懸濁液在飽水砂柱的滲透及物理堵塞特性研究*

李凱帆（武漢輕工大學(xué)多孔介質(zhì)力學(xué)研究所 武漢 430023）

0 引言

目前，懸浮物在多孔介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化的過程中，導(dǎo)致多孔介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特性及工程性質(zhì)的改變，由此引發(fā)的次生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害引起普遍關(guān)注。例如在實(shí)際尾礦庫工程中，由于多尺度顆粒物（懸浮物、膠體、溶質(zhì)）的滲透傳輸，導(dǎo)致其尾礦庫的排滲濾層淤堵，浸潤線過高，壩體失穩(wěn)繼而潰壩；人工回灌時(shí)由于回灌設(shè)施或回灌地層懸浮物堵塞的問題，降低了回灌設(shè)施的使用時(shí)間，浪費(fèi)水資源。

國內(nèi)外學(xué)者對懸浮物的滲透傳輸以及淤堵問題的研究一般采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法。其中，砂柱試驗(yàn)是最有效、最為直接的方法之一。李璐等[1]通過砂槽滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，懸浮顆粒的團(tuán)聚物附著含水介質(zhì)中，介質(zhì)之間孔隙體積減小則引起物理堵塞；黃修東等[2]利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)來模擬井灌過程中砂層的堵塞現(xiàn)象，懸浮物多數(shù)堵塞在表層；高小孟等[3]采用擴(kuò)散沉降平衡的方法計(jì)算小風(fēng)速情況下懸浮物的沉降速度，考慮濃度、外界因素對懸浮物的影響；Cuthbertson等[4]分析了在同等水動力條件下將粘土與沙粘土泥沙懸濁液的絮凝沉降過程，沙子阻礙懸浮物的自然沉降過程；Xu等[5-6]利用核磁共振技術(shù)研究了不同水力梯度下尾礦砂的孔隙分布和滲透率，水力梯度變大，尾礦試樣的孔隙減少，堵塞程度嚴(yán)重，并且粒子間排列緊密，滲透系數(shù)減小；Sun等[7-8]基于非飽和滲流理論，推導(dǎo)了尾礦壩渾水淤積的數(shù)學(xué)模型，且利用有限元軟件模擬計(jì)算尾礦庫的滲流規(guī)律，得到了飽和線的位置和孔隙水壓的等效線。

本文考慮不同濃度下的懸浮物在多孔介質(zhì)中滲透以及團(tuán)聚沉積造成淤堵現(xiàn)象，本試驗(yàn)采用室內(nèi)砂柱試驗(yàn)的方法，模擬在一定水力梯度下，分析該入滲過程中介質(zhì)砂柱的滲透系數(shù)變化趨勢以及懸浮物濃度對多孔介質(zhì)滲透性能的影響，探究懸浮物堵塞機(jī)理。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

砂柱模擬試驗(yàn)裝置主要由有機(jī)玻璃柱、供水箱、導(dǎo)水管、燒杯組成。有機(jī)玻璃高度為20 cm，內(nèi)徑為14 cm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)材料

懸浮物是指懸浮在水中的固體物質(zhì)，其顆粒直徑約為0.1~100 μm之間，通常懸浮物顆粒直徑是由泥沙、土、微生物、菌類、溶于水的無機(jī)物及高分子有機(jī)物。

由于懸浮物的特殊性，很難直接提取使用，為了近似模擬其懸浮物的特性要求，本試驗(yàn)所用的黃土狀粉質(zhì)粘土取自武漢市某一施工現(xiàn)場，將土壤縱向取出后裝入密封袋封存，以減少外界條件對其擾動。取得粘土后將其融入自來水中，并通過真空抽濾裝置，提取0.45 μm過濾膜上的物質(zhì)作為懸浮顆粒物，烘干后，稱其質(zhì)量并配置不同濃度的懸濁液。

本實(shí)驗(yàn)中飽和砂柱是由級配良好的標(biāo)準(zhǔn)砂制成，采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司按照GB/T17671-1999規(guī)定生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂將其壓實(shí)于自制有機(jī)玻璃中，注水直到試樣裝置處于飽水狀態(tài)。如下圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 飽和砂柱試樣

1.3 試驗(yàn)方法

采用室內(nèi)砂柱滲透試驗(yàn)?zāi)M懸浮物在飽和砂柱的物理堵塞過程。試驗(yàn)步驟如下：

（1）裝樣：參照有機(jī)玻璃的高度，確認(rèn)砂子使用量，將其砂子與水潤濕混合，并分層壓入有機(jī)玻璃柱，每次裝入一定質(zhì)量的砂樣，按等容重將其壓實(shí)，逐步完成裝柱過程，自制砂柱實(shí)際有效高度為20 cm。

（2）飽水：試樣與導(dǎo)水管相連，緩慢向其內(nèi)部注水，直到試樣下端出水口流出，并持續(xù)注水1 h，保證砂柱處于飽水狀態(tài)。

（3）滲透：打開供水箱內(nèi)的攪拌器，使供水箱中懸濁液濃度保持均勻，在一定的水頭高（Δh=1.30m）的條件下，利用重力的天然條件，將懸濁液注入飽和砂柱中。每當(dāng)燒杯（500ml）注滿后，記錄時(shí)間，直至滲出液澄清并且滲出液較少時(shí)，停止試驗(yàn)。

