粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的耦合影响

1、第32卷 增1岩石力学与工程学报 V ol.32 Supp.12013年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan .,2013收稿日期:20111227;修回日期:20120319基金项目:国家自然科学基金资助项目(51279002,50978022;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011YJS047作者简介:陈星欣(1984,男,2008年毕业于南京工业大学勘查技术与工程专业,现为博士研究生,主要从事复杂环境条件下岩土介质的特性方面的研究工作。E-mail :cxx0910粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移

2、和沉积特性的耦合影响陈星欣,白 冰,于 涛,郭兰杰(北京交通大学 土木建筑工程学院,北京 100044摘要:关于粒径和渗流速度的研究对更好地描述悬浮颗粒的迁移和沉积过程有着重要的意义。在不同的粒径和渗流速度条件下进行悬浮颗粒的室内土柱试验,对比分析不同条件下穿透曲线的变化规律。试验很好地克服了悬浮颗粒形状和化学因素等对试验结果的影响。试验结果表明,对于粒径相同的悬浮颗粒来说,流出液中悬浮颗粒的浓度峰值随渗流速度增大而增大,相应的沉积颗粒却随之减小;并且,渗流速度存在一个临界值(0.173 cm/s,大于该临界值,渗流速度的变化对悬浮颗粒的迁移特性的影响很小。其次,渗流速度相同时,流出液中悬浮颗

3、粒的浓度峰值随粒径增大而减小,相应的沉积颗粒却随之增大;渗流速度越小,粒径对筛滤作用的影响越明显。 关键词:土力学;悬浮颗粒;多孔介质;筛滤;水动力;颗粒粒径中图分类号:TU 43 文献标识码:A 文章编号:10006915(2013增1284006COUPLED EFFECTS OF PARTICLE SIZE AND FLOW RATE ON CHARACTERISTICS OF PARTICLE TRANSPORTATION ANDDEPOSITION IN POROUS MEDIACHEN Xingxin ,BAI Bing ,YU Tao ,GUO Lanjie(School of

4、Civil Engineering ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044,China Abstract :Particle size and flow rate play an important role in particle transportation and deposition in porous media. Different suspended particles were studied under different flow rates in soil columns tests ,and the correspond

5、ing breakthrough curves were analyzed. The effects of particle shape and chemical factors on test results were excluded from the tests. Test results show that the peak concentration of effluent increases and the quantity of deposition particle decreases with the increasing flow rate for the same par

6、ticle size. However ,the deposition particle decreases with the increasing flow rate. There exists a critical flow rate of 0.173 cm/s ,and the effect of flow rate on particle transportation can be negligible when the flow rate is larger than the critical value. On the other hand ,the peak concentrat

7、ion of effluent decreases and deposition increases with the increasing particle size for the same flow rate. Furthermore ,the effect of particle size on particle straining is obvious at low flow rate. Key words :soil mechanics ;suspended particle ;porous media ;straining ;hydrodynamic force ;particl

8、e size1 引 言多孔介质中悬浮颗粒迁移特性的研究在地下污染物扩散、核废料处置、石油开采、地下水回灌和水工结构的内部侵蚀破坏等方面有很重要的研究意义1-4。过去人们认为,在地下渗流环境中污染物只能通过液体和气体进行传输,近几十年的研究发现第32卷增1 陈星欣等:粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的耦合影响 2841 污染物也可吸附在细小颗粒上随水流进行流动。地下环境中大量赋存的黏土矿物、氧化物和腐殖质等细小颗粒(直径<1 µm由于其特殊的性质(比表面积大、吸附特性强、对化学和物理环境敏感等引起了学术界广泛的关注2-4。细小颗粒对污染物有强烈的吸附作用,并且可以

