曲線的濃度峰值所對應的PV大致相等,約為1.23。這表明在較大的滲流速度作用下沉積在土柱中的顆粒數量也相應較少,相應的沉積顆粒釋放以及沉積顆粒對后注入的懸浮顆粒沉積特性影響都較弱,所以顆粒濃度和遷移速度隨注入次數的變化很小。

從圖3可以看出,在每注入一次顆粒懸浮液后,流出液中的顆粒濃度也呈現類似于“正態分布”的規律。圖3(a)0.8PV處,顆粒濃度隨注入次數增多變化很小,但顆粒濃度峰值隨注入次數增加而增大。分析可知,在顆粒懸浮液注入過程中,較大粒徑顆粒的沉積作用遠大于顆粒釋放以及顆粒間斥力作用,表現為0.8PV處的顆粒濃度幾乎不隨注入次數變化。然而,在顆粒懸浮液注入完成以后,顆粒釋放作用逐漸明顯,表現為顆粒濃度峰值隨注入次數增加而增大。圖3(b)0.8PV處,顆粒濃度隨注入次數增加而增大,但顆粒濃度峰值隨注入次數增加的變化很小。這主要是由于較大的滲流速度條件下,顆粒釋放作用也較強,滲流速度是控制顆粒遷移與釋放的主要因素。可見,顆粒濃度峰值不僅和滲流速度相關,也與顆粒粒徑有很大關系。

2.2 試驗完成后沉積在土柱中的顆粒沿深度方向的變化特性

圖4為在兩種不同速度滲流作用后沉積在土柱中的懸浮顆粒隨深度的變化曲線,圖中質量比為取出的一定量石英砂中沉積的顆粒和石英砂的質量之比。

圖4 兩種滲流速度條件下沉積在土柱中的顆粒隨深度變化曲線

從圖4(a)可以看出,對于3.40 μm粒徑的沉積顆粒來說,兩種不同速度的滲流作用后顆粒沿深度方向的變化特征很相似,土柱中沉積顆粒質量比從土柱頂部到底部大致呈現減小趨勢。可見,顆粒直徑較小時,篩濾作用較小,而擴散、吸附、沉積、攔截、慣性等對顆粒沉積的影響較大,表現為沉積顆粒質量隨遷移距離逐漸減小。從圖4(b)可以看出,5.10 μm粒徑的沉積顆粒從土柱頂部到底部的變化特征為:滲流速度0.085 cm/s時,沉積顆粒質量比變化很小,在0.025%左右波動;滲流速度為0.170 cm/s、深度為0～25 cm時,沉積顆粒質量比隨深度增加而減小;當深度大于25 cm時,沉積在多孔介質中的5.10 μm粒徑顆粒的質量比略有增加。分析可知,顆粒較大時,篩濾作用控制顆粒沉積特性,越靠近進水口,篩濾作用越明顯;然而,當滲流速度較大時,篩濾作用的影響較小,顆粒沉積特性主要由滲流速度決定。比較兩種滲流流速條件下5.10 μm粒徑顆粒的沉積結果可以發現,0.085 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比要明顯大于0.170 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比,這進一步表明滲流速度是控制顆粒沉積的重要因素,滲流速度越大,顆粒沉積量越少。

比較圖4(a)和圖4(b)可知,顆粒粒徑不同,沉積顆粒的特征也大不相同。在滲流速度為0.170 cm/s時兩種粒徑沉積顆粒質量比在0.025%左右波動,波動幅度不大;在滲流速度為0.085 cm/s時,3.40 μm粒徑的沉積顆粒質量比要明顯小于5.10 μm粒徑的沉積顆粒質量比。分析可知,在較低的滲流速度作用下,較小粒徑顆粒遷移的量也較大,相應的沉積顆粒較少;然而,在較大的滲流速度作用下,顆粒粒徑對顆粒沉積的影響很小。可見,顆粒沉積特性是滲流速度和粒徑耦合作用的結果。

