2018, Vol. 9引用本文 |
| 颗粒迁移和离子吸附对粗粒土渗透性的影响试验研究 |  [PDF全文] |
b. 江西理工大学，江西省稀土资源高效利用重点实验室，江西 赣州341000
b. Jiangxi Key Laboratory of High Efficient Utilization of Rare Earth Resources, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
赣南地区广泛分布黑云母花岗岩，由于抗风化能力较弱，因此广泛发育厚度在5~30 m的风化壳.由于降雨侵蚀作用和稀土矿区浸矿开采，造成该地区水土流失和滑坡灾害频繁发生[1-3].现有研究表明，渗透性是进行土体稳定性评价的重要指标之一[4].渗透性作为土体重要的工程地质性质，它与土体的孔隙比、粒间孔隙分布、饱和度以及水溶液性质等因素有密切关系[5].渗透过程中，由于土体中微小颗粒的迁移[6]以及水溶液与固体颗粒之间的相互作用[7]，均可能造成土体渗透性的改变.通常认为，对黏土颗粒，水-岩相互作用过程中，黏土颗粒的团聚结构发生改变是造成土体渗透性变化的重要原因[8].对于不含黏粒的无黏性土，土体通常呈散体状结构，颗粒迁移或颗粒位置的重新调整是渗透性发生变化的主要因素.已有研究认为，离子在固体颗粒表面的吸附，造成颗粒表面水化膜厚度的变化，从而影响含水介质的有效孔径，这是造成渗透性发生改变的重要原因[9].我国离子型稀土广泛赋存于赣南花岗岩全风化层中，目前主要采用原地浸矿工艺进行浸析采矿，硫酸铵溶液的持续注入，矿体中细小颗粒迁移和氨氮离子吸附造成矿体渗透性的变化.部分学者针对稀土原矿的渗透规律开展了有益探索[10-11]，研究表明颗粒迁移和离子吸附对矿体渗透性均造成实质影响.一般认为，渗透过程中土体颗粒迁移主要发生在粉粒或细沙粒级的颗粒中，黏粒因具有较强的物理吸附性和集合体结构特性，发生迁移的可能性较小或迁移可忽略不计[12].因此，矿体中粉粒和细沙颗粒迁移是造成渗透性变化的主要原因，同时这些颗粒又具有良好的吸附氨氮离子的能力.此外，不同的颗粒级配对颗粒迁移和离子吸附均有重要影响，不容忽视.因此，为深入分析浸矿过程中颗粒迁移对土体渗透性的影响，有必要专门针对粉粒及细沙颗粒迁移特性开展渗透试验研究.为此，通过对3种不同颗粒级配的花岗岩全风化重塑土开展渗透试验，对比分析蒸馏水和硫酸铵溶液环境中土样的渗透系数变化规律，以进一步探索稀土浸矿条件下土体渗透性的演变机理.
1 试验方案 1.1 试验土样和溶液配制试验土样采自赣州龙南稀土矿区，通过人工开挖取样，获取花岗岩全风化带土体若干.取样处全风化带土结构松散，主要矿物成分为石英和长石，天然密度为1.73 g/cm3，为典型黑云母花岗岩全风化产物.土样颗粒级配良好，细粒含量约占23 %，属含细粒土砂.对土样进行烘干后筛分，经粒级分析，获得颗粒累计级配曲线.试验中将粉砂级以上土颗粒进行组合配置，共配置3种颗粒级配的土样各2份, 各粒径范围的含量之比与原状土样近似，如图 1所示.
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| 图 1 土样的颗粒累计曲线 Fig. 1 Particle accumulation curve of the soil sample |
新配置土样中细沙和砾均控制为5 %，中粗砂砾含量控制在75 %~85 %之间，粉粒含量分别取5 %、10 %和15 %，颗粒构成详见表 1.配置试验土样着重考虑了粉粒和细沙的含量，这2种粒级的土颗粒在持续渗透过程中，发生迁移的可能性最大.
| 表 1 试验土样的粒度成分 Table 1 Granulometric composition of the test soil sample |
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试验中渗透液分别采用蒸馏水和配置的硫酸铵溶液.利用分光光度法对蒸馏水进行氨氮离子检测，水中氨氮离子含量低于检测限0.025 mg/L，相对于配置的硫酸铵溶液氨氮离子浓度可忽略不计，近视为无氨水.硫酸铵溶液利用蒸馏水和硫酸铵分析纯进行配置，将浓度统一控制在2.5 %，这与稀土原地浸矿中的硫酸铵浓度一致.
