王詔楷，束龍倉(cāng)，劉 波，楊寅星，張運(yùn)鐸

（1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

1 研究背景

地下水回灌是人工增加地下水補(bǔ)給資源量的積極手段，也是改變水資源時(shí)空分布不均的重要方法。地下水回灌過(guò)程中的堵塞是影響回灌效率的關(guān)鍵因素，其中顆粒堵塞是最典型、最常見(jiàn)的堵塞類型，據(jù)統(tǒng)計(jì)90%以上的回灌堵塞都是顆粒堵塞［1-2］，導(dǎo)致地下水回灌工程運(yùn)行失敗最常見(jiàn)的原因也是以顆粒堵塞為主的物理堵塞［3］。顆粒堵塞是顆粒在介質(zhì)孔隙中沉積的宏觀表現(xiàn)，影響回灌水中顆粒在介質(zhì)孔隙中沉積的因素有孔隙空間結(jié)構(gòu)、孔隙壁粗糙程度、顆粒級(jí)配、顆粒形狀、水流流速、離子強(qiáng)度、pH 乃至重力、溫度等［4-7］。其中孔隙的空間結(jié)構(gòu)是影響顆粒沉積的最直接因素，因其直接影響孔隙中的微觀流場(chǎng)，進(jìn)而影響顆粒所受水流拖曳力及與孔隙壁的碰撞概率。

已有關(guān)于介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)地下水方面的研究，多集中在孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)滲流和溶質(zhì)運(yùn)移的影響及其在污染物擴(kuò)散研究中的應(yīng)用［8-9］，以及精確探測(cè)和描述孔隙空間結(jié)構(gòu)的新技術(shù)新方法上［10］。較少的介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地下水回灌顆粒堵塞影響方面的研究也多偏向顆粒沉積機(jī)理機(jī)制，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與工程實(shí)際中的定水頭、相對(duì)恒定顆粒濃度、垂直下滲、堵塞深度較大、回灌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)日等情況有一定區(qū)別。如Benamar 等［11］通過(guò)脈沖注入顆粒并統(tǒng)計(jì)顆粒回收率的方式，分析了介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)回灌顆粒沉積的影響；張鵬遠(yuǎn)等［12］通過(guò)控制流速和繪制顆粒穿透曲線，研究了孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)孔隙水動(dòng)力條件和顆粒沉積的影響；趙軍等［13］通過(guò)不同顆粒濃度的定流速回灌試驗(yàn)，研究了不同孔隙結(jié)構(gòu)中水壓力和流速的相關(guān)關(guān)系，并分析了顆粒沉積機(jī)制；Zamani 等［14］通過(guò)試驗(yàn)研究了回灌顆粒沉積過(guò)程中介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的變化；黃修東等［15］通過(guò)定流量回灌試驗(yàn)，研究了介質(zhì)顆粒粒徑大小對(duì)堵塞發(fā)展的影響。為此本文基于工程實(shí)踐條件，設(shè)計(jì)了一維砂柱定水頭回灌物理試驗(yàn)，通過(guò)兩種介質(zhì)（玻璃珠和石英砂）的對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地下水回灌堵塞的影響，以期為預(yù)測(cè)和防治地下水人工回灌堵塞提供介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)方面的參考。

2 物理模型

顆粒堵塞根據(jù)其堵塞位置的不同，分為表層堵塞和內(nèi)部堵塞，表層堵塞由顆粒沉積在介質(zhì)表面引起，內(nèi)部堵塞由顆粒沉積在介質(zhì)內(nèi)部的孔隙中引起?；毓嗨袝?huì)造成表層堵塞的大顆粒可由沉淀池、引水河道植被、表層濾料層等濾除，且在堵塞后可以通過(guò)工程措施鏟除堵塞表層加以解決；而造成內(nèi)部堵塞的顆粒不易去除。本研究使用粒徑分布范圍在0.9～2.7 μm 的顆粒進(jìn)行人工回灌物理試驗(yàn)，通過(guò)激光粒度儀測(cè)得的回灌顆粒級(jí)配分布見(jiàn)圖1，其屬于膠體顆粒到懸浮顆粒的過(guò)渡范圍，平均粒徑與介質(zhì)的平均粒徑比值為0.006，小于絕大多數(shù)試驗(yàn)總結(jié)出的表面篩濾作用臨界比值［16-18］，以防止顆粒因篩濾作用大量沉積在砂柱上表面。為避免回灌顆粒成分的不同影響顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)而影響顆粒堵塞的發(fā)展，使用純度99.99%的SiO2微粉作為回灌顆粒，其在保證回灌顆粒成分單一的同時(shí)，具有硬度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、容重和形狀接近工程實(shí)踐中回灌水內(nèi)的細(xì)小顆粒等優(yōu)點(diǎn)。使用平均粒徑相同和粒徑分布相近的玻璃珠和石英砂作為介質(zhì)分別進(jìn)行回灌堵塞試驗(yàn)，以對(duì)比分析介質(zhì)顆粒形狀及其形成的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)地下水回灌顆粒堵塞的影響，所用高硼硅玻璃珠比重2.50 g/cm3，與所用石英砂的比重2.51 g/cm3基本相等，兩種介質(zhì)粒徑分布皆在0.35～0.75 mm 范圍內(nèi)，屬于中粗砂，其滲流相比細(xì)砂和粗砂受到邊界流的影響程度更低，可以更好地規(guī)避砂柱邊界流對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響［19］。玻璃珠掃描電鏡圖像見(jiàn)圖2。

