張 云

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下水(尤其是淺層地下水)污染日益嚴(yán)重。污染地下水不僅危害人體健康，也破壞了生態(tài)環(huán)境。為此，各國(guó)對(duì)污染地下水問(wèn)題都極為重視，并進(jìn)行了大量研究工作，提出了多種修復(fù)方法和技術(shù)。在這些方法中，原位化學(xué)修復(fù)方法的修復(fù)周期較短、污染物去除效率較高、環(huán)境友好、對(duì)場(chǎng)地?cái)_動(dòng)小，可同時(shí)處理多種污染物且易于控制二次污染，近年來(lái)在地下水修復(fù)中得到較多應(yīng)用[1-4](原位化學(xué)氧化/還原技術(shù)是將氧化藥劑(如高錳酸鹽、過(guò)氧化氫、過(guò)硫酸鹽、芬頓試劑、臭氧)或還原藥劑(如零價(jià)鐵、連二亞硫酸鈉、多硫化鈣)[1]注入地下水，藥劑在地下水中擴(kuò)散，與地下水中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或毒性較小的物質(zhì)，從而達(dá)到去除地下水中污染物、修復(fù)地下水的目的。因此，修復(fù)藥劑的擴(kuò)散半徑是影響原位化學(xué)氧化/還原修復(fù)工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。

修復(fù)藥劑的擴(kuò)散半徑與注入方式、注入壓力、藥劑類(lèi)型、注入量、含水介質(zhì)性質(zhì)、地下水流速和藥劑與污染物有效反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。原位化學(xué)修復(fù)藥劑的注入方式主要有原位注入井注入、原位直推式注入和高壓旋噴注入。高壓旋噴注入法是在高壓旋噴樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種藥劑注入方法，它利用鉆機(jī)將帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層預(yù)定位置后，將配置好的藥劑漿液從噴嘴中高壓噴出，對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行切割攪拌，與土體進(jìn)行充分混合、破壞土體，同時(shí)，鉆桿以一定速率提升[5]。由于高壓噴射藥劑漿液的壓力較高，鉆孔周?chē)目紫端畨毫σ蚕鄳?yīng)提高，在水力梯度作用下修復(fù)藥劑隨地下水向周?chē)鷶U(kuò)散遷移并與土壤和地下水中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，高壓旋噴注入方法可用于低滲透性土層，藥劑的影響半徑為鉆桿半徑、旋噴攪拌半徑與藥劑后期滲透擴(kuò)散半徑之和。

由于旋噴注入壓力作用下土體破壞形態(tài)復(fù)雜，高壓旋噴注入修復(fù)地下水的藥劑影響半徑的研究還較少，目前一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)或柱形滲透注漿理論確定?，F(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)、成本高，而且試驗(yàn)結(jié)果受場(chǎng)地條件影響大。宛召[6]用水加環(huán)保染料代替修復(fù)藥劑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴注入試驗(yàn)，注入壓力為25 MPa、噴嘴直徑為2.5 mm時(shí)，測(cè)得修復(fù)藥劑的有效作用半徑為0.4～0.6 m。宋剛練等[7]采用水溶性環(huán)保染料，在上海淺部粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高壓旋噴試驗(yàn)，注漿壓力為25 MPa，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得旋噴體有效直徑主要為0.35～0.4 m。吳金紅和吳志鵬[8]將高壓旋噴注射技術(shù)用于上海市區(qū)低滲透性土層的原位藥劑注入，液相注射壓力為30 MPa，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)確定其影響半徑為0.5 m?！段廴镜叵滤蛔⑷胄迯?fù)技術(shù)指南(T/GIA 002-2019)》給出了當(dāng)注藥壓力為25～30 MPa時(shí)飽和黏性土地層中藥劑有效擴(kuò)散半徑參考值為0.8 m。滲透注漿理論基于基本不改變?cè)瓲钔两Y(jié)構(gòu)和體積的條件，建立漿液注入壓力、流量、擴(kuò)散半徑和注漿時(shí)間之間的關(guān)系[9]。但高壓旋噴注入對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行充分切割攪拌，土體結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞，土體的滲透系數(shù)也將增大，這與滲透注漿理論的基本假設(shè)大相徑庭，如果采用柱形滲透注漿公式計(jì)算必然帶來(lái)不可忽視的差別。因此，有必要針對(duì)高壓旋噴注入方法的特點(diǎn)研究修復(fù)藥劑影響半徑的計(jì)算方法。