9、随水流进行流动,从而加速了污染物的扩散2-4。另外,大量的调查5-7表明,地下水中细小颗粒能增强放射性元素的迁移。N. Massei 等6-7的研究表明,直径大于1 µm的悬浮颗粒同样能作为污染物的载体在污染物扩散过程中发挥重要的作用。因此,对悬浮颗粒迁移特性的研究有很重要的学术价值和应用前景。关于化学因素对多孔介质中悬浮颗粒的释放、迁移和沉积机制的影响已经做了较透彻的研究,但物理因素对悬浮颗粒的影响机制还不是很明确8-10。其中,筛滤作用是影响多孔介质中悬浮颗粒的迁移和沉积的重要机制。筛滤是指孔隙中的悬浮颗粒由于其粒径较大而不能从较小的孔隙喉道中流出。X. Q. Li等11-12研

10、究表明,筛滤作用主要受悬浮颗粒和介质的粒径大小、介质表面的粗糙程度、悬浮颗粒的形状、水动力以及水中化学成分等因素的影响。目前,关于筛滤作用的研究主要有:S. A.Bradford等13认为悬浮颗粒的筛滤作用与悬浮颗粒以及孔隙大小的分布情况有关,当颗粒粒径远小于孔隙直径时,筛滤作用对颗粒滞留的影响变弱,吸附作用的影响变强;S. P. Xu等14通过试验证实了颗粒和介质材料的粒径对筛滤作用的影响,颗粒粒径和介质粒径的比值的临界值为0.008,当该比值小于0.008时,可以忽略筛滤作用的影响;A. A. Porubcan和S. P. Xu15通过试验测定了颗粒在非均质介质中的筛滤作用,在非均质的介质

11、中加入细砂可以显著地增强颗粒的筛滤作用。可见,筛滤作用的研究主要集中在悬浮颗粒的粒径大小以及介质本身的不均匀性等方面,关于水动力对悬浮颗粒筛滤作用的影响的研究很少。另外,在颗粒间的接触点附近或者小的孔隙中的渗流速度很小,容易形成低渗流区域16-17。S. A. Bradford等16-17研究发现,大量的悬浮颗粒滞留在低渗流区域,并且这一区域同时受水动力和化学作用的影响。综上所述,粒径和水动力是影响悬浮颗粒筛滤作用的重要因素,对这些因素的研究能够进一步探究多孔介质中悬浮颗粒的迁移和沉积特性。本试验同时考虑悬浮颗粒粒径和水动力对悬浮颗粒迁移特性的影响,对4种不同粒径的球形悬浮颗粒在3种不同的渗流

12、速度下进行室内土柱试验,试图揭示悬浮颗粒粒径和水动力对饱和多孔介质中悬浮颗粒迁移特性的影响机制。试验很好地克服了颗粒形状和化学因素等对试验结果的影响。2 试验方法2.1 试验装置如图1所示,蠕动泵带动储水箱中的高纯去离子水自上至下地流入试验土柱。土柱上端的流量计精确测定单位时间的流量,通过恒定蠕动泵的转速能保证渗流速度的稳定。悬浮颗粒通过土柱顶端的注射器注入,每次试验注入30 mL(浓度为0.2 g/L的悬浮颗粒的混合物液体。在土柱下部的出口处每隔一定时间接取30 mL的流出液,对其浊度进行测试,测试值为某一时刻所收集液体中悬浮颗粒的浊度,本试验采用美国哈希2 100 N台式浊度仪进行浊度测试

13、。图1中,土柱的内径70 mm,高度300 mm,渗流通过土柱进水口处孔径均匀的筛网均匀地进入整个土柱断面,因此,可以近似认为土柱中流场为均匀一维流场。图1 试验装置示意图Fig.1 Sketch of experimental device2.2 试验步骤本试验悬浮颗粒选用4种不同粒径范围的球形硅微粉,4种硅微粉的球形率均大于95%,因此,在试验中可以忽略颗粒形状的影响。并且,悬浮颗粒的颗粒级配合理,如图2所示。土柱 2842 岩石力学与工程学报 2013年 图2 悬浮颗粒粒度曲线Fig.2 Grain size curve of suspended particles表1为球形硅微粉的物理