圖1 回灌顆粒級(jí)配曲線

圖2 玻璃珠掃描電鏡圖

地下水人工回灌工程實(shí)踐中的顆粒堵塞基本發(fā)生在距地表50cm 深度范圍內(nèi)［20］，故物理試驗(yàn)介質(zhì)設(shè)置為高50 cm 的砂柱。已有試驗(yàn)研究表明，在砂柱滲流試驗(yàn)中，如果砂柱直徑大于介質(zhì)顆粒直徑兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，則試驗(yàn)裝置邊壁影響下的邊界流相比起介質(zhì)內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)流及相應(yīng)的顆粒加速遷移會(huì)降低到一個(gè)可以選擇性忽略的水平［21-23］，但同時(shí)也需要避免砂柱直徑過(guò)大生成二維流場(chǎng)［24］。試驗(yàn)所用玻璃珠介質(zhì)顆粒d90=0.73 mm，石英砂介質(zhì)顆粒d90=0.726 mm，綜合考慮下將砂柱直徑定為大于兩者120 多倍的9 cm。在玻璃珠介質(zhì)砂柱上表面放置粒徑5 mm 的玻璃珠，石英砂介質(zhì)砂柱上表面放置平均粒徑5 mm 的礫石，厚度均為5 cm，以模擬地下水回灌工程實(shí)際中地表所覆蓋的礫石層。多數(shù)物理試驗(yàn)表明，顆粒堵塞在回灌開(kāi)始的10 d 左右發(fā)展迅速，其后則普遍極為緩慢［25］。故物理試驗(yàn)顆粒回灌時(shí)間設(shè)置為10 d（240 h），每組顆粒回灌試驗(yàn)開(kāi)始前先用高純水回灌24 h，即每組實(shí)驗(yàn)的總回灌時(shí)長(zhǎng)為264 h。物理模型的柱體為總高70 cm，外徑10 cm，內(nèi)徑9 cm 的有機(jī)玻璃柱，底部5 cm 高度為出流緩沖區(qū)，中部50 cm 高度為砂柱介質(zhì)填充區(qū)，側(cè)邊每隔10 cm 的測(cè)壓孔外接壓力傳感器，在高于砂柱上表面10 cm 處設(shè)置出水口以維持定水頭，最上部連接回灌裝置，并在物理試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)配備顆粒攪拌池和流量計(jì)，物理模型系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 物理模型系統(tǒng)示意

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)壓力傳感器獲得砂柱上表面及距上表面10、20、30、40 和50 cm 深度處水頭壓力的變化情況，同時(shí)結(jié)合電子流量計(jì)讀數(shù)和人工測(cè)讀獲得柱體底部的出流流量，將以上數(shù)據(jù)帶入達(dá)西定律可計(jì)算得到滲透系數(shù)K：

式中：Q為柱體出流流量，m3/d；ΔL為兩測(cè)壓孔間距離，m；A為砂柱截面面積，m2；ΔH為兩測(cè)壓孔間水頭壓力差值，m。顆粒在孔隙中的沉積會(huì)降低該段砂柱的滲透性，故根據(jù)滲透系數(shù)K的變化可以定量評(píng)估砂柱中顆粒堵塞的發(fā)展情況。

