悬浊液在饱水砂柱的渗透及物理堵塞特性研究*

李凯帆（武汉轻工大学多孔介质力学研究所 武汉 430023）

0 引言

目前，悬浮物在多孔介质中的迁移转化的过程中，导致多孔介质微观结构特性及工程性质的改变，由此引发的次生环境地质灾害引起普遍关注。例如在实际尾矿库工程中，由于多尺度颗粒物（悬浮物、胶体、溶质）的渗透传输，导致其尾矿库的排渗滤层淤堵，浸润线过高，坝体失稳继而溃坝；人工回灌时由于回灌设施或回灌地层悬浮物堵塞的问题，降低了回灌设施的使用时间，浪费水资源。

国内外学者对悬浮物的渗透传输以及淤堵问题的研究一般采用室内模拟试验方法。其中，砂柱试验是最有效、最为直接的方法之一。李璐等[1]通过砂槽渗透试验发现，悬浮颗粒的团聚物附着含水介质中，介质之间孔隙体积减小则引起物理堵塞；黄修东等[2]利用室内土柱试验来模拟井灌过程中砂层的堵塞现象，悬浮物多数堵塞在表层；高小孟等[3]采用扩散沉降平衡的方法计算小风速情况下悬浮物的沉降速度，考虑浓度、外界因素对悬浮物的影响；Cuthbertson等[4]分析了在同等水动力条件下将粘土与沙粘土泥沙悬浊液的絮凝沉降过程，沙子阻碍悬浮物的自然沉降过程；Xu等[5-6]利用核磁共振技术研究了不同水力梯度下尾矿砂的孔隙分布和渗透率，水力梯度变大，尾矿试样的孔隙减少，堵塞程度严重，并且粒子间排列紧密，渗透系数减小；Sun等[7-8]基于非饱和渗流理论，推导了尾矿坝浑水淤积的数学模型，且利用有限元软件模拟计算尾矿库的渗流规律，得到了饱和线的位置和孔隙水压的等效线。

本文考虑不同浓度下的悬浮物在多孔介质中渗透以及团聚沉积造成淤堵现象，本试验采用室内砂柱试验的方法，模拟在一定水力梯度下，分析该入渗过程中介质砂柱的渗透系数变化趋势以及悬浮物浓度对多孔介质渗透性能的影响，探究悬浮物堵塞机理。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

砂柱模拟试验装置主要由有机玻璃柱、供水箱、导水管、烧杯组成。有机玻璃高度为20 cm，内径为14 cm，试验装置如图1所示。

1.2 试验材料

悬浮物是指悬浮在水中的固体物质，其颗粒直径约为0.1~100 μm之间，通常悬浮物颗粒直径是由泥沙、土、微生物、菌类、溶于水的无机物及高分子有机物。

由于悬浮物的特殊性，很难直接提取使用，为了近似模拟其悬浮物的特性要求，本试验所用的黄土状粉质粘土取自武汉市某一施工现场，将土壤纵向取出后装入密封袋封存，以减少外界条件对其扰动。取得粘土后将其融入自来水中，并通过真空抽滤装置，提取0.45 μm过滤膜上的物质作为悬浮颗粒物，烘干后，称其质量并配置不同浓度的悬浊液。

本实验中饱和砂柱是由级配良好的标准砂制成，采用厦门艾思欧标准砂有限公司按照GB/T17671-1999规定生产的标准砂将其压实于自制有机玻璃中，注水直到试样装置处于饱水状态。如下图2所示。

图1 试验装置示意图

图2 饱和砂柱试样

1.3 试验方法

采用室内砂柱渗透试验模拟悬浮物在饱和砂柱的物理堵塞过程。试验步骤如下：

（1）装样：参照有机玻璃的高度，确认砂子使用量，将其砂子与水润湿混合，并分层压入有机玻璃柱，每次装入一定质量的砂样，按等容重将其压实，逐步完成装柱过程，自制砂柱实际有效高度为20 cm。

（2）饱水：试样与导水管相连，缓慢向其内部注水，直到试样下端出水口流出，并持续注水1 h，保证砂柱处于饱水状态。

（3）渗透：打开供水箱内的搅拌器，使供水箱中悬浊液浓度保持均匀，在一定的水头高（Δh=1.30m）的条件下，利用重力的天然条件，将悬浊液注入饱和砂柱中。每当烧杯（500ml）注满后，记录时间，直至渗出液澄清并且渗出液较少时，停止试验。

