懸濁液在飽水砂柱的滲透及物理堵塞特性研究*

李凱帆（武漢輕工大學多孔介質力學研究所 武漢 430023）

0 引言

目前，懸浮物在多孔介質中的遷移轉化的過程中，導致多孔介質微觀結構特性及工程性質的改變，由此引發的次生環境地質災害引起普遍關注。例如在實際尾礦庫工程中，由于多尺度顆粒物（懸浮物、膠體、溶質）的滲透傳輸，導致其尾礦庫的排滲濾層淤堵，浸潤線過高，壩體失穩繼而潰壩；人工回灌時由于回灌設施或回灌地層懸浮物堵塞的問題，降低了回灌設施的使用時間，浪費水資源。

國內外學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模擬試驗方法。其中，砂柱試驗是最有效、最為直接的方法之一。李璐等[1]通過砂槽滲透試驗發現，懸浮顆粒的團聚物附著含水介質中，介質之間孔隙體積減小則引起物理堵塞；黃修東等[2]利用室內土柱試驗來模擬井灌過程中砂層的堵塞現象，懸浮物多數堵塞在表層；高小孟等[3]采用擴散沉降平衡的方法計算小風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，堵塞程度嚴重，并且粒子間排列緊密，滲透系數減??；Sun等[7-8]基于非飽和滲流理論，推導了尾礦壩渾水淤積的數學模型，且利用有限元軟件模擬計算尾礦庫的滲流規律，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中滲透以及團聚沉積造成淤堵現象，本試驗采用室內砂柱試驗的方法，模擬在一定水力梯度下，分析該入滲過程中介質砂柱的滲透系數變化趨勢以及懸浮物濃度對多孔介質滲透性能的影響，探究懸浮物堵塞機理。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

砂柱模擬試驗裝置主要由有機玻璃柱、供水箱、導水管、燒杯組成。有機玻璃高度為20 cm，內徑為14 cm，試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗材料

懸浮物是指懸浮在水中的固體物質，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、溶于水的無機物及高分子有機物。

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，本試驗所用的黃土狀粉質粘土取自武漢市某一施工現場，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過濾膜上的物質作為懸浮顆粒物，烘干后，稱其質量并配置不同濃度的懸濁液。

本實驗中飽和砂柱是由級配良好的標準砂制成，采用廈門艾思歐標準砂有限公司按照GB/T17671-1999規定生產的標準砂將其壓實于自制有機玻璃中，注水直到試樣裝置處于飽水狀態。如下圖2所示。

圖1 試驗裝置示意圖

圖2 飽和砂柱試樣

1.3 試驗方法

采用室內砂柱滲透試驗模擬懸浮物在飽和砂柱的物理堵塞過程。試驗步驟如下：

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

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

（3）滲透：打開供水箱內的攪拌器，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。每當燒杯（500ml）注滿后，記錄時間，直至滲出液澄清并且滲出液較少時，停止試驗。

懸浮物堵塞的現象是因為懸濁液中的懸浮物在砂柱的釋放遷移引起，其特征主要可以由砂柱的滲透系數的變化來表征，為了明確堵塞程度，可利用介質（砂柱）的滲透系數K依據達西定律進行計算，詳見（1）式，可獲得不同時刻的砂柱滲透系數值。

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為砂柱內徑，m。

2 結果與討論

在試驗中配置不同的懸浮物濃度為5.9g·L-1、18.6g·L-1、24.0g·L-1，進行了 3 組的常水頭試驗，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）進行。

在試驗中，不同濃度下的懸濁液的濃度、滲出量、滲透系數、時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—時間關系曲線

圖4 滲出量濃度—滲出量關系曲線

據圖3、圖4可知，從試驗開始后，在滲出液達到500 ml時，濃度一（24.00 g·L-1）懸液滲出液濃度最高達到 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時濃度曲線變化越發不明顯，直至趨于零。所以，當滲出量相等時，高濃度的懸濁液滲出液濃度小、所用時間長，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生堵塞現象，但是飽水砂柱卻沒有停止滲出，所以在相同時間下，相比濃度二、濃度三，濃度一的滲出液濃度與時間曲線會比較平緩，所要產生完全淤堵還需要更長時間。

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，滲透系數急劇下降，之后滲透系數緩慢下降且下降趨于平穩狀態，且濃度一（24.00 g·L-1）懸濁液作用下的整體砂柱滲透系數衰減率為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衰減率為33.52%~67.88%，這表明當飽水砂柱中砂子與懸濁液中的懸浮物質進行緊密結合，從而引起整體復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，其滲透系數是隨著時間、滲出量逐漸下降，懸濁液濃度越高，滲透系數的衰減越明顯，飽水砂柱徹底完成堵塞。

圖5 滲透系數—滲出量關系曲線

圖6 砂柱的滲透系數—時間關系曲線

由圖7可知，試驗中，當滲出量達到7 000ml時，濃度一（24.00 g·L-1）懸濁液的累積滲出量所需時間為300.6 min，而對于濃度二（18.60 g·L-1）、濃度三（5.90 g·L-1）懸濁液分別所用時間為268.60 min、227.24 min；當累積滲出量為5 000ml時，濃度一（24.00g·L-1）、濃度二（18.60g·L-1）、濃度三（5.90g·L-1）的滲出量速率到達其巔峰值，其所用時間分別為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，這表示在相同水頭差的條件下，其懸浮物質的滲透過程遵從“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，懸浮物質堵塞程度越來越嚴重，導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處懸浮顆粒物質堆積，而0~10cm處，懸浮物質堵塞情況更為嚴重，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膜。進而阻止懸濁液向飽水砂柱內部滲透。

圖7 滲出量—時間關系曲線

圖8 懸浮物的質量分布關系曲線

綜上所述，當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，脫附現象大于吸附現象，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聚，隨著水體的重力作用，堵塞在砂子之間的團聚物也會向下擠入砂柱，繼續向砂柱內部深入，造成一定深度的淤堵，可當懸浮物與砂子之間的粘聚力大于流體的剪切力時，吸附現象大于脫附現象，懸浮顆粒與砂子緊密粘聚形成一層“保護膜”，這在一定程度上抑制了懸浮顆粒的向下遷移，導致懸浮顆粒將不在往砂柱深部滲透。

懸濁液濃度越高，懸浮顆粒與砂子結合就越緊密，粘聚力越大，越快形成保護膜，阻止其懸濁液向下傳輸，進而淤堵。

3 結論

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，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中的釋放遷移過程中的運動軌跡與趨勢，為多尺度顆粒滲透傳輸提供有效數據。

（1）懸濁液濃度越大，飽水砂柱會最快有堵塞現象發生，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膜，阻止其懸濁液的滲透。

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

（3）懸濁液在飽水砂柱中的滲透過程中，懸浮物質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，而在整個釋放遷移過程中，懸浮顆粒的脫附、吸附現象并存，當懸浮顆粒與砂子之間粘聚力小于流體剪切力，懸浮顆粒的脫附現象明顯，懸浮顆粒繼續向內部滲透，反之，當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象顯著，懸浮顆粒不在向下滲透，堵塞砂柱孔隙中。