1 高壓旋噴注入藥劑修復(fù)地下水的影響半徑

1.1 旋噴攪拌半徑

高壓流體從噴嘴中噴出，對(duì)土體進(jìn)行切割。根據(jù)高壓旋噴施工過(guò)程，旋噴攪拌直徑與土體性質(zhì)(如土體顆粒級(jí)配、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等)和施工參數(shù)(如噴嘴直徑、噴射壓力等)有關(guān)。Ho[10]假設(shè)噴射液體壓力分布等效于水下自由噴射的壓力分布，沿徑向?qū)娚浞秶鷦澐譃槌跏级魏椭黧w段。在初始段，流體速度等于噴嘴處的噴出速度，在主體段流體在軸線(xiàn)上的速度隨與噴嘴距離的增加而減小，在垂直于軸線(xiàn)方向，速度向兩側(cè)衰減，如圖1所示。

圖1 圓形斷面紊動(dòng)射流結(jié)構(gòu)

藥劑在噴嘴出口處的速度為

(1)

式中：V0為藥劑在噴嘴出口x處的速度，m/s；Q為藥劑流量，m3/s；M為噴嘴個(gè)數(shù)；d0為噴嘴直徑；m。根據(jù)紊動(dòng)射流理論，主體段射流軸線(xiàn)上的速度[11]

(2)

式中：Vx0為射流軸線(xiàn)上距鉆桿處的速度，m/s；α為反映流體特征的無(wú)量綱參數(shù)。射流軸線(xiàn)上的速度隨距噴嘴出口距離的增加而減小。當(dāng)射流速度小于一定值后，土體將不再被侵蝕破壞，這一速度即為土體侵蝕的臨界速度。Dabbágh等[12]進(jìn)行的水力噴射條件下的土體侵蝕試驗(yàn)表明，土體侵蝕的臨界速度與其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有關(guān)，可表示為

(3)

式中：patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，kPa；qu為黏性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；η為特征速度，與土的粒徑分布有關(guān)，m/s；VL為土體侵蝕破壞的臨界速度，m/s。Shen等[13]根據(jù)Dabbágh等[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了特征速度的計(jì)算公式

(4)

式中：Mc為粒徑小于0.075 mm顆粒的百分含量，%；D50為平均粒徑，mm；Df為200號(hào)篩的孔徑，即0.075 mm。由式(2)和(3)可得切割距離

(5)

式中：xL為切割距離，在此范圍以外土體保持原有結(jié)構(gòu)、未被噴射破壞。王志豐等(2012)將參數(shù)α和特征速度η組合成一個(gè)新的參數(shù)a，即

a=α/η

(6)

對(duì)粉質(zhì)黏土中三重管法施工，王志豐等[14]建議a=1.27若鉆桿半徑為R0，則旋噴攪拌范圍的半徑為

RL=R0+xL

(7)

根據(jù)臨界速度可以計(jì)算出切割距離處的液體壓力為[10]

(8)

式中：pL為切割距離處液體壓力，kPa；ρf為液體密度，kg/m3。在該壓力作用下，噴入液體將自旋噴攪拌范圍向外滲流擴(kuò)散，如圖2所示。

1.2 滲透擴(kuò)散半徑

假設(shè)土體均勻且各向同性、注漿孔為完整孔，不考慮地下水流速，則根據(jù)滲透注漿理論，流體的徑向擴(kuò)散半徑為[9]

(9)

式中：β為漿液運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)與水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)之比，對(duì)稀物質(zhì)可以取為1；t為注漿時(shí)間，s；K為土體的滲透系數(shù)，m/s；h1為注漿壓力水頭，kPa；n為土體孔隙率；r0為滲透注漿處的半徑，即旋噴樁攪拌半徑RL，m。根據(jù)(6)和(3)式，注漿壓力水頭為

(10)

2 參數(shù)分析

根據(jù)以上分析可知，影響高壓旋噴注入修復(fù)地下水影響半徑的因素包括施工條件(如噴嘴直徑、施工方法、注漿時(shí)間)和土體的物理力學(xué)性質(zhì)(如粒度成分、孔隙率、滲透系數(shù)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)。在流量固定的情況下，噴嘴直徑越小，初始流速越大，切割距離也越大。小于0.075 mm顆粒的百分含量越大，土體侵蝕的臨界速度越大，切割距離越小，但這時(shí)滲透注漿處壓力水頭較高，滲透擴(kuò)散半徑增加。為了更清楚地看到各參數(shù)對(duì)注入修復(fù)藥劑影響半徑的影響，假設(shè)d0=2 mm，qu=20 kpa，n=0.4，K=1×10-7m/s，t=5 d，R0=50mm，α=7.5，η=5m/s，Q=40L/min，以此為基準(zhǔn)計(jì)算影響半徑隨這些參數(shù)的變化，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 高壓旋噴修復(fù)地下水示意圖