悬浮物堵塞的现象是因为悬浊液中的悬浮物在砂柱的释放迁移引起，其特征主要可以由砂柱的渗透系数的变化来表征，为了明确堵塞程度，可利用介质（砂柱）的渗透系数K依据达西定律进行计算，详见（1）式，可获得不同时刻的砂柱渗透系数值。

式中：

Q为流量，cm3/s；L饱和试样的长度，m；Δ h为水头差，m；D为砂柱内径，m。

2 结果与讨论

在试验中配置不同的悬浮物浓度为5.9g·L-1、18.6g·L-1、24.0g·L-1，进行了 3 组的常水头试验，揭示悬浊液的释放迁移过程以及悬浮物浓度对砂柱的物理堵塞影响。各组试验砂柱装砂高度均为20cm，且都在相同水动力条件下（水头差Δh=1.30m）进行。

在试验中，不同浓度下的悬浊液的浓度、渗出量、渗透系数、时间的曲线变化以及饱和试样中淤堵情况分布，如图3~图4所示。

图3 渗出液浓度—时间关系曲线

图4 渗出量浓度—渗出量关系曲线

据图3、图4可知，从试验开始后，在渗出液达到500 ml时，浓度一（24.00 g·L-1）悬液渗出液浓度最高达到 0.2992 g·L-1,浓度二 （18.60 g·L-1） 悬浊液渗出液浓度最高为 0.2758 g·L-1，浓度三（5.90 g·L-1）悬浊液渗出液浓度最高达到0.2346 g·L-1，在 13.65 min、9.64 min、8.23 min 之后，浓度一（24.00 g·L-1）、浓度二（18.60 g·L-1）、浓度三（5.90 g·L-1）渗出液浓度开始急剧下降。浓度一（24.00 g·L-1）、浓度二（18.60 g·L-1）、浓度三（5.90 g·L-1） 悬浊 液渗出液在 102.1 min、89.2 min、48.53 min时浓度曲线变化越发不明显，直至趋于零。所以，当渗出量相等时，高浓度的悬浊液渗出液浓度小、所用时间长，浓度一悬浊液浓度变化曲线较陡，浮动大，而浓度三悬浊液浓度曲线平缓，浮动平均；由图3可表明高浓度悬浊液会最快产生堵塞现象，但是饱水砂柱却没有停止渗出，所以在相同时间下，相比浓度二、浓度三，浓度一的渗出液浓度与时间曲线会比较平缓，所要产生完全淤堵还需要更长时间。

由图5、图6可知，浓度一（24.00 g·L-1）、浓度二（18.60 g·L-1）、浓度三（5.90 g·L-1）悬浊液在8.65min、6.25min、4.93min之前，渗透系数急剧下降，之后渗透系数缓慢下降且下降趋于平稳状态，且浓度一（24.00 g·L-1）悬浊液作用下的整体砂柱渗透系数衰减率为23.15%~69.94%，而浓度三（5.90 g·L-1）悬浊液作用下的整体砂柱渗透系数衰减率为33.52%~67.88%，这表明当饱水砂柱中砂子与悬浊液中的悬浮物质进行紧密结合，从而引起整体复合砂柱的渗透性能削弱，并且砂在不同浓度悬浊液的渗透作用下，其渗透系数是随着时间、渗出量逐渐下降，悬浊液浓度越高，渗透系数的衰减越明显，饱水砂柱彻底完成堵塞。

图5 渗透系数—渗出量关系曲线

图6 砂柱的渗透系数—时间关系曲线

由图7可知，试验中，当渗出量达到7 000ml时，浓度一（24.00 g·L-1）悬浊液的累积渗出量所需时间为300.6 min，而对于浓度二（18.60 g·L-1）、浓度三（5.90 g·L-1）悬浊液分别所用时间为268.60 min、227.24 min；当累积渗出量为5 000ml时，浓度一（24.00g·L-1）、浓度二（18.60g·L-1）、浓度三（5.90g·L-1）的渗出量速率到达其巅峰值，其所用时间分别为102.10min、89.20min、48.53min，过了巅峰值以后，其渗出液渗透传输趋于平稳，这表示在相同水头差的条件下，其悬浮物质的渗透过程遵从“先快后慢”、“先陡后缓”的趋势；在水头差的作用下，悬浮颗粒向饱和砂柱中渗透传输，在其传输过程中悬浮颗粒堵塞于砂子与砂子之间的孔隙，悬浊液浓度越高，悬浮颗粒沉积在砂子孔隙之中就越多，说明悬浮颗粒往深部迁移受到了一定的限制，悬浮物质堵塞程度越来越严重，导致后期的渗出量变化不大，悬浊液的渗透曲线越来越趋于平缓；