1.2 试验流程试验中已去除了原状土中的黏粒，渗透性相对较好，故采用南京土壤仪器厂生产的T70型常水头渗透仪进行试验，渗透仪高400 mm，内径100 mm，共有3根测压管.试验装样高度约320 mm，分别在试样底部和上方各铺设一层约20 mm的砾石层，确保渗透液进水和出水顺畅.为确保同一组试样孔隙度一致，装样前通过松散体积(或干密度)控制，装样过程中通过击实，使装样高度保持一致.供水装置采用25 L大容量塑料放水桶，瓶身为HDPE材料，瓶盖和水龙头PP材料，可盛装蒸馏水、酸碱等溶液.供水装置带有阀门，以控制注入试样的水量大小.整套试验装置详见图 2.水溶液自土样上部以恒定水头流入，自渗透仪下方排水口排出，排水口由胶管连接，通过止水阀控制水量.进行渗透实验前，先缓慢注入溶液，使其饱和排气，为确保实验结果的可靠性，每次排气时间均控制在6 h以上.渗透实验开始后，通过调整进水口和出水口流量，稳定供水水位，依照常水头渗透实验测试方法，首选测定初始时刻渗透系数.初次渗透系数测试结束后，继续以恒定水头供水，保证土样的持续渗透.之后每相隔1 h连续测试3次，之后每相隔8 h重复以上步骤，即每24 h可获取3个实测渗透系数数据.按以上试验方法，对同一种类型土样中的2组，分别用蒸馏水和浓度为2.5 %的硫酸铵溶液进行渗透实验，每一土样均持续渗透96 h.
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| 图 2 渗透试验装置示意 Fig. 2 Permeability test device schematic diagram |
2 结果分析与讨论 2.1 不同渗透溶液环境下土样渗透试验结果
图 3所示为利用蒸馏水和硫酸铵溶液渗透后得出的渗透系数动态变化特征.由图 3可知，在持续的渗透过程中，无论在何种环境下，渗透系数有着显著影响.渗透系数变化曲线表明，对同一土样，在渗透初期，蒸馏水和硫酸铵环境中的渗透系数较为接近，随着渗透时间的增加，渗透系数在渗透初期出现短暂增加后，通常这个阶段仅有1 h左右，之后开始逐渐降低，3种土样均具有类似的特征.不同土样的渗透系数变化曲线均表明，在硫酸铵溶液环境中的渗透系数都略高于蒸馏水环境中的渗透系数，特别是在最初的24 h内，二者之间的差距最为明显，以试样1为例，在试验开始后2 h左右，在硫酸铵环境中测得的渗透系数为2.62×10-3 cm/s, 而在蒸馏水环境中测得仅为2.3×10-3 cm/s.但是，随着渗透时间的增加，试样1在36 h后在不同溶液环境中的渗透系数逐渐接近，差距明显减少，试样2和试样3则分别在40 h和28 h左右后出现类似的特征.从试验结果来看，3种试样均在1~2 d内渗透系数的变化趋于平缓，说明无论是细颗粒的运移还是氨氮离子的吸附对土样渗透性的影响都在迅速减弱.
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| 图 3 不同溶液环境下渗透系数随时间的变化 Fig. 3 Variation of permeability coefficient with time in different solutions |
2.2 不同颗粒级配下土样渗透试验结果
由表 1可知，3种试样的不同之处主要体现在粉粒含量上，所占质量百分比分别为5 %，10 %和15 %.从渗透试验结果可知，细颗粒含量高的渗透性通常相对更差.如图 4所示，在蒸馏水渗透和硫酸铵溶液环境中，粉粒含量为15 %的试样3的渗透系数均明显小于其余二者.根据渗透试验结果，在蒸馏水环境中，随着颗粒含量的增加，渗透系数的减少幅度反而减少.如试样1经过96 h的持续渗透后，渗透系数由最初的2.34×10-3 cm/s下降到1.75×10-3 cm/s，减少了0.59×10-3 cm/s；试样2和试样3则分别减少了0.44×10-3 cm/s和0.33×10-3 cm/s.试验结果说明粉粒含量低相对含量高的试样，在持续渗透过程中对土样渗透性的影响略大.然而，在硫酸铵溶液环境中，试样2的下降幅度稍低，试样1和试样3的渗透系数下降幅度则稍高.
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| 图 4 不同颗粒级配土样渗透试验结果对比 Fig. 4 Comparison of permeability test results of soil samples with different particle composition |
以上分析表明，在持续渗透过程中，颗粒迁移对细颗粒含量更少的土样渗透性影响更大，而氨氮吸附对细颗粒含量更多的土样渗透性影响更大.