試驗(yàn)開(kāi)始前使用高純水多次反復(fù)清洗介質(zhì)顆粒降低其離子強(qiáng)度，以盡量減小雙電層力對(duì)對(duì)照試驗(yàn)的影響［26］。然后填入有機(jī)玻璃柱中并分層振搗相同的次數(shù)，使介質(zhì)均勻壓實(shí)，使用高純水回灌24 h，在觀測(cè)到壓力傳感器數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定后，在攪拌池中投放粒徑分布范圍0.9～2.7 μm 的SiO2微粉，回灌水中顆粒濃度保持在50 mg/L，同時(shí)運(yùn)行攪拌器防止顆粒沉底，顆粒回灌共持續(xù)240 h，期間通過(guò)無(wú)紙記錄儀按3 s/次的頻率記錄壓力傳感器和電子流量計(jì)讀數(shù)，并每隔8 h 測(cè)量出流流量，以實(shí)時(shí)標(biāo)定電子流量計(jì)讀數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出回灌試驗(yàn)過(guò)程中玻璃珠介質(zhì)和石英砂介質(zhì)整體和距上表面0～10，10～20，20～30，30～40 和40～50 cm 段的滲透系數(shù)。因?yàn)閴毫鞲衅骱碗娮恿髁坑?jì)所連無(wú)紙記錄儀的記錄頻率皆為3 s/次，為避免數(shù)據(jù)量過(guò)多，在數(shù)據(jù)處理中取1 h 平均數(shù)，最后獲得對(duì)應(yīng)顆?；毓嘣囼?yàn)全過(guò)程240 h 的240 個(gè)有效數(shù)據(jù)。為便于分析介質(zhì)滲透系數(shù)變化幅度，使用相對(duì)滲透系數(shù)Kt/K0（即試驗(yàn)過(guò)程中的滲透系數(shù)和試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的滲透系數(shù)比值）來(lái)表征滲透系數(shù)變化情況。兩種介質(zhì)整體和不同深度分段的相對(duì)滲透系數(shù)隨回灌時(shí)間變化情況見(jiàn)圖4—9。

圖4 砂柱整體相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

4 結(jié)果分析

圖5 砂柱0～10cm 深度相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

圖6 砂柱10～20cm 深度相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

圖7 砂柱20～30cm 深度相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

4.1 砂柱整體滲透系數(shù)變化分析玻璃珠介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0 ～128 h 呈逐漸放緩的指數(shù)型衰減：Kt/K0=e-0.0111t，R2=0.9727，至128 h 時(shí)達(dá)到最小值0.3094。128 ～170 h 緩慢增大，至170 h 時(shí)達(dá)到相對(duì)最大值0.4622。之后相對(duì)滲透系數(shù)在該值附近振蕩，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.4748。

圖8 砂柱30～40cm 深度相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

圖9 砂柱40～50cm 深度相對(duì)滲透系數(shù)與回灌時(shí)間散點(diǎn)圖

石英砂介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0 ～240 h 呈逐漸放緩的指數(shù)型衰減：，R2=0.9978，240 h 時(shí)衰減至0.0433。

玻璃珠介質(zhì)砂柱滲透系數(shù)衰減速率較低且從128 h 起保持穩(wěn)定，石英砂介質(zhì)砂柱滲透系數(shù)保持了更大速率的衰減，且石英砂介質(zhì)砂柱回灌結(jié)束時(shí)的相對(duì)滲透系數(shù)值小于玻璃珠介質(zhì)砂柱的十分之一。這與石英砂介質(zhì)顆粒形狀的不規(guī)則性及其構(gòu)成的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)：回灌顆粒隨水流在空間結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的孔隙中運(yùn)動(dòng)，有更大概率與孔隙壁碰撞造成動(dòng)能損失進(jìn)而沉積下來(lái)，同時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜造成了孔隙中水流流場(chǎng)的多變，使得顆粒更容易受到指向孔隙壁的水流拖曳力，造成其沉積在孔隙壁上。這些都導(dǎo)致石英砂介質(zhì)砂柱中顆粒堵塞發(fā)展更快，堵塞程度更高。

