粒徑和滲流速度對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移和沉積特性的耦合影響

1、第32卷 增1巖石力學(xué)與工程學(xué)報 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基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51279002,50978022;中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2011YJS047作者簡介:陳星欣(1984,男,2008年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)勘查技術(shù)與工程專業(yè),現(xiàn)為博士研究生,主要從事復(fù)雜環(huán)境條件下巖土介質(zhì)的特性方面的研究工作。E-mail :cxx0910粒徑和滲流速度對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移

2、和沉積特性的耦合影響陳星欣,白 冰,于 濤,郭蘭杰(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044摘要:關(guān)于粒徑和滲流速度的研究對更好地描述懸浮顆粒的遷移和沉積過程有著重要的意義。在不同的粒徑和滲流速度條件下進行懸浮顆粒的室內(nèi)土柱試驗,對比分析不同條件下穿透曲線的變化規(guī)律。試驗很好地克服了懸浮顆粒形狀和化學(xué)因素等對試驗結(jié)果的影響。試驗結(jié)果表明,對于粒徑相同的懸浮顆粒來說,流出液中懸浮顆粒的濃度峰值隨滲流速度增大而增大,相應(yīng)的沉積顆粒卻隨之減小;并且,滲流速度存在一個臨界值(0.173 cm/s,大于該臨界值,滲流速度的變化對懸浮顆粒的遷移特性的影響很小。其次,滲流速度相同時,流出液中懸浮顆

3、粒的濃度峰值隨粒徑增大而減小,相應(yīng)的沉積顆粒卻隨之增大;滲流速度越小,粒徑對篩濾作用的影響越明顯。 關(guān)鍵詞:土力學(xué);懸浮顆粒;多孔介質(zhì);篩濾;水動力;顆粒粒徑中圖分類號:TU 43 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號: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 言多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移特性的研究在地下污染物擴散、核廢料處置、石油開采、地下水回灌和水工結(jié)構(gòu)的內(nèi)部侵蝕破壞等方面有很重要的研究意義1-4。過去人們認為,在地下滲流環(huán)境中污染物只能通過液體和氣體進行傳輸,近幾十年的研究發(fā)現(xiàn)第32卷增1 陳星欣等:粒徑和滲流速度對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移和沉積特性的耦合影響 2841 污染物也可吸附在細小顆粒上隨水流進行流動。地下環(huán)境中大量賦存的黏土礦物、氧化物和腐殖質(zhì)等細小顆粒(直徑1 m由于其特殊的性質(zhì)(比表面積大、吸附特性強、對化學(xué)和物理環(huán)境敏感等引起了學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注2-4。細小顆粒對污染物有強烈的吸附作用,并且可以隨水流進行流動,從而

9、加速了污染物的擴散2-4。另外,大量的調(diào)查5-7表明,地下水中細小顆粒能增強放射性元素的遷移。N. Massei 等6-7的研究表明,直徑大于1 m的懸浮顆粒同樣能作為污染物的載體在污染物擴散過程中發(fā)揮重要的作用。因此,對懸浮顆粒遷移特性的研究有很重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。關(guān)于化學(xué)因素對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的釋放、遷移和沉積機制的影響已經(jīng)做了較透徹的研究,但物理因素對懸浮顆粒的影響機制還不是很明確8-10。其中,篩濾作用是影響多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的遷移和沉積的重要機制。篩濾是指孔隙中的懸浮顆粒由于其粒徑較大而不能從較小的孔隙喉道中流出。X. Q. Li等11-12研究表明,篩濾作用主要受懸浮顆粒和

