【摘要】：通過(guò)一維水平砂柱試驗(yàn),結(jié)合多孔介質(zhì)傳質(zhì)理論,從孔隙尺度探索含水層中微納米顆粒形貌特征與其釋放、運(yùn)移、沉積過(guò)程的內(nèi)在關(guān)聯(lián),揭示顆粒重組的力學(xué)誘導(dǎo)機(jī)制。研究結(jié)果表明,在滲流溶液水動(dòng)力作用與物化性質(zhì)相同,并且含水介質(zhì)機(jī)械組成相近的條件下,球形硅微粉釋放率最高,試驗(yàn)過(guò)程中累計(jì)釋放顆粒質(zhì)量達(dá)93.74 mg;咸水層原砂釋放率最低,僅為0.62%。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,利用雙沉積位動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行反演,計(jì)算得到咸水層原砂在受運(yùn)移距離控制點(diǎn)位沉積系數(shù)最大,高于人工制備砂樣2個(gè)量級(jí)。結(jié)合電鏡掃描與顆粒表面ζ電位測(cè)試結(jié)果,基于顆粒受力平衡分析,滲流剪切應(yīng)力與顆粒法向截面面積成正比;同時(shí)伴隨微納米顆粒形貌、構(gòu)成的變化,擴(kuò)散雙電層排斥力存在顯著差異。因此,球狀硅微粉顆粒通常以單體形式脫離多孔介質(zhì)表面;片狀次生黏土礦物顆粒多以大體積粒團(tuán)形式釋放,出現(xiàn)再次沉積或被孔喉捕獲的機(jī)率提高。
【圖文】：

域，達(dá)到0.9mg/mL；在該時(shí)段，，另兩組砂柱滲流溶液中顆粒濃度隨著與進(jìn)液端距離增大而減少，原砂填充砂柱僅在0～10cm段存在少量顆粒物質(zhì)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行180min時(shí)，3組砂柱出液端區(qū)域顆粒濃度均呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，可認(rèn)為此時(shí)該區(qū)域含水介質(zhì)中顆粒脫離與沉積過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。然而，此時(shí)砂柱前部區(qū)域顆粒濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，結(jié)合圖3，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，流出液中顆粒濃度將逐漸減少。4.2基于SEM測(cè)試的顆粒形貌特征分析基于前期研究成果[17]，利用掃描電鏡技術(shù)（SEM），將3組試驗(yàn)中釋放顆粒放大至0.1～1m，觀察其形貌特征，見(jiàn)圖5。人工制備含水介質(zhì)釋放顆粒以分散存在的硅微粉為主，絮凝粒團(tuán)較少。然而，咸水層原砂流出液中微納米顆粒粒徑分布不均勻，以次生黏土礦物顆粒與絮凝粒團(tuán)形式共同存在。圖4不同時(shí)間含水介質(zhì)滲流液顆粒濃度隨層析柱區(qū)域變化曲線Fig.4Curvesoftheparticleconcentrationoftheseepagesolutionwithinfiltrationregionsatdifferenttimes(a)球形硅微粉與石英砂填充砂柱(b)非球形硅微粉與石英砂填充砂柱(c)原砂填充砂柱圖5填充砂柱釋放顆粒SEM圖Fig.5SEMimagesofreleasedparticlesofthesandcolumn在儲(chǔ)熱試驗(yàn)結(jié)束后，分別提取咸水層原砂與非球形硅微粉填充砂柱300mm處含水介質(zhì)斷面，進(jìn)行電鏡掃描。如圖6所示，在原砂含水介質(zhì)中，片0510152025300.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8流滲顆液濃粒度/mg(/Lm)層析柱長(zhǎng)度/cm球形硅微粉填充砂柱儲(chǔ)熱60min非球形硅微粉填充砂柱儲(chǔ)熱60min原砂填充砂柱儲(chǔ)熱60min球形硅微粉填充砂柱儲(chǔ)熱180min非球形硅微粉填充砂柱儲(chǔ)熱180min原砂填充砂柱儲(chǔ)熱180min

2276巖土力學(xué)2017年?duì)铑w粒緊密、均勻附著于固相基質(zhì)表面，部分絮凝構(gòu)成的粒團(tuán)則分布于含水介質(zhì)孔隙之間。人工制備含水介質(zhì)填充砂柱中，硅微粉顆粒較松散的分布于石英砂表面。(a)原砂填充砂柱(b)非球形硅微粉與石英砂填充砂柱圖6填充砂柱300mm斷面含水介質(zhì)SEM圖Fig.6SEMimagesoftheaquifermediumatthe300mmscanningsliceinthesandcolumn根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，由于硅微粉呈球形或?yàn)橐?guī)則多面體形狀，比表面積偏低，過(guò)水橫截面較大，因此，易于從固相基質(zhì)表面脫離。同時(shí)，由于人工制備石英砂含水介質(zhì)尺寸相對(duì)單一，所形成的孔隙結(jié)構(gòu)分布均勻、連貫，因此，只有少量釋放顆粒在運(yùn)移過(guò)程中，由于吸附效應(yīng)再次沉積于多孔介質(zhì)表面，或者在狹窄孔隙喉道發(fā)生堵塞。原砂填充砂柱中微納米顆粒以片狀次生黏土礦物為主，比表面積大，同時(shí)具有很強(qiáng)的吸附性。因此，試驗(yàn)中較少出現(xiàn)單體片狀顆粒從基質(zhì)表面脫離，多以大體積絮凝粒團(tuán)形式釋放，從而導(dǎo)致運(yùn)移過(guò)程中在重力及靜電力作用下再次沉積于多孔介質(zhì)表面以及被孔喉捕獲機(jī)率提高，從而改變含水介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。4.3微納米顆粒運(yùn)移力學(xué)誘導(dǎo)機(jī)制基于多孔介質(zhì)表面微納米顆粒受力平衡關(guān)系式（式（7）、（8）），以一維砂柱試驗(yàn)為例，由于法向滲流速度近似為0，因此，可忽略提升力1F對(duì)于顆粒重組的影響。在水動(dòng)力作用與注入溶液物化性質(zhì)相同，含水介質(zhì)機(jī)械組成與孔隙結(jié)構(gòu)相近的條件下，流動(dòng)剪切應(yīng)力dF與顆粒法向截面面積s成正比，其表達(dá)式為dFKs（9）式中：K為正常數(shù)。在顆粒體積相同的條件下，隨著沉積顆粒截面增大，溶液對(duì)顆粒的剪切作用力增大，受力平衡被打破，最終導(dǎo)致顆粒物質(zhì)從含水介質(zhì)孔隙壁面釋放或者絮凝的粒團(tuán)出現(xiàn)分離，隨溶液在砂柱中運(yùn)移。由于咸水層中微納米顆粒以次


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