隨著顆粒在介質(zhì)孔隙中的沉積，孔隙空間變小，造成孔隙中水流通道變窄，水流流速增大。部分沉積顆粒在增大的水流拖曳力作用下會(huì)脫離沉積狀態(tài)隨水流運(yùn)動(dòng)［27］，脫離效應(yīng)的逐漸增大是導(dǎo)致砂柱滲透系數(shù)衰減速率不斷放緩的主要原因。玻璃珠介質(zhì)砂柱在128 h 時(shí)顆粒脫離效應(yīng)影響開(kāi)始強(qiáng)于沉積效應(yīng)，所以滲透系數(shù)開(kāi)始上升，隨著滲透系數(shù)的上升脫離效應(yīng)不斷減弱，至170 h 時(shí)與顆粒的沉積效應(yīng)相對(duì)平衡，所以在之后直至回灌結(jié)束相對(duì)滲透系數(shù)一直在該值附近振蕩。石英砂介質(zhì)砂柱因?yàn)轭w粒沉積效應(yīng)較強(qiáng)，在回灌全過(guò)程滲透系數(shù)一直保持著不斷放緩的衰減。

4.2 砂柱0～10 cm 深度滲透系數(shù)變化分析此段玻璃珠介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0 ～127 h 呈不斷放緩的指數(shù)型衰減：R2=0.9507，至127 h 時(shí)達(dá)到最小值0.1179。127 ～169 h 緩慢增大，至169 h 時(shí)達(dá)到相對(duì)最大值0.2144；之后相對(duì)滲透系數(shù)在該值附近振蕩，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.2296。

此段石英砂介質(zhì)砂柱滲透系數(shù)0 ～26 h 呈高速線性衰減：R2=0.9996；至26 h時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.4937；26 ～240 h相對(duì)滲透系數(shù)呈不斷放緩的指數(shù)型衰減：R2=0.9796。至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.0108。

此段玻璃珠介質(zhì)和石英砂介質(zhì)滲透系數(shù)變化趨勢(shì)均與砂柱整體相近，可推知顆粒堵塞主要發(fā)生在此段。而此段玻璃珠介質(zhì)滲透系數(shù)從衰減到增大及之后從增大到振蕩的拐點(diǎn)相比整體均提前了1 h，整體滲透系數(shù)變化的滯后性表明顆粒堵塞同時(shí)也在砂柱更深處發(fā)生。

此段石英砂介質(zhì)滲透系數(shù)0 ～26 h 呈線性衰減，26 h 后衰減不斷放緩，合理的解釋是因?yàn)槭⑸敖橘|(zhì)顆粒形狀的不規(guī)則性導(dǎo)致存在許多直徑小于回灌顆粒的孔隙喉道，在開(kāi)始回灌后的一段時(shí)間里回灌顆粒因?yàn)楹Y濾作用沉積在喉道中，造成了滲透系數(shù)的快速衰減，26 h 時(shí)喉道已被基本填滿，所以滲透系數(shù)的衰減趨勢(shì)變?yōu)楹筒Ａе榻橘|(zhì)相近的指數(shù)型。玻璃珠介質(zhì)顆粒因?yàn)樾螤顬榍蛐?，其形成的孔隙結(jié)構(gòu)空間展布均勻，沒(méi)有形狀特異的喉道，所以滲透系數(shù)的衰減趨勢(shì)一直是指數(shù)型。

4.3 砂柱10～20 cm 深度滲透系數(shù)變化分析此段玻璃珠介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0 ～5 h 增大至1.0604，之后開(kāi)始呈現(xiàn)出波浪形多峰振蕩，同時(shí)有衰減趨勢(shì)，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.6454。

此段石英砂介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0～220 h 呈輕微波動(dòng)的線性衰減：Kt/K0=1-0.0028t，R2=0.9968；至220 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.3798；220～240 h 階段呈現(xiàn)出更高速率的線性衰減：Kt/K0=0.3798-0.007t，R2=0.9992；至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.2334。

此段玻璃珠介質(zhì)滲透系數(shù)在0 ～5 h 微小增大，這是由于介質(zhì)顆粒表面微量的吸附雜質(zhì)在因上段介質(zhì)堵塞發(fā)展而流速不斷增大的水流作用下脫離吸附狀態(tài)隨水流運(yùn)動(dòng)。砂柱0 ～10 cm 段堵塞發(fā)展情況是影響此段10 ～20 cm 砂柱孔隙中水流流速的主要因素，相比而言此段砂柱自身孔隙中的顆粒沉積情況只是影響孔隙水流流速的次要因素。所以此段玻璃珠介質(zhì)砂柱的滲透系數(shù)沒(méi)有明確的變化趨勢(shì)，而是因流場(chǎng)的復(fù)雜性表現(xiàn)為振蕩，同時(shí)因?yàn)轭w粒堵塞自上而下的發(fā)展有衰減的趨勢(shì)。