由图8可知，三种浓度下，饱水砂柱的悬浮物含量分布情况，明显地看出在0~10cm以及30~40cm处悬浮颗粒物质堆积，而0~10cm处，悬浮物质堵塞情况更为严重，浓度一（24.00g·L-1L）、浓度二（18.60g·L-1）、浓度三（5.90g·L-1）悬浊液在0~10cm饱水砂柱中所含悬浮物质分别为0.152g、0.135g、0.036g，30~40cm 处分别为 0.108g、0.082g、0.021g，10~20cm、20~30cm处，悬浮物颗粒物含量较少，变化浮动小，这表明悬浮颗粒直接堵塞于表层，悬浮颗粒与砂子形成保护膜。进而阻止悬浊液向饱水砂柱内部渗透。

图7 渗出量—时间关系曲线

图8 悬浮物的质量分布关系曲线

综上所述，当悬浮物与砂子之间的粘聚力小于流体的剪切力，悬浮颗粒在砂子中吸附-脱附共同作用中，脱附现象大于吸附现象，明显地，因水头差所造成的流速既让悬浮颗粒吸附于砂子与砂子孔隙之中，同样流速也让原先吸附在砂子孔隙之间的悬浮颗粒团聚，随着水体的重力作用，堵塞在砂子之间的团聚物也会向下挤入砂柱，继续向砂柱内部深入，造成一定深度的淤堵，可当悬浮物与砂子之间的粘聚力大于流体的剪切力时，吸附现象大于脱附现象，悬浮颗粒与砂子紧密粘聚形成一层“保护膜”，这在一定程度上抑制了悬浮颗粒的向下迁移，导致悬浮颗粒将不在往砂柱深部渗透。

悬浊液浓度越高，悬浮颗粒与砂子结合就越紧密，粘聚力越大，越快形成保护膜，阻止其悬浊液向下传输，进而淤堵。

3 结论

为了研究悬浊液对饱水砂柱的渗透特性以及堵塞情况，通过常水头试验，分析三种浓度的悬浊液对饱水砂柱中的渗透传输过程，研究目的是为了了解悬浮物在多孔介质中的释放迁移过程中的运动轨迹与趋势，为多尺度颗粒渗透传输提供有效数据。

（1）悬浊液浓度越大，饱水砂柱会最快有堵塞现象发生，但是饱水砂柱的渗透性能还未降到最低值，饱水砂柱依旧维持向外渗出，且渗出液浓度变化趋势明显，饱水砂柱彻底完成堵塞所耗时间长。这表明悬浮颗粒与砂子在渗透传输过程中，粒子间重新组合、排列紧密，在砂柱表层形成保护膜，阻止其悬浊液的渗透。

（2）随着时间增加，渗出液浓度、砂柱的渗透系数曲线图呈下降趋势，浓度一、二、三悬浊液分别在8.65min、6.25min、4.93min之前，渗透系数急剧下降，之后渗透系数缓慢下降且下降趋于平稳状态，且浓度一（24.00 g·L-1）悬浊液作用下的整体砂柱渗透系数衰减率为23.15%~69.94%，而浓度三（5.90 g·L-1）悬浊液作用下的整体砂柱渗透系数衰减率为33.52%-67.88%，渗透系数减小表示饱水砂柱与悬浊液中悬浮物已经紧密相连，砂子之间孔隙体积也随之变小，饱水砂柱已经完全堵塞。

（3）悬浊液在饱水砂柱中的渗透过程中，悬浮物质既是过滤作用又有淤堵作用，悬浮物可以从砂子之间的孔隙中穿过，也可以堵塞于孔隙之间，造成淤堵，而在整个释放迁移过程中，悬浮颗粒的脱附、吸附现象并存，当悬浮颗粒与砂子之间粘聚力小于流体剪切力，悬浮颗粒的脱附现象明显，悬浮颗粒继续向内部渗透，反之，当悬浮颗粒与砂子之间粘聚力大于流体剪切力，悬浮颗粒物的吸附现象显著，悬浮颗粒不在向下渗透，堵塞砂柱孔隙中。