10、介質(zhì)的粒徑大小、介質(zhì)表面的粗糙程度、懸浮顆粒的形狀、水動力以及水中化學(xué)成分等因素的影響。目前,關(guān)于篩濾作用的研究主要有:S. A.Bradford等13認為懸浮顆粒的篩濾作用與懸浮顆粒以及孔隙大小的分布情況有關(guān),當(dāng)顆粒粒徑遠小于孔隙直徑時,篩濾作用對顆粒滯留的影響變?nèi)?吸附作用的影響變強;S. P. Xu等14通過試驗證實了顆粒和介質(zhì)材料的粒徑對篩濾作用的影響,顆粒粒徑和介質(zhì)粒徑的比值的臨界值為0.008,當(dāng)該比值小于0.008時,可以忽略篩濾作用的影響;A. A. Porubcan和S. P. Xu15通過試驗測定了顆粒在非均質(zhì)介質(zhì)中的篩濾作用,在非均質(zhì)的介質(zhì)中加入細砂可以顯著地增強顆粒的篩

11、濾作用?？梢?篩濾作用的研究主要集中在懸浮顆粒的粒徑大小以及介質(zhì)本身的不均勻性等方面,關(guān)于水動力對懸浮顆粒篩濾作用的影響的研究很少。另外,在顆粒間的接觸點附近或者小的孔隙中的滲流速度很小,容易形成低滲流區(qū)域16-17。S. A. Bradford等16-17研究發(fā)現(xiàn),大量的懸浮顆粒滯留在低滲流區(qū)域,并且這一區(qū)域同時受水動力和化學(xué)作用的影響。綜上所述,粒徑和水動力是影響懸浮顆粒篩濾作用的重要因素,對這些因素的研究能夠進一步探究多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的遷移和沉積特性。本試驗同時考慮懸浮顆粒粒徑和水動力對懸浮顆粒遷移特性的影響,對4種不同粒徑的球形懸浮顆粒在3種不同的滲流速度下進行室內(nèi)土柱試驗,試圖揭示

12、懸浮顆粒粒徑和水動力對飽和多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移特性的影響機制。試驗很好地克服了顆粒形狀和化學(xué)因素等對試驗結(jié)果的影響。2 試驗方法2.1 試驗裝置如圖1所示,蠕動泵帶動儲水箱中的高純?nèi)ルx子水自上至下地流入試驗土柱。土柱上端的流量計精確測定單位時間的流量,通過恒定蠕動泵的轉(zhuǎn)速能保證滲流速度的穩(wěn)定。懸浮顆粒通過土柱頂端的注射器注入,每次試驗注入30 mL(濃度為0.2 g/L的懸浮顆粒的混合物液體。在土柱下部的出口處每隔一定時間接取30 mL的流出液,對其濁度進行測試,測試值為某一時刻所收集液體中懸浮顆粒的濁度,本試驗采用美國哈希2 100 N臺式濁度儀進行濁度測試。圖1中,土柱的內(nèi)徑70 mm,

13、高度300 mm,滲流通過土柱進水口處孔徑均勻的篩網(wǎng)均勻地進入整個土柱斷面,因此,可以近似認為土柱中流場為均勻一維流場。圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch of experimental device2.2 試驗步驟本試驗懸浮顆粒選用4種不同粒徑范圍的球形硅微粉,4種硅微粉的球形率均大于95%,因此,在試驗中可以忽略顆粒形狀的影響。并且,懸浮顆粒的顆粒級配合理,如圖2所示。土柱 2842 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2013年 圖2 懸浮顆粒粒度曲線Fig.2 Grain size curve of suspended particles表1為球形硅微粉的物理參數(shù),4種硅微粉的密度均為2.2

14、6 g/cm 3,大于水的密度。并且,隨著中位粒徑D 50的增加,硅微粉的比表面積逐漸減小。多孔介質(zhì)選用潔凈無任何雜質(zhì)的天然石英砂,其中顆粒粒徑分布為1.003.50 mm ,級配不良,粒徑分布比較集中。土柱分10層填裝,每層約174 g 砂,每次填裝時水面高于試樣頂面12 cm ,這樣能確保填裝的土柱為飽和土柱。同時,對每層搗實相同的次數(shù)以保證土柱整體的均勻性。表1 球形硅微粉物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of spherical silica中位粒徑D 50/m 密度/(g cm -3PH 值 比表面積/(m 2kg -11.022.26 5.56.0 2