懸浮物堵塞的現(xiàn)象是因?yàn)閼覞嵋褐械膽腋∥镌谏爸尼尫胚w移引起，其特征主要可以由砂柱的滲透系數(shù)的變化來表征，為了明確堵塞程度，可利用介質(zhì)（砂柱）的滲透系數(shù)K依據(jù)達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算，詳見（1）式，可獲得不同時(shí)刻的砂柱滲透系數(shù)值。

式中：

Q為流量，cm3/s；L飽和試樣的長度，m；Δ h為水頭差，m；D為砂柱內(nèi)徑，m。

2 結(jié)果與討論

在試驗(yàn)中配置不同的懸浮物濃度為5.9g·L-1、18.6g·L-1、24.0g·L-1，進(jìn)行了 3 組的常水頭試驗(yàn)，揭示懸濁液的釋放遷移過程以及懸浮物濃度對砂柱的物理堵塞影響。各組試驗(yàn)砂柱裝砂高度均為20cm，且都在相同水動力條件下（水頭差Δh=1.30m）進(jìn)行。

在試驗(yàn)中，不同濃度下的懸濁液的濃度、滲出量、滲透系數(shù)、時(shí)間的曲線變化以及飽和試樣中淤堵情況分布，如圖3~圖4所示。

圖3 滲出液濃度—時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 滲出量濃度—滲出量關(guān)系曲線

據(jù)圖3、圖4可知，從試驗(yàn)開始后，在滲出液達(dá)到500 ml時(shí)，濃度一（24.00 g·L-1）懸液滲出液濃度最高達(dá)到 0.2992 g·L-1,濃度二 （18.60 g·L-1） 懸濁液滲出液濃度最高為 0.2758 g·L-1，濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液滲出液濃度最高達(dá)到0.2346 g·L-1，在 13.65 min、9.64 min、8.23 min 之后，濃度一（24.00 g·L-1）、濃度二（18.60 g·L-1）、濃度三（5.90 g·L-1）滲出液濃度開始急劇下降。濃度一（24.00 g·L-1）、濃度二（18.60 g·L-1）、濃度三（5.90 g·L-1） 懸濁 液滲出液在 102.1 min、89.2 min、48.53 min時(shí)濃度曲線變化越發(fā)不明顯，直至趨于零。所以，當(dāng)滲出量相等時(shí)，高濃度的懸濁液滲出液濃度小、所用時(shí)間長，濃度一懸濁液濃度變化曲線較陡，浮動大，而濃度三懸濁液濃度曲線平緩，浮動平均；由圖3可表明高濃度懸濁液會最快產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，但是飽水砂柱卻沒有停止?jié)B出，所以在相同時(shí)間下，相比濃度二、濃度三，濃度一的滲出液濃度與時(shí)間曲線會比較平緩，所要產(chǎn)生完全淤堵還需要更長時(shí)間。

由圖5、圖6可知，濃度一（24.00 g·L-1）、濃度二（18.60 g·L-1）、濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液在8.65min、6.25min、4.93min之前，滲透系數(shù)急劇下降，之后滲透系數(shù)緩慢下降且下降趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且濃度一（24.00 g·L-1）懸濁液作用下的整體砂柱滲透系數(shù)衰減率為23.15%~69.94%，而濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液作用下的整體砂柱滲透系數(shù)衰減率為33.52%~67.88%，這表明當(dāng)飽水砂柱中砂子與懸濁液中的懸浮物質(zhì)進(jìn)行緊密結(jié)合，從而引起整體復(fù)合砂柱的滲透性能削弱，并且砂在不同濃度懸濁液的滲透作用下，其滲透系數(shù)是隨著時(shí)間、滲出量逐漸下降，懸濁液濃度越高，滲透系數(shù)的衰減越明顯，飽水砂柱徹底完成堵塞。

圖5 滲透系數(shù)—滲出量關(guān)系曲線

圖6 砂柱的滲透系數(shù)—時(shí)間關(guān)系曲線

由圖7可知，試驗(yàn)中，當(dāng)滲出量達(dá)到7 000ml時(shí)，濃度一（24.00 g·L-1）懸濁液的累積滲出量所需時(shí)間為300.6 min，而對于濃度二（18.60 g·L-1）、濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液分別所用時(shí)間為268.60 min、227.24 min；當(dāng)累積滲出量為5 000ml時(shí)，濃度一（24.00g·L-1）、濃度二（18.60g·L-1）、濃度三（5.90g·L-1）的滲出量速率到達(dá)其巔峰值，其所用時(shí)間分別為102.10min、89.20min、48.53min，過了巔峰值以后，其滲出液滲透傳輸趨于平穩(wěn)，這表示在相同水頭差的條件下，其懸浮物質(zhì)的滲透過程遵從“先快后慢”、“先陡后緩”的趨勢；在水頭差的作用下，懸浮顆粒向飽和砂柱中滲透傳輸，在其傳輸過程中懸浮顆粒堵塞于砂子與砂子之間的孔隙，懸濁液濃度越高，懸浮顆粒沉積在砂子孔隙之中就越多，說明懸浮顆粒往深部遷移受到了一定的限制，懸浮物質(zhì)堵塞程度越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致后期的滲出量變化不大，懸濁液的滲透曲線越來越趨于平緩；

