Page 124 - 水利学报2021年第52卷第4期

均粒径 5 mm 的砾石，厚度均为 5 cm，以模拟地下水回灌工程实际中地表所覆盖的砾石层。多数物理
试验表明，颗粒堵塞在回灌开始的 10 d 左右发展迅速，其后则普遍极为缓慢 ［25］ 。故物理试验颗粒回
灌时间设置为 10 d（240 h），每组颗粒回灌试验开始前先用高纯水回灌 24 h，即每组实验的总回灌时
长为 264 h。物理模型的柱体为总高 70 cm，外径 10 cm，内径 9 cm 的有机玻璃柱，底部 5 cm 高度为出
流缓冲区，中部 50 cm 高度为砂柱介质填充区，侧边每隔 10 cm 的测压孔外接压力传感器，在高于砂
柱上表面 10 cm 处设置出水口以维持定水头，最上部连接回灌装置，并在物理试验系统内配备颗粒搅
拌池和流量计，物理模型系统示意图见图 3。

d 50=5mm 颗粒 投放悬、
搅拌器 蠕动泵
浮颗粒
外接压力
传感器
d 50=0.5mm 颗粒
悬浮液

电子流量计

图 3 物理模型系统示意

3 试验过程与结果

3.1 试验过程 通过压力传感器获得砂柱上表面及距上表面 10、20、30、40 和 50 cm 深度处水头压

力的变化情况，同时结合电子流量计读数和人工测读获得柱体底部的出流流量，将以上数据带入达
西定律可计算得到渗透系数 K：
)
K = (QΔL (AΔH ) （1）
式中：Q 为柱体出流流量，m /d；ΔL 为两测压孔间距离，m；A 为砂柱截面面积，m ；ΔH 为两测压孔
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3
间水头压力差值，m。颗粒在孔隙中的沉积会降低该段砂柱的渗透性，故根据渗透系数 K 的变化可以
定量评估砂柱中颗粒堵塞的发展情况。
试验开始前使用高纯水多次反复清洗介质颗粒降低其离子强度，以尽量减小双电层力对对照试
验的影响 ［26］ 。然后填入有机玻璃柱中并分层振捣相同的次数，使介质均匀压实，使用高纯水回灌 24 h，
在观测到压力传感器数据完全稳定后，在搅拌池中投放粒径分布范围 0.9～2.7 μm 的 SiO 微粉，回灌
2
水中颗粒浓度保持在 50 mg/L，同时运行搅拌器防止颗粒沉底，颗粒回灌共持续 240 h，期间通过无纸
记录仪按 3 s/次的频率记录压力传感器和电子流量计读数，并每隔 8 h 测量出流流量，以实时标定电
子流量计读数。
3.2 试验结果 计算得出回灌试验过程中玻璃珠介质和石英砂介质整体和距上表面 0～10，10～
20，20～30，30～40 和 40～50 cm 段的渗透系数。因为压力传感器和电子流量计所连无纸记录仪的记
录频率皆为 3 s/次，为避免数据量过多，在数据处理中取 1 h 平均数，最后获得对应颗粒回灌试验全
过程 240 h 的 240 个有效数据。为便于分析介质渗透系数变化幅度，使用相对渗透系数 K /K （即试验
t
0
过程中的渗透系数和试验开始时的渗透系数比值） 来表征渗透系数变化情况。两种介质整体和不同
深度分段的相对渗透系数随回灌时间变化情况见图 4—9。

4 结果分析

4.1 砂柱整体渗透系数变化分析 玻璃珠介质砂柱相对渗透系数 0 ~ 128 h 呈逐渐放缓的指数型衰

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