14、参数,4种硅微粉的密度均为2.26 g/cm 3,大于水的密度。并且,随着中位粒径D 50的增加,硅微粉的比表面积逐渐减小。多孔介质选用洁净无任何杂质的天然石英砂,其中颗粒粒径分布为1.003.50 mm ,级配不良,粒径分布比较集中。土柱分10层填装,每层约174 g 砂,每次填装时水面高于试样顶面12 cm ,这样能确保填装的土柱为饱和土柱。同时,对每层捣实相同的次数以保证土柱整体的均匀性。表1 球形硅微粉物理参数Table 1 Physical parameters of spherical silica中位粒径D 50/µm 密度/(g ·cm -3PH 值 比表面

15、积/(m 2·kg -11.022.26 5.56.0 2 357.393.40 2.26 5.56.0 835.25 8.31 2.26 5.56.0 355.03 9.632.265.56.0276.17本试验对4种不同粒径的悬浮颗粒(SiO 2分别进行3种不同渗流速度的土柱试验,共计12次试验。在每次试验时,通过注射器注入30 mL(浓度为0.2 g/L的悬浮物溶液。从每次注射开始时每隔38 s (视不同的渗流速度来定接取30 mL 土柱底部流出的水样,对每次接取的水样进行浊度测试。最后,通过悬浮液浊度和浓度的关系对每一时刻的流出水样中的颗粒浓度随时间的变化关系进行分析。其中,

16、0.2 g/L 的中位粒径为1.02,3.40,8.31,9.63 µm 的悬浮颗粒所对应的初始浊度分别为142.0,71.0,42.0,26.6 NTU 。本试验的渗流流量范围为200600 mL/min ,对应的达西渗流速度是0.0870.260 cm/s 。在每次试验前,采用高纯去离子水对土柱进行渗透,以保证正式试验时水流是稳定流。本试验的悬浮颗粒采用脉冲注入形式,通过注射器产生脉冲,每次注入30 mL 混合物液体。每次注射的持续时间很短,可以看成是瞬间的5-6,并且忽略脉冲注入对土柱中渗流场的影响。另外,本试验中的试验材料的性质稳定,采用的渗流为高纯去离子水,可以忽略化学因素

17、对试验结果的影响。3 试验结果分析3.1 纯水中悬浮颗粒的浓度测试结果悬浮颗粒浓度是指一定体积浑水中所含悬浮颗粒的质量,是一种直接指标。而浑浊度则是一种光学效应。悬浮颗粒的大小、形状、粒径分布、折射指数等影响光散射性质,致使浑浊度出现差异。由于浊度测量技术的迅速发展,J. Pfrannkuche 等18-21已成功通过浊度测量来代替浓度测量。本试验通过测定一系列已知浓度的悬浮液的浊度来得出分析悬浮颗粒浓度和浊度的关系,图3为4种不同粒径的悬浮颗粒浓度和浊度的关系曲线。图3 悬浮颗粒浊度和浓度的关系曲线Fig.3 Relationship curves between turbidity and

18、 concentrationof suspended particles对图3分析可知,对于4种不同粒径的悬浮颗粒来说,随着浊度的增加,其浓度也相应地增大,这主要是由于浊度增加,颗粒的数量随之增加,散射光的强度增大。同时,比较不同粒径的悬浮颗粒浓度和浊度的关系曲线可知,粒径越小,曲线的斜率越小;对于一定浓度的悬浮颗粒来说,粒径越小,其数量越多,对光线的散射也相应较强,所以其浊度也较大。最后,将本次试验结果的标定浓度与浊度观测值进行线性回归分析,其R 2都可达到0.9以上,说明两者间确实具有高度相关性,由浊度转换而成浓度的误差很小。可见,本试验通过对悬浮颗粒浊度的测试来反映其浓度的变化的方法可行