此段石英砂介質(zhì)滲透系數(shù)0 ～220 h 在顆粒脫離效應(yīng)和沉積效應(yīng)的共同作用下呈現(xiàn)有波動(dòng)的線性衰減，至220 h 時(shí)，因顆粒堵塞開(kāi)始大范圍發(fā)展至此段砂柱，呈現(xiàn)出速率更高的線性衰減。

4.4 砂柱20～30 cm 深度滲透系數(shù)變化分析此段玻璃珠介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0 ～65 h 振蕩衰減至0.8773。其后相對(duì)滲透系數(shù)圍繞該值大體呈波浪型振蕩，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.808。

此段石英砂介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)0～39 h 振蕩衰減至0.8628。39～106 h 振蕩而緩慢地增大至1.0088，此后開(kāi)始先快后慢的線性增大，至136 h 時(shí)達(dá)到最大值1.285，136 ～240 h 呈線性衰減：Kt/K0=1.285-0.0042t，R2=0.9998。至240 h 時(shí)滲透系數(shù)值為0.8579。

此段砂柱因?yàn)樯喜坑?0 cm 砂柱的影響，流速變化情況進(jìn)一步復(fù)雜化，因優(yōu)勢(shì)流拖曳而在回灌初期即運(yùn)移到此段砂柱的顆粒在復(fù)雜流場(chǎng)的作用下部分沉積在此段，導(dǎo)致滲透系數(shù)衰減?；毓嚅_(kāi)始一段時(shí)間后因脫離效應(yīng)和沉積效應(yīng)的此消彼長(zhǎng)表現(xiàn)出不停振蕩的變化趨勢(shì)。值得注意的是，此段介質(zhì)是玻璃珠介質(zhì)砂柱和石英砂介質(zhì)砂柱在回灌結(jié)束時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)基本相等的唯一一段。

4.5 砂柱30～40 cm 深度滲透系數(shù)變化分析此段玻璃珠介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)在回灌全過(guò)程中一直圍繞初始值1.0 振蕩，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.9532。

此段石英砂介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)在0～39 h 緩慢衰減至0.8497，39～106 h 一直在該值附近振蕩，至106 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.8618，此后開(kāi)始增大，至161 h 時(shí)達(dá)到最大值1.2137，161 ～240 h在該值附近維持較大幅度的振蕩。至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為1.2705。

此段玻璃珠介質(zhì)砂柱滲透系數(shù)回灌全程圍繞初始值振蕩，表明顆粒堵塞未大規(guī)模發(fā)展至此段?；毓嘟Y(jié)束時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)0.9532，表明有少量的顆粒沉積在此段玻璃珠介質(zhì)砂柱中。

此段石英砂介質(zhì)砂柱因優(yōu)勢(shì)流帶來(lái)的顆粒沉積在孔隙中在回灌開(kāi)始的39 h 內(nèi)滲透系數(shù)不斷衰減，39 h 后隨著水流流速的增大，在脫離效應(yīng)和沉積效應(yīng)的共同作用下滲透系數(shù)值一直振蕩，自106 h 起因?yàn)榱魉俚倪M(jìn)一步增大和流場(chǎng)復(fù)雜化，介質(zhì)中的沉積顆粒脫離并隨水流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致此段石英砂介質(zhì)相對(duì)滲透系數(shù)值不斷增大至161 h 的1.2137，這一方面反映了包括石英砂在內(nèi)的自然界中介質(zhì)原生沉積顆粒量巨大，另一方面也反映出因?yàn)樯喜?0 cm 砂柱的影響，此段砂柱中的流場(chǎng)極為復(fù)雜多變。161 h 后因?yàn)槭⑸敖橘|(zhì)原生沉積顆粒脫離趨勢(shì)終結(jié)，滲透系數(shù)一直維持振蕩，振蕩幅度較大也從一個(gè)側(cè)面證明了此段砂柱中流場(chǎng)的復(fù)雜性。

4.6 砂柱40～50 cm 深度滲透系數(shù)變化分析此段玻璃珠柱體相對(duì)滲透系數(shù)在回灌全過(guò)程中一直圍繞初始值1.0 小幅振蕩，至240 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為1.0737。