15、 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本試驗對4種不同粒徑的懸浮顆粒(SiO 2分別進行3種不同滲流速度的土柱試驗,共計12次試驗。在每次試驗時,通過注射器注入30 mL(濃度為0.2 g/L的懸浮物溶液。從每次注射開始時每隔38 s (視不同的滲流速度來定接取30 mL 土柱底部流出的水樣,對每次接取的水樣進行濁度測試。最后,通過懸浮液濁度和濃度的關(guān)系對每一時刻的流出水樣中的顆粒濃度隨時間的變化關(guān)系進行分析。其中,0.2 g/L 的中位粒徑為1.02,3.40,8.31,9.63

16、m 的懸浮顆粒所對應(yīng)的初始濁度分別為142.0,71.0,42.0,26.6 NTU 。本試驗的滲流流量范圍為200600 mL/min ,對應(yīng)的達西滲流速度是0.0870.260 cm/s 。在每次試驗前,采用高純?nèi)ルx子水對土柱進行滲透,以保證正式試驗時水流是穩(wěn)定流。本試驗的懸浮顆粒采用脈沖注入形式,通過注射器產(chǎn)生脈沖,每次注入30 mL 混合物液體。每次注射的持續(xù)時間很短,可以看成是瞬間的5-6,并且忽略脈沖注入對土柱中滲流場的影響。另外,本試驗中的試驗材料的性質(zhì)穩(wěn)定,采用的滲流為高純?nèi)ルx子水,可以忽略化學(xué)因素對試驗結(jié)果的影響。3 試驗結(jié)果分析3.1 純水中懸浮顆粒的濃度測試結(jié)果懸浮顆粒濃

17、度是指一定體積渾水中所含懸浮顆粒的質(zhì)量,是一種直接指標(biāo)。而渾濁度則是一種光學(xué)效應(yīng)。懸浮顆粒的大小、形狀、粒徑分布、折射指數(shù)等影響光散射性質(zhì),致使渾濁度出現(xiàn)差異。由于濁度測量技術(shù)的迅速發(fā)展,J. Pfrannkuche 等18-21已成功通過濁度測量來代替濃度測量。本試驗通過測定一系列已知濃度的懸浮液的濁度來得出分析懸浮顆粒濃度和濁度的關(guān)系,圖3為4種不同粒徑的懸浮顆粒濃度和濁度的關(guān)系曲線。圖3 懸浮顆粒濁度和濃度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between turbidity and concentrationof suspended particles對圖3分

18、析可知,對于4種不同粒徑的懸浮顆粒來說,隨著濁度的增加,其濃度也相應(yīng)地增大,這主要是由于濁度增加,顆粒的數(shù)量隨之增加,散射光的強度增大。同時,比較不同粒徑的懸浮顆粒濃度和濁度的關(guān)系曲線可知,粒徑越小,曲線的斜率越小;對于一定濃度的懸浮顆粒來說,粒徑越小,其數(shù)量越多,對光線的散射也相應(yīng)較強,所以其濁度也較大。最后,將本次試驗結(jié)果的標(biāo)定濃度與濁度觀測值進行線性回歸分析,其R 2都可達到0.9以上,說明兩者間確實具有高度相關(guān)性,由濁度轉(zhuǎn)換而成濃度的誤差很小。可見,本試驗通過對懸浮顆粒濁度的測試來反映其濃度的變化的方法可行。粒徑/m m小于某粒徑的質(zhì)量百分比/%濃度/(g L -1濁度/NTU第32卷

