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(kù)工程中，由于多尺度顆粒物（懸浮物、膠體、溶質(zhì)）的滲透?jìng)鬏?，?dǎo)致其尾礦庫(kù)的排滲濾層淤堵，浸潤(rùn)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)懸浮物的滲透?jìng)鬏斠约坝俣聠栴}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(lái)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(duì)懸浮物的影響；Cuthbertson等[4]分析了在同等水動(dòng)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(kù)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(shì)以及懸浮物濃度對(duì)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(wú)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(chǎng)，將土壤縱向取出后裝入密封袋封存，以減少外界條件對(duì)其擾動(dòng)。取得粘土后將其融入自來(lái)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(jí)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(rùn)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(lái)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)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(zhǎng)，濃度一懸濁液濃度變化曲線較陡，浮動(dòng)大，而濃度三懸濁液濃度曲線平緩，浮動(dòng)平均；由圖3可表明高濃度懸濁液會(huì)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(huì)比較平緩，所要產(chǎn)生完全淤堵還需要更長(zhǎng)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(duì)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?jìng)鬏斱呌谄椒€(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(shì)；在水頭差的作用下，懸浮顆粒向飽和砂柱中滲透?jìng)鬏敚谄鋫鬏斶^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(shuō)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(lái)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(lái)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(dòng)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(huì)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(duì)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(duì)飽水砂柱中的滲透?jìng)鬏斶^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(dòng)軌跡與趨勢(shì)，為多尺度顆粒滲透?jìng)鬏斕峁┯行?shù)據(jù)。

（1）懸濁液濃度越大，飽水砂柱會(huì)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(shì)明顯，飽水砂柱徹底完成堵塞所耗時(shí)間長(zhǎng)。這表明懸浮顆粒與砂子在滲透?jìng)鬏斶^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(shì)，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。