此段石英砂柱體滲透系數(shù)在0～28 h 衰減至0.8269，28 ～106 h 相對(duì)滲透系數(shù)圍繞該值振蕩，至106 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.7834，此后增大至111 h 的最大值0.9629 后再次開(kāi)始逐漸放緩的衰減，129 h 時(shí)相對(duì)滲透系數(shù)值為0.8397，其后增大至158 h 時(shí)的1.2183，再線性衰減至205 h 的0.7525，之后開(kāi)始線性增大到220 h 的1.0669，最后衰減至240 h 的0.8918?？偟囊部梢钥醋飨鄬?duì)滲透系數(shù)自28 h達(dá)到0.8269 后，圍繞該值大幅度振蕩。

此段玻璃珠介質(zhì)砂柱同上未發(fā)生顆粒堵塞，回灌結(jié)束時(shí)的相對(duì)滲透系數(shù)1.0737 表明幾乎沒(méi)有顆粒沉積在此段玻璃珠介質(zhì)砂柱中，試驗(yàn)結(jié)束后取出介質(zhì)觀察也發(fā)現(xiàn)此段介質(zhì)中基本沒(méi)有沉積顆粒。

此段石英砂介質(zhì)砂柱因優(yōu)勢(shì)流顆粒沉積在回灌初始的28 h 內(nèi)相對(duì)滲透系數(shù)不斷衰減，28 h 后開(kāi)始振蕩，期間因?yàn)轭w粒脫離效應(yīng)的影響相對(duì)滲透系數(shù)值短暫增大至1.2183，振蕩幅度的巨大也表明此段砂柱中因?yàn)樯喜?0 cm 砂柱的影響流場(chǎng)變化情況極為復(fù)雜。

5 結(jié)論

（1）本文采用更為接近地下水回灌工程實(shí)際的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，包括定水頭、恒定顆粒濃度、符合顆粒堵塞發(fā)生發(fā)展空間（50 cm）和時(shí)間（10 d）范圍的砂柱高度和回灌時(shí)長(zhǎng)、具有代表性的回灌顆粒粒徑選擇（膠體顆粒到懸浮顆粒的過(guò)度范圍）、以盡量避免邊壁流和二維流對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響為目標(biāo)所確定的介質(zhì)顆粒粒徑分布（中粗砂）和砂柱直徑（9 cm）等。通過(guò)地下水回灌顆粒堵塞物理試驗(yàn)，在對(duì)比玻璃珠介質(zhì)砂柱和石英砂介質(zhì)砂柱的顆粒堵塞情況的基礎(chǔ)上分析了兩種介質(zhì)砂柱內(nèi)部顆粒沉積的情況，研究了介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)回灌顆粒堵塞發(fā)生發(fā)展的影響，同時(shí)探討了介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒沉積和脫離過(guò)程的影響機(jī)理，為預(yù)測(cè)和防治地下水回灌顆粒堵塞提供一定介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)方面的參考。

（2）在物理試驗(yàn)條件完全一致及介質(zhì)粒徑分布、容重等顆粒條件基本一致的情況下，玻璃珠介質(zhì)砂柱回灌結(jié)束時(shí)顆粒堵塞發(fā)展至30 cm 深度、顆粒沉積發(fā)展至40 cm 深度，石英砂介質(zhì)砂柱回灌結(jié)束時(shí)顆粒堵塞和顆粒沉積均發(fā)展至50 cm 深度；回灌結(jié)束時(shí)石英砂介質(zhì)砂柱相對(duì)滲透系數(shù)小于玻璃珠介質(zhì)砂柱的十分之一，0～10 cm 段小于玻璃珠介質(zhì)砂柱的二十分之一；石英砂介質(zhì)砂柱在回灌過(guò)程中整體和各分段的滲透系數(shù)衰減也普遍比對(duì)應(yīng)的玻璃珠介質(zhì)砂柱更快。分析研究結(jié)果可知介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)越不規(guī)則，顆粒堵塞發(fā)展范圍越大、發(fā)展程度越高、發(fā)展速率越快。

（3）回灌試驗(yàn)中連接壓力傳感器的無(wú)紙記錄儀在3 s/次的讀數(shù)過(guò)程中少量記錄到跨數(shù)量級(jí)突變數(shù)據(jù)，本文在取1 h 平均數(shù)的數(shù)據(jù)處理中對(duì)這種突變數(shù)據(jù)做出了忽略處理。排除誤差原因后推斷這種突變是砂柱內(nèi)部部分孔隙節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中偶發(fā)紊流和非飽和流?；毓嘣囼?yàn)過(guò)程中砂柱中下段的水流流場(chǎng)十分復(fù)雜多變，相應(yīng)的顆粒遷移、沉積、脫離等運(yùn)動(dòng)情況也具有很高的復(fù)雜性。