19、。粒径/m m小于某粒径的质量百分比/%浓度/(g ·L -1浊度/NTU第32卷 增1 陈星欣等:粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的耦合影响 2843 3.2 渗流速度对悬浮颗粒迁移的影响对4种不同粒径的悬浮颗粒在3种不同的渗流速度下进行试验,4种不同粒径的悬浮颗粒的穿透曲线如图4所示。由于土柱上边界的悬浮颗粒采用脉冲注入形式,所以悬浮颗粒的穿透曲线都类似于正态曲线的形式。随着孔隙体积的增加,在某一特定的孔隙体积处呈现一个明显的浓度峰值(即最大浓度,超过这一特定体积,浓度逐渐减小,最后趋向于0。孔隙体积是指流过土柱的累计水量与含水介质中总的孔隙体积之比。一般不以时间

20、t 为横轴,因为不同的多孔介质的孔隙体积及流速差异造成试验结果可比性差7。(a D 50 = 1.02 µm(b D 50 = 3.40 µm(c D 50 = 8.31 µm(d D 50 = 9.63 µm图4 4种不同中位粒径的悬浮颗粒的穿透曲线 Fig.4 Effluent curves of suspended particles in sand withdifferent median diameters由图4可知,对于同一种粒径的悬浮颗粒,渗流速度越大,流出液中颗粒的浓度峰值越大,并且其浓度峰值所对应的孔隙体积越大。例如,图4(a中渗流速度

21、为0.260 cm/s 时的浓度峰值要大于渗流速度0.173和0.087 cm/s 时的值。另外,渗流速度为0.087 cm/s 时,浓度峰值所对应的孔隙体积为0.3;0.173 cm/s 时,孔隙体积大致为0.46;0.260 cm/s 时,孔隙体积为0.53。分析可知,渗流速度是影响悬浮颗粒迁移的重要因素,当渗流速度增大时,作用于悬浮颗粒的水动力随之增大,同时多孔介质中悬浮颗粒的沉积作用逐渐减少,从土柱底部流出的悬浮颗粒的数量增多,所以流出液中悬浮颗粒的浓度峰值逐渐增大。但是,在较大的渗流速度下,悬浮颗粒和孔隙碰撞的机会增多,与每次试验时的水流速度相比的悬浮颗粒相对速度逐渐减小,表现为较大

22、的渗流速度下的悬浮颗粒的浓度峰值所对应的孔隙体积较大。其次,从图4中可以看出,渗流速度为0.173和0.260 cm/s 时的穿透曲线的浓度峰值很相近。可见,0.173 cm/s 是渗流速度的临界值,当渗流速度大于0.173 cm/s 时,穿透曲线的浓度峰值受渗流速度的变化的影响很小,此时渗流有足够的拖拽力使颗粒从孔隙空间中流出。然而,当渗流速度小于0.173 cm/s 时,渗流速度的变化对穿透曲线的浓度峰值的影响很大,表现为0.087和0.173 cm/s 时的穿透曲线的浓度峰值的差别很大。另外,穿透曲线的光滑性也受颗粒大小的影响,悬浮颗粒尺寸越大,其曲线越不规则,这主要是因为颗粒越大,其受

23、随机运动的影响越大。3.3 悬浮颗粒粒径对迁移特性的影响图5为3种不同渗流速度条件下,4种不同粒0.00.51.0 1.52.0浓度/(m g ·L -1孔隙体积 浓度/(m g ·L -1孔隙体积浓度/(m g ·L -1孔隙体积0.00.5 1.0 1.5 2.0浓度/(m g ·L -1孔隙体积 2844 岩石力学与工程学报 2013年 (a 0.260 cm/s(b 0.173 cm/s(c 0.087 cm/s图5 3种不同渗流速度下,4种不同粒径的悬浮颗粒穿透曲线 Fig.5 Effluent curves of suspended part