19、 增1 陳星欣等:粒徑和滲流速度對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移和沉積特性的耦合影響 2843 3.2 滲流速度對懸浮顆粒遷移的影響對4種不同粒徑的懸浮顆粒在3種不同的滲流速度下進行試驗,4種不同粒徑的懸浮顆粒的穿透曲線如圖4所示。由于土柱上邊界的懸浮顆粒采用脈沖注入形式,所以懸浮顆粒的穿透曲線都類似于正態(tài)曲線的形式。隨著孔隙體積的增加,在某一特定的孔隙體積處呈現(xiàn)一個明顯的濃度峰值(即最大濃度,超過這一特定體積,濃度逐漸減小,最后趨向于0。孔隙體積是指流過土柱的累計水量與含水介質(zhì)中總的孔隙體積之比。一般不以時間t 為橫軸,因為不同的多孔介質(zhì)的孔隙體積及流速差異造成試驗結(jié)果可比性差7。(a D 50 =

20、 1.02 m(b D 50 = 3.40 m(c D 50 = 8.31 m(d D 50 = 9.63 m圖4 4種不同中位粒徑的懸浮顆粒的穿透曲線 Fig.4 Effluent curves of suspended particles in sand withdifferent median diameters由圖4可知,對于同一種粒徑的懸浮顆粒,滲流速度越大,流出液中顆粒的濃度峰值越大,并且其濃度峰值所對應(yīng)的孔隙體積越大。例如,圖4(a中滲流速度為0.260 cm/s 時的濃度峰值要大于滲流速度0.173和0.087 cm/s 時的值。另外,滲流速度為0.087 cm/s 時,濃度峰

21、值所對應(yīng)的孔隙體積為0.3;0.173 cm/s 時,孔隙體積大致為0.46;0.260 cm/s 時,孔隙體積為0.53。分析可知,滲流速度是影響懸浮顆粒遷移的重要因素,當(dāng)滲流速度增大時,作用于懸浮顆粒的水動力隨之增大,同時多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的沉積作用逐漸減少,從土柱底部流出的懸浮顆粒的數(shù)量增多,所以流出液中懸浮顆粒的濃度峰值逐漸增大。但是,在較大的滲流速度下,懸浮顆粒和孔隙碰撞的機會增多,與每次試驗時的水流速度相比的懸浮顆粒相對速度逐漸減小,表現(xiàn)為較大的滲流速度下的懸浮顆粒的濃度峰值所對應(yīng)的孔隙體積較大。其次,從圖4中可以看出,滲流速度為0.173和0.260 cm/s 時的穿透曲線的濃度

22、峰值很相近?？梢?0.173 cm/s 是滲流速度的臨界值,當(dāng)滲流速度大于0.173 cm/s 時,穿透曲線的濃度峰值受滲流速度的變化的影響很小,此時滲流有足夠的拖拽力使顆粒從孔隙空間中流出。然而,當(dāng)滲流速度小于0.173 cm/s 時,滲流速度的變化對穿透曲線的濃度峰值的影響很大,表現(xiàn)為0.087和0.173 cm/s 時的穿透曲線的濃度峰值的差別很大。另外,穿透曲線的光滑性也受顆粒大小的影響,懸浮顆粒尺寸越大,其曲線越不規(guī)則,這主要是因為顆粒越大,其受隨機運動的影響越大。3.3 懸浮顆粒粒徑對遷移特性的影響圖5為3種不同滲流速度條件下,4種不同粒0.00.51.0 1.52.0濃度/(m

23、g L -1孔隙體積 濃度/(m g L -1孔隙體積濃度/(m g L -1孔隙體積0.00.5 1.0 1.5 2.0濃度/(m g L -1孔隙體積 2844 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 2013年 (a 0.260 cm/s(b 0.173 cm/s(c 0.087 cm/s圖5 3種不同滲流速度下,4種不同粒徑的懸浮顆粒穿透曲線 Fig.5 Effluent curves of suspended particles with four differentmedian diameters under different seepage velocities徑的懸浮顆粒的遷移特性的試驗結(jié)果。在