由圖8可知，三種濃度下，飽水砂柱的懸浮物含量分布情況，明顯地看出在0~10cm以及30~40cm處懸浮顆粒物質(zhì)堆積，而0~10cm處，懸浮物質(zhì)堵塞情況更為嚴(yán)重，濃度一（24.00g·L-1L）、濃度二（18.60g·L-1）、濃度三（5.90g·L-1）懸濁液在0~10cm飽水砂柱中所含懸浮物質(zhì)分別為0.152g、0.135g、0.036g，30~40cm 處分別為 0.108g、0.082g、0.021g，10~20cm、20~30cm處，懸浮物顆粒物含量較少，變化浮動小，這表明懸浮顆粒直接堵塞于表層，懸浮顆粒與砂子形成保護(hù)膜。進(jìn)而阻止懸濁液向飽水砂柱內(nèi)部滲透。

圖7 滲出量—時(shí)間關(guān)系曲線

圖8 懸浮物的質(zhì)量分布關(guān)系曲線

綜上所述，當(dāng)懸浮物與砂子之間的粘聚力小于流體的剪切力，懸浮顆粒在砂子中吸附-脫附共同作用中，脫附現(xiàn)象大于吸附現(xiàn)象，明顯地，因水頭差所造成的流速既讓懸浮顆粒吸附于砂子與砂子孔隙之中，同樣流速也讓原先吸附在砂子孔隙之間的懸浮顆粒團(tuán)聚，隨著水體的重力作用，堵塞在砂子之間的團(tuán)聚物也會向下擠入砂柱，繼續(xù)向砂柱內(nèi)部深入，造成一定深度的淤堵，可當(dāng)懸浮物與砂子之間的粘聚力大于流體的剪切力時(shí)，吸附現(xiàn)象大于脫附現(xiàn)象，懸浮顆粒與砂子緊密粘聚形成一層“保護(hù)膜”，這在一定程度上抑制了懸浮顆粒的向下遷移，導(dǎo)致懸浮顆粒將不在往砂柱深部滲透。

懸濁液濃度越高，懸浮顆粒與砂子結(jié)合就越緊密，粘聚力越大，越快形成保護(hù)膜，阻止其懸濁液向下傳輸，進(jìn)而淤堵。

3 結(jié)論

為了研究懸濁液對飽水砂柱的滲透特性以及堵塞情況，通過常水頭試驗(yàn)，分析三種濃度的懸濁液對飽水砂柱中的滲透傳輸過程，研究目的是為了了解懸浮物在多孔介質(zhì)中的釋放遷移過程中的運(yùn)動軌跡與趨勢，為多尺度顆粒滲透傳輸提供有效數(shù)據(jù)。

（1）懸濁液濃度越大，飽水砂柱會最快有堵塞現(xiàn)象發(fā)生，但是飽水砂柱的滲透性能還未降到最低值，飽水砂柱依舊維持向外滲出，且滲出液濃度變化趨勢明顯，飽水砂柱徹底完成堵塞所耗時(shí)間長。這表明懸浮顆粒與砂子在滲透傳輸過程中，粒子間重新組合、排列緊密，在砂柱表層形成保護(hù)膜，阻止其懸濁液的滲透。

（2）隨著時(shí)間增加，滲出液濃度、砂柱的滲透系數(shù)曲線圖呈下降趨勢，濃度一、二、三懸濁液分別在8.65min、6.25min、4.93min之前，滲透系數(shù)急劇下降，之后滲透系數(shù)緩慢下降且下降趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且濃度一（24.00 g·L-1）懸濁液作用下的整體砂柱滲透系數(shù)衰減率為23.15%~69.94%，而濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液作用下的整體砂柱滲透系數(shù)衰減率為33.52%-67.88%，滲透系數(shù)減小表示飽水砂柱與懸濁液中懸浮物已經(jīng)緊密相連，砂子之間孔隙體積也隨之變小，飽水砂柱已經(jīng)完全堵塞。

（3）懸濁液在飽水砂柱中的滲透過程中，懸浮物質(zhì)既是過濾作用又有淤堵作用，懸浮物可以從砂子之間的孔隙中穿過，也可以堵塞于孔隙之間，造成淤堵，而在整個(gè)釋放遷移過程中，懸浮顆粒的脫附、吸附現(xiàn)象并存，當(dāng)懸浮顆粒與砂子之間粘聚力小于流體剪切力，懸浮顆粒的脫附現(xiàn)象明顯，懸浮顆粒繼續(xù)向內(nèi)部滲透，反之，當(dāng)懸浮顆粒與砂子之間粘聚力大于流體剪切力，懸浮顆粒物的吸附現(xiàn)象顯著，懸浮顆粒不在向下滲透，堵塞砂柱孔隙中。