24、icles with four differentmedian diameters under different seepage velocities径的悬浮颗粒的迁移特性的试验结果。在同一渗流速度条件下,4种不同粒径的悬浮颗粒穿透曲线的浓度峰值所对应的孔隙体积大致相等。另外,渗流速度相同时,悬浮颗粒中位粒径越大,其浓度峰值越小,如图5所示。本次所用的悬浮颗粒和石英砂都是化学性质稳定的SiO 2,两者之间的静电吸附作用可以忽略不计。因此,多孔介质中悬浮颗粒的滞留可以近似认为是由于筛滤作用造成的。悬浮颗粒越大,其在孔径相同的多孔介质中的筛滤作用越明显13。另外,在渗流速度较大(见图5(a时,不

25、同粒径(如中位粒径D 50 = 3.40,8.31,9.63 µm的悬浮颗粒的穿透曲线大致相同,浓度峰值也差别不大。结果表明,渗流速度较大时,介质中的低渗流区域较小,所以相应的筛滤作用也较小。然而,在渗流速度为0.087 cm/s 时,4种不同粒径的悬浮颗粒的浓度峰值的差别很明显,如图5(c所示。这种现象说明,渗流速度较小时,筛滤现象是影响多孔介质中悬浮颗粒的滞留的主要因素,表现为悬浮颗粒越大,其相应的浓度峰值越小。综上所述,在渗流速度逐渐减小的过程中,悬浮颗粒的迁移是悬浮颗粒粒径和水动力2个因素此消彼长共同作用的结果。在渗流速度较高时,水动力对悬浮颗粒迁移的影响要远大于粒径的影响,

26、此时,不同粒径的悬浮颗粒的穿透曲线大致相同;而在渗流速度较低时,粒径的作用占主要地位,悬浮颗粒越大,其在多孔介质中的筛滤作用越明显。 3.4 渗流速度和粒径对悬浮颗粒沉积特性的影响回收率是指土柱流出液中颗粒的质量占注入的总量的百分比。回收率间接地反映悬浮颗粒沉积的特性。通过Matlab 软件对前述的各个悬浮颗粒穿透曲线进行积分可求得不同粒径和渗流速度情况下的回收率的值,如图6所示。回收率R 的计算公式7为0(d /R QC t t m ¥=ò (1式中:m 为注入的颗粒质量,Q 为单位时间的渗流流量,C (t 为流出液中悬浮颗粒的浓度。图6 不同渗流速度下,流出液中悬浮颗粒

27、的回收率随中位粒径的变化曲线Fig.6 V ariation curves of recovery rate at the column outlet with afunction of particle median diameter under different seepage velocities从图6可以看出,在同一渗流速度下,随着悬浮颗粒中位粒径的增大,其对应的回收率随之减小,此时悬浮颗粒在多孔介质中的沉积量逐渐增多。其浓度/(m g ·L-1孔隙体积浓度(m g ·L -1孔隙体积浓度/(m g ·L -1孔隙体积 回收率R /% 中位粒径D 50/

28、m m第 32 卷 增 1 陈星欣等：粒径和渗流速度对多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的耦合影响 2845 次，在同一粒径条件下，渗流速度越大，回收率越 大，对应的沉积量越小。但是，渗流速度越小，回 收率随颗粒粒径的变化范围越大。例如：在渗流速 度为 0.087 cm/s 时，回收率随着悬浮颗粒中位粒径 的变化很明显，回收率的变化范围为 30%90%。 渗流速度为 0.260 cm/s 时，回收率的变化范围为 80%100%。此时，悬浮颗粒在多孔介质迁移过程 中只产生了少量沉积。 facilitated radionuclide transport in a coupled fracture-