24、同一滲流速度條件下,4種不同粒徑的懸浮顆粒穿透曲線的濃度峰值所對應(yīng)的孔隙體積大致相等。另外,滲流速度相同時,懸浮顆粒中位粒徑越大,其濃度峰值越小,如圖5所示。本次所用的懸浮顆粒和石英砂都是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的SiO 2,兩者之間的靜電吸附作用可以忽略不計。因此,多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的滯留可以近似認為是由于篩濾作用造成的。懸浮顆粒越大,其在孔徑相同的多孔介質(zhì)中的篩濾作用越明顯13。另外,在滲流速度較大(見圖5(a時,不同粒徑(如中位粒徑D 50 = 3.40,8.31,9.63 m的懸浮顆粒的穿透曲線大致相同,濃度峰值也差別不大。結(jié)果表明,滲流速度較大時,介質(zhì)中的低滲流區(qū)域較小,所以相應(yīng)的篩濾作用也較小

25、。然而,在滲流速度為0.087 cm/s 時,4種不同粒徑的懸浮顆粒的濃度峰值的差別很明顯,如圖5(c所示。這種現(xiàn)象說明,滲流速度較小時,篩濾現(xiàn)象是影響多孔介質(zhì)中懸浮顆粒的滯留的主要因素,表現(xiàn)為懸浮顆粒越大,其相應(yīng)的濃度峰值越小。綜上所述,在滲流速度逐漸減小的過程中,懸浮顆粒的遷移是懸浮顆粒粒徑和水動力2個因素此消彼長共同作用的結(jié)果。在滲流速度較高時,水動力對懸浮顆粒遷移的影響要遠大于粒徑的影響,此時,不同粒徑的懸浮顆粒的穿透曲線大致相同;而在滲流速度較低時,粒徑的作用占主要地位,懸浮顆粒越大,其在多孔介質(zhì)中的篩濾作用越明顯。 3.4 滲流速度和粒徑對懸浮顆粒沉積特性的影響回收率是指土柱流出液

26、中顆粒的質(zhì)量占注入的總量的百分比?；厥章书g接地反映懸浮顆粒沉積的特性。通過Matlab 軟件對前述的各個懸浮顆粒穿透曲線進行積分可求得不同粒徑和滲流速度情況下的回收率的值,如圖6所示?；厥章蔙 的計算公式7為0(d /R QC t t m = (1式中:m 為注入的顆粒質(zhì)量,Q 為單位時間的滲流流量,C (t 為流出液中懸浮顆粒的濃度。圖6 不同滲流速度下,流出液中懸浮顆粒的回收率隨中位粒徑的變化曲線Fig.6 V ariation curves of recovery rate at the column outlet with afunction of particle median di

27、ameter under different seepage velocities從圖6可以看出,在同一滲流速度下,隨著懸浮顆粒中位粒徑的增大,其對應(yīng)的回收率隨之減小,此時懸浮顆粒在多孔介質(zhì)中的沉積量逐漸增多。其濃度/(m g L-1孔隙體積濃度(m g L -1孔隙體積濃度/(m g L -1孔隙體積 回收率R /% 中位粒徑D 50/m m第 32 卷 增 1 陳星欣等：粒徑和滲流速度對多孔介質(zhì)中懸浮顆粒遷移和沉積特性的耦合影響 2845 次，在同一粒徑條件下，滲流速度越大，回收率越 大，對應(yīng)的沉積量越小。但是，滲流速度越小，回 收率隨顆粒粒徑的變化范圍越大。例如：在滲流速 度為 0.08

28、7 cm/s 時，回收率隨著懸浮顆粒中位粒徑 的變化很明顯，回收率的變化范圍為 30%90%。 滲流速度為 0.260 cm/s 時，回收率的變化范圍為 80%100%。此時，懸浮顆粒在多孔介質(zhì)遷移過程 中只產(chǎn)生了少量沉積。 facilitated radionuclide transport in a coupled fracture-matrix systemJ. International Journal of Energy and Environment，2011，2(3：491504. 6 MASSEI N， LACROIX M， WANG H Q， et al. Transport

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