Page 123 - 水利学报2021年第52卷第4期

对比试验来研究介质孔隙结构对地下水回灌堵塞的影响，以期为预测和防治地下水人工回灌堵塞提
供介质孔隙结构方面的参考。

2 物理模型

颗粒堵塞根据其堵塞位置的不同，分为表层堵塞和内部堵塞，表层堵塞由颗粒沉积在介质表面
引起，内部堵塞由颗粒沉积在介质内部的孔隙中引起。回灌水中会造成表层堵塞的大颗粒可由沉淀
池、引水河道植被、表层滤料层等滤除，且在堵塞后可以通过工程措施铲除堵塞表层加以解决；而
造成内部堵塞的颗粒不易去除。本研究使用粒径分布范围在 0.9～2.7 μm 的颗粒进行人工回灌物理试
验，通过激光粒度仪测得的回灌颗粒级配分布见图 1，其属于胶体颗粒到悬浮颗粒的过渡范围，平均
粒径与介质的平均粒径比值为 0.006，小于绝大多数试验总结出的表面筛滤作用临界比值 ［16-18］ ，以防
止颗粒因筛滤作用大量沉积在砂柱上表面。为避免回灌颗粒成分的不同影响颗粒运动过程进而影响
颗粒堵塞的发展，使用纯度 99.99%的 SiO 微粉作为回灌颗粒，其在保证回灌颗粒成分单一的同时，
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具有硬度高、化学性质稳定、容重和形状接近工程实践中回灌水内的细小颗粒等优点。使用平均粒
径相同和粒径分布相近的玻璃珠和石英砂作为介质分别进行回灌堵塞试验，以对比分析介质颗粒形
状及其形成的孔隙结构对地下水回灌颗粒堵塞的影响，所用高硼硅玻璃珠比重 2.50 g/cm ，与所用石
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英砂的比重 2.51 g/cm 基本相等，两种介质粒径分布皆在 0.35～0.75 mm 范围内，属于中粗砂，其渗流
相比细砂和粗砂受到边界流的影响程度更低，可以更好地规避砂柱边界流对试验结果的影响 ［19］ 。玻
璃珠扫描电镜图像见图 2。

颗粒粒径/μm
图 1 回灌颗粒级配曲线

图 2 玻璃珠扫描电镜图
地下水人工回灌工程实践中的颗粒堵塞基本发生在距地表 50 cm 深度范围内 ［20］ ，故物理试验介质
设置为高 50 cm 的砂柱。已有试验研究表明，在砂柱渗流试验中，如果砂柱直径大于介质颗粒直径两
个数量级以上，则试验装置边壁影响下的边界流相比起介质内部的优势流及相应的颗粒加速迁移会
降低到一个可以选择性忽略的水平 ［21-23］ ，但同时也需要避免砂柱直径过大生成二维流场 ［24］ 。试验所用
玻璃珠介质颗粒 d =0.73 mm，石英砂介质颗粒 d =0.726 mm，综合考虑下将砂柱直径定为大于两者
90 90
120 多倍的 9 cm。在玻璃珠介质砂柱上表面放置粒径 5 mm 的玻璃珠，石英砂介质砂柱上表面放置平

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