29、matrix systemJ. International Journal of Energy and Environment，2011，2(3：491504. 6 MASSEI N， LACROIX M， WANG H Q， et al. Transport of particulate material and dissolved tracer in a highly permeable porous medium： comparison of the transfer parametersJ. Journal of Contaminant Hydrology，2002，57(1/2：21

30、39. 7 AHFIR N D，WANG H Q，BENAMAR A，et al. Transport and deposition of suspended particles in saturated porous media ： hydrodynamic effectJ. Hydrogeology Journal，2007，15(4：659668. 8 OCHIAI N ， DRAGILA M I ， PARKER J L. Three-Dimensional tracking of colloids at the pore scale using epifluorescence mic

31、roscopyJ. Vadose Zone Journal，2010，9(3：576587. 9 FREY J M，SCHMITZ P，DUFRECHE J，et al. Particle deposition in porous media：analysis of hydrodynamic and weak inertial effectJ. Transport in porous media，1999，37(1：2554. 10 AHFIR N D，BENAMAR A，ALEM A，et al. Influence of internal structure and medium leng

32、th on transport and deposition of suspended particles：a laboratory studyJ. Transport in Porous Media，2009， 76(2：289307. 11 LI X Q，LIN C L，MILLER J D，et al. Role of grain-to grain contacts on profiles of retained colloids in porous media in the presence of an energy barrier to depositionJ. Environmen

33、tal Science and Technology， 2006，40(12：3 7693 774. 12 KELLER A A，AUSET M. A review of visualization techniques of biocolloid transport processes at the pore scale under saturated and unsaturated conditionsJ. Advances in Water Resources ， 2007 ， 30(6/7：1 3921 407. 13 BRADFORD S A， YATES S R， BETTAHAR

34、 M， et al. Physical factors affecting the transport and fate of colloids in saturated porous mediaJ. Water Resources Research，2002，38(12：1 3271 338. 14 XU S P，GAO B，SAIERS J E. Straining of colloidal particles in saturated porous mediaJ. Water Resources Research，2006，42： W12S16. doi：1029/2006WR00494

35、8. 15 PORUBCAN A A ， XU S P. Colloid straining within saturated heterogeneous porous mediaJ. Water Resources Research，2011， 45(4：1 7961 806. 16 BRADFORD S A，TORKZABAN S，WALKER S L. Coupling of physical and chemical mechanisms of colloid straining in saturated porous mediaJ. Water Research，2007，41(13

36、：3 0123 024. 17 TORKZABAN S，BRADFORD S A，WALKER S L. Colloid transport in unsaturated porous media：The role of water content and ionic strength on particle strainingJ. Journal of Contaminant Hydrology， 96(1/2/3/4：113127. 18 PFANNKUCHE J ， SCHMIDT A. Determination of suspended particulate matter conc

37、entration from turbidity measurements：particle size effects and calibration proceduresJ. Hydrological Processes， 2003，17(10：1 9511 963. 19 薛元忠，何 青，王元叶. OBS浊度计测量泥沙浓度的方法与实践 研究J. 泥沙研究， 2004， (4： 5660.(XUE Yuanzhong， HE Qing， WANG Yuanye. The method and application OBS in the measurement of sediment con

38、centrationJ. Journal of Sediment Research，2004， (4：5660.(in Chinese 20 JASTRAM J D，ZIPPER C E，ZELAZNY L W，et al. Increasing precision of turbidity-based suspended sediment concentration and load estimatesJ. Journal of Environmental Quality，2010，39(4： 1 3061 316. 21 MURILLO J M. Turbidity and suspended solids in the runoff susceptible of use for the artificial recharge of the deep granular aquifer subjacent to the town of San Luis de Potosí(MexicoJ. Boletín Geológicoy Minero，2009，120(2：169184. 4 结 论 (1 随着浊度的增大，悬浮颗粒的浓度也相应 地增大。其次，悬浮颗粒的粒径越小，浓度浊度 关系曲线的斜率