2.3 渗透性变化机理分析 2.3.1 细颗粒迁移对土样渗透性的影响试验土样为重塑粗粒土，黏土颗粒缺失，颗粒间的胶结力可忽略不计.土样在渗透过程中，颗粒迁移是造成其渗透性发生改变的主要原因之一.现有研究表明，无黏性土的粒度分布与砂土渗透系数紧密相关，因此无黏性土的状态参量，诸如细粒含量、不均匀系数和平均粒径等，常被用来估算无黏性土的渗透系数[13-14].根据Hazen、Kozney和Carman等人的研究[15]，无黏性土的渗透系数与有效粒径(D10)关系紧密.根据土样的级配曲线，试样1、试样2和试样3的有效粒径分别为0.25、0.075和0.015，从渗透试验结果看，符合有效粒径越大渗透系数越大的规律.渗透系数在持续渗透过程中，细颗粒在土柱中的迁移，造成下游部分孔隙堵塞是造成渗透系数减少的主要原因.根据我国水力水电科学研究院的研究，无黏性土中细粒含量越高，促使细颗粒迁移的临界水力坡度会相应增大，说明细颗粒含量对于颗粒迁移存在明显影响.从试验结果看，试样1的细颗粒含量越高，细颗粒迁移能力越强，因而造成的孔隙堵塞更为严重，渗透系数下降幅度更大，这在蒸馏水环境中表现较为明显.关于临界水力坡度的研究，现有研究多集中于上升渗流作用下的分析，如太沙基公式和扎马林公式等.驱动细颗粒迁移的条件中，显然渗流方向存在明显影响，当渗流方向自上而下时，细颗粒的迁移通常变得更为容易[16].细颗粒迁移与颗粒受力状态密切相关，渗流方向自上而下时，细颗粒主要受到拖拽力、颗粒的浮重度、黏结力、升力和颗粒与孔壁之间的摩擦力.此外，本次试验中，没有黏性颗粒，黏结力相对于重力而言可忽略不计.因此，当颗粒所受拖拽力与浮重度之和等于颗粒间的摩擦力时，颗粒将开始迁移，启动条件可表示为[17]：
| $ {F_{\rm{D}}} + {F_{\rm{W}}}{\rm{cos}}\theta \ge f + {F_{\rm{L}}} $ | (1) |
式(1)中：FD为拖曳力，N；FW为有效重度；f为颗粒间的摩擦力；FL为升力；θ为水流方向与重力方向的夹角.
根据Mehdi Sohani等人的研究成果[18]，对于非黏粒，由水流在孔壁附近产生升力可忽略不计.因此式(1)可表示为：
| $ {F_{\rm{D}}} + {F_{\rm{W}}}{\rm{cos}}\theta \ge f $ | (2) |
吴爱祥等推导出颗粒迁移的临界水力坡度为[19]：
| $ J = \left( {\frac{{{\gamma _{\rm{s}}}}}{{{\gamma _{\rm{w}}}}} - 1} \right)\left( {{\rm{sin}}\theta \mu - {\rm{cos}}\theta } \right) $ | (3) |
式(3)中：J为水力梯度；γw为水的重度，N/m3；γs为固体颗粒的重度，N/m3；μ为颗粒与孔隙壁的摩擦系数.
由式(3)可知，当渗流方向自上而下时，颗粒迁移的临界水力坡度主要取决于迁移颗粒的比重、迁移颗粒与不发生迁移颗粒之间的接触关系及摩擦系数.当细颗粒迁移至孔径小于颗粒大小之处，迁移停止，造成孔隙堵塞，从而使土样渗透性降低.
2.3.2 氨氮吸附对土样渗透性的影响硫酸铵溶液中的氨氮主要以铵离子(NH4+)形式存在，具有较强的吸附特性.通常认为，土颗粒的粒径越小，其吸附铵离子的量也越大.王而力等(2012)研究表明[20]，黏粒对氨氮的饱和吸附量可达3 643.82 mg/kg，粉粒可达2 693. 71 g/kg，细砂和粗砂吸附量仅为716. 61 g/kg和453.16 g/kg，粒径对氨氮吸附量差别巨大.一般认为, 土颗粒对阳离子的吸附会压缩双电层，进而减小水化膜厚度，从而增加有效过水断面.由于中砂和粗砂形成的孔隙直径较大，因而氨氮吸附对渗透性的影响可忽略不计.当细颗粒迁移造成下游孔隙堵塞时，氨氮在细颗粒表面吸附对渗透性的影响则不能忽略.土颗粒对离子的吸附主要表现在水化膜厚度的影响，从而影响过水断面大小，进而影响土的渗透性[9].根据试验结果，不同土样在硫酸铵溶液环境中与蒸馏水环境中的渗透系数比率随渗透时间的变化如图 5，表明细颗粒含量越高，氨氮吸附对土样渗透性的影响就越大.
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| 图 5 不同土样的渗透系数变化比率与渗透时间的关系 Fig. 5 Variation of permeability coefficient of different soil samples with infiltration time |
3 结论
1) 含粉粒粗粒土在较长时间的渗透过程中，由于颗粒迁移或者氨氮离子吸附，均会造成渗透系数不同程度变化；颗粒迁移主要是引起下游孔隙堵塞，从而造成渗透系数随时间逐渐减小；土颗粒对氨氮离子的吸附，使得土颗粒表面水化膜厚度发生压缩，渗透系数随渗透时间有所增加.
2) 随着渗透时间的延长，不同土样在硫酸铵溶液和蒸馏水环境中的渗透系数趋于接近，说明在渗透过程中，颗粒迁移对土样渗透性的影响要明显高于氨氮离子吸附造成的影响.
3) 在蒸馏水渗透环境中，土样中随粉粒含量的增加，颗粒迁移对土样渗透性的影响将有所减小，而在氨氮溶液渗透环境中，由于氨氮吸附对细颗粒间有效孔隙的影响更为明显，因而在颗粒迁移和氨氮吸附的共同作用下，土样渗透性变化比率较为接近，但在微观上氨氮吸附对不同粒径的水化膜厚度影响明显不同.
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