圖3 計(jì)算影響半徑隨參數(shù)的變化

切割距離隨流量增加而線(xiàn)性增加，擴(kuò)散距離隨流量增加而略有減小，但修復(fù)半徑隨流量變化近于線(xiàn)性變化。參數(shù)變化對(duì)計(jì)算影響半徑的影響與流量幾乎重合，切割距離隨參數(shù)線(xiàn)性變化，修復(fù)半徑也隨參數(shù)近于線(xiàn)性變化。流量一定時(shí)，噴嘴直徑越小，噴嘴處的速度越大，切割距離越大，雖然滲透距離略有減小，但修復(fù)半徑增大，噴嘴直徑較小時(shí)影響更為顯著。特征速度越小，土體侵蝕臨界速度越小，切割距離越大，另一方面，越小，切割半徑處壓力水頭越小，徑向擴(kuò)散距離越小，兩者疊加的結(jié)果是越小，修復(fù)半徑越大，但當(dāng)大于5時(shí)，其變化對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。隨著土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，土體侵蝕臨界速度增大、切割距離減小，另一方面，土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加，切割距離處的壓力水頭增加，滲透擴(kuò)散半徑增大，兩者疊加的結(jié)果是當(dāng)土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度超過(guò)一定值后，對(duì)修復(fù)半徑的影響不大，且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不具有單調(diào)性?？紫堵试叫?，擴(kuò)散半徑越大，但由于孔隙率本身的取值范圍為0～1，因此，孔隙率對(duì)修復(fù)半徑的影響不大。滲透系數(shù)越大，徑向擴(kuò)散距離越大，修復(fù)半徑越大，而實(shí)際修復(fù)工程中土體滲透系數(shù)測(cè)試誤差較大，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇滲透系數(shù)。此外，藥劑注入時(shí)間越長(zhǎng)，徑向擴(kuò)散距離也越大。就相對(duì)變化率而言，噴嘴直徑、注入流量、土體特征速度、參數(shù)等對(duì)修復(fù)半徑影響顯著，而土體滲透系數(shù)、注入時(shí)間、土體孔隙率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)修復(fù)半徑影響較小。

3 實(shí)例分析

將所提出的計(jì)算高壓旋噴注入修復(fù)藥劑影響半徑的計(jì)算方法應(yīng)用于三個(gè)采用二重管方法施工的工程實(shí)例，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，取。由于缺少場(chǎng)地土層的粒度成分，參照Dabbágh等的試驗(yàn)結(jié)果，取。實(shí)例一位于南京某化工污染場(chǎng)地，場(chǎng)地內(nèi)有兩層粉質(zhì)黏土，注射壓力為25～30 MPa，流量為20～120 L/min[15]，由于缺少場(chǎng)地土層的物理力學(xué)資料，采用南京地區(qū)類(lèi)似場(chǎng)地土層參數(shù)，滲透系數(shù)為，孔隙率為0.494，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為48.1 kPa，計(jì)算影響半徑為0.757 m。實(shí)例二為位于濟(jì)南市的某化工廠(chǎng)有機(jī)污染場(chǎng)地[16]，場(chǎng)地土層以粉質(zhì)黏土為主，注射壓力為30 MPa，流量為30～50 L/min，根據(jù)濟(jì)南淺層粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)[17]，取滲透系數(shù)為，孔隙率為0.408，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為40 kPa，計(jì)算影響半徑為0.764 m。實(shí)例三位于上海，場(chǎng)地土層主要為粉質(zhì)黏土，注射壓力為25 MPa，流量為67.5 L/min，根據(jù)上海淺層粉質(zhì)黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)，取滲透系數(shù)為，孔隙率為0.496，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為35 kPa，計(jì)算影響半徑為0.827 m。圖4為計(jì)算影響半徑與實(shí)測(cè)影響半徑的比較，兩者較好地符合。

圖4 計(jì)算與實(shí)測(cè)影響半徑的比較

4 結(jié)語(yǔ)

基于高壓旋噴注入藥劑的原理提出了高壓旋噴注入藥劑修復(fù)地下水影響半徑的計(jì)算公式，并用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了計(jì)算參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：

(1)高壓旋噴注入修復(fù)半徑為鉆桿半徑、旋噴攪拌半徑與藥劑徑向擴(kuò)散距離之和，旋噴攪拌半徑可根據(jù)紊動(dòng)射流理論計(jì)算，藥劑徑向擴(kuò)散距離可根據(jù)滲透注漿理論計(jì)算。

(2)噴嘴直徑、注入流量、土體特征速度、參數(shù)等對(duì)修復(fù)半徑影響顯著，而藥劑注入時(shí)間、土體滲透系數(shù)、土體孔隙率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)計(jì)算修復(fù)半徑影響較小。

(3)目前在確定影響半徑時(shí)，多注重旋噴注入施工參數(shù)，對(duì)土體物理力學(xué)性質(zhì)重視不夠。雖然高壓旋噴技術(shù)已用于為數(shù)不少的原位地下水修復(fù)工程，但由于大多數(shù)工程資料不完整，尤其是土體物理力學(xué)資料的欠缺，使得本文所提方法的驗(yàn)證實(shí)例偏少，今后需要加強(qiáng)場(chǎng)地土層資料的收集。