圖5 不同注入次數條件下顆粒遷移特性曲線

2.3 粒徑對顆粒遷移特性的影響

顆粒粒徑越大,篩濾作用對顆粒運動的影響也越大。圖5為不同注入次數情況下兩種粒徑顆粒的遷移特性曲線。從圖5可以看出,滲流速度為0.085 cm/s時,3.40 μm粒徑顆粒的濃度要大于5.10 μm粒徑顆粒的濃度,并且前者的濃度峰值對應的PV要大于后者濃度峰值對應的PV。這表明滲流速度較小時,顆粒粒徑是影響顆粒遷移的主要因素,顆粒粒徑越大所受的重力越大,相應的運動速度也越大。但是,粒徑越大的顆粒所受的篩濾作用也越大,相應的沉積量也越多,表現為流出液中顆粒濃度越小。在滲流速度為0.170 cm/s時,3.40 μm粒徑顆粒的濃度要大于5.10 μm粒徑顆粒的濃度,但兩者的濃度峰值對應的PV基本相同。分析可知,滲流速度較大時,兩種粒徑的顆粒受到的水動力都很大,此時重力對不同粒徑顆粒的影響基本相同,表現為濃度峰值對應的PV相同;然而,顆粒粒徑越大,其受到的篩濾作用影響也越大,相應的濃度越小。

3 結 論

a. 當滲流速度穩定時,注入顆粒的遷移特性曲線呈現類似于“正態分布”的規律,曲線上升段持續時間較短,而下降段持續時間要大于上升段持續時間。

b. 滲流速度較小時,隨著注入次數增加,顆粒濃度峰值逐漸增大；滲流速度較大情況下,顆粒濃度峰值幾乎不隨注入次數變化。然而,顆粒濃度峰值所對應的PV變化趨勢比較復雜,主要取決于注入次數、顆粒粒徑以及滲流速度等。

c. 對于中值粒徑為3.40 μm的顆粒來說,兩種滲流速度情況下的沉積顆粒質量比沿深度方向逐漸減小,土柱頂部沉積顆粒的質量最大,土柱底部沉積顆粒的質量最小;對中值粒徑為5.10 μm的顆粒來說,0.085 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比要明顯大于0.170 cm/s速度滲流作用后的沉積顆粒質量比,這表明滲流速度越大,顆粒沉積量越少。在滲流速度為0.085 cm/s時,3.40 μm粒徑的沉積顆粒質量比要小于5.10 μm粒徑的沉積顆粒質量比。可見,顆粒沉積特性是滲流速度和粒徑耦合作用的結果。

d. 滲流速度較小時,顆粒粒徑越大所受的重力越大,相應的運動速度也越大;但是,粒徑越大的顆粒所受的篩濾作用也越大,相應的沉積量也越多。滲流速度較大時,水動力是影響顆粒遷移的主要因素,粒徑越大的顆粒所受篩濾作用也越大,相應的顆粒濃度也越小。

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Experimentalstudyontheparticletransportinporousmediaunderrepeatedinjectionconditions

CHEN Xingxin1,2，SU Shizhuo2，ZHANG Qinglin3

(1.SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.CollegeofCivilEngineering,HuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China; 3.TechnicalCenter,ChinaStateConstructionEngineeringCooperation,Beijing101300,China)

Experiments were conducted to investigate the effect of injection times and particle sizes on particle transport in porous media. Two experimental series were performed under two different flow velocities. Injections of 392 mL particle suspensions into the porous media were repeated 13 times for each experimental series. The study reveal that injection times, particle sizes and seepage velocities have great impact on the characteristics of particle transport. Under steady seepage velocity, the transport curves of the injected particles have a normal distribution and the pore volume corresponding to the descent portion of the curve is larger than the value of ascent portion. Besides, the peak concentrations increase with injection times for low flow velocity conditions. However, peak concentrations hardly vary with the injection times for high flow velocity conditions. The amount of the deposited particles decreases with increased depth for particles of 3.40 μm median diameter. The quality ratio of the deposited particles under 0.085 cm/s flow is greater than those under 0.170 cm/s flow. When the seepage flow rate is low, the effect of gravity increases for larger size particles, and the corresponding particle transport velocity is also higher. However, when the seepage flow rate is high, particle transport velocity is mainly controlled by hydrodynamic forces. The screen effect on particle deposition is more obvious for particles of larger grain sizes, resulting in a higher deposition rate.

particles;repeated injection; release characteristic;porous media;seepage

國家自然科學基金(51308235);中國博士后科學基金(2015M580384);福建省自然科學基金(2015J01209)

陳星欣(1984—),男,副教授,博士,主要從事環境巖土工程研究。E-mail:cxx0910@gmail.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.05.011

TV139.16;TU411

：A

：1006-7647(2017)05-0064-05

2016-11-24 編輯：熊水斌)