原位高压旋喷注入修复地下水的影响半径计算

2022-10-18张云

地下水 2022年5期

张云

(南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210023)

0 引言

随着社会和经济的发展，地下水(尤其是浅层地下水)污染日益严重。污染地下水不仅危害人体健康，也破坏了生态环境。为此，各国对污染地下水问题都极为重视，并进行了大量研究工作，提出了多种修复方法和技术。在这些方法中，原位化学修复方法的修复周期较短、污染物去除效率较高、环境友好、对场地扰动小，可同时处理多种污染物且易于控制二次污染，近年来在地下水修复中得到较多应用[1-4](原位化学氧化/还原技术是将氧化药剂(如高锰酸盐、过氧化氢、过硫酸盐、芬顿试剂、臭氧)或还原药剂(如零价铁、连二亚硫酸钠、多硫化钙)[1]注入地下水，药剂在地下水中扩散，与地下水中的污染物发生化学反应，使污染物转化为无毒或毒性较小的物质，从而达到去除地下水中污染物、修复地下水的目的。因此，修复药剂的扩散半径是影响原位化学氧化/还原修复工程设计的关键参数之一。

修复药剂的扩散半径与注入方式、注入压力、药剂类型、注入量、含水介质性质、地下水流速和药剂与污染物有效反应时间有关。原位化学修复药剂的注入方式主要有原位注入井注入、原位直推式注入和高压旋喷注入。高压旋喷注入法是在高压旋喷桩基础上发展起来的一种药剂注入方法，它利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进土层预定位置后，将配置好的药剂浆液从喷嘴中高压喷出，对周围土体进行切割搅拌，与土体进行充分混合、破坏土体，同时，钻杆以一定速率提升[5]。由于高压喷射药剂浆液的压力较高，钻孔周围的孔隙水压力也相应提高，在水力梯度作用下修复药剂随地下水向周围扩散迁移并与土壤和地下水中的污染物发生化学反应。因此，高压旋喷注入方法可用于低渗透性土层，药剂的影响半径为钻杆半径、旋喷搅拌半径与药剂后期渗透扩散半径之和。

由于旋喷注入压力作用下土体破坏形态复杂，高压旋喷注入修复地下水的药剂影响半径的研究还较少，目前一般通过现场中试试验或柱形渗透注浆理论确定。现场中试试验所需时间长、成本高，而且试验结果受场地条件影响大。宛召[6]用水加环保染料代替修复药剂进行现场高压旋喷注入试验，注入压力为25 MPa、喷嘴直径为2.5 mm时，测得修复药剂的有效作用半径为0.4～0.6 m。宋刚练等[7]采用水溶性环保染料，在上海浅部粉质黏土、淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土中进行现场高压旋喷试验，注浆压力为25 MPa，试验结束后测得旋喷体有效直径主要为0.35～0.4 m。吴金红和吴志鹏[8]将高压旋喷注射技术用于上海市区低渗透性土层的原位药剂注入，液相注射压力为30 MPa，经现场中试试验确定其影响半径为0.5 m。《污染地下水原位注入修复技术指南(T/GIA 002-2019)》给出了当注药压力为25～30 MPa时饱和黏性土地层中药剂有效扩散半径参考值为0.8 m。渗透注浆理论基于基本不改变原状土结构和体积的条件，建立浆液注入压力、流量、扩散半径和注浆时间之间的关系[9]。但高压旋喷注入对周围土体进行充分切割搅拌，土体结构几乎完全破坏，土体的渗透系数也将增大，这与渗透注浆理论的基本假设大相径庭，如果采用柱形渗透注浆公式计算必然带来不可忽视的差别。因此，有必要针对高压旋喷注入方法的特点研究修复药剂影响半径的计算方法。

1 高压旋喷注入药剂修复地下水的影响半径

1.1 旋喷搅拌半径

高压流体从喷嘴中喷出，对土体进行切割。根据高压旋喷施工过程，旋喷搅拌直径与土体性质(如土体颗粒级配、无侧限抗压强度等)和施工参数(如喷嘴直径、喷射压力等)有关。Ho[10]假设喷射液体压力分布等效于水下自由喷射的压力分布，沿径向将喷射范围划分为初始段和主体段。在初始段，流体速度等于喷嘴处的喷出速度，在主体段流体在轴线上的速度随与喷嘴距离的增加而减小，在垂直于轴线方向，速度向两侧衰减，如图1所示。

图1 圆形断面紊动射流结构

药剂在喷嘴出口处的速度为

(1)

式中：V0为药剂在喷嘴出口x处的速度，m/s；Q为药剂流量，m3/s；M为喷嘴个数；d0为喷嘴直径；m。根据紊动射流理论，主体段射流轴线上的速度[11]

(2)

式中：Vx0为射流轴线上距钻杆处的速度，m/s；α为反映流体特征的无量纲参数。射流轴线上的速度随距喷嘴出口距离的增加而减小。当射流速度小于一定值后，土体将不再被侵蚀破坏，这一速度即为土体侵蚀的临界速度。Dabbágh等[12]进行的水力喷射条件下的土体侵蚀试验表明，土体侵蚀的临界速度与其无侧限抗压强度有关，可表示为

(3)

式中：patm为标准大气压力，kPa；qu为黏性土的无侧限抗压强度，kPa；η为特征速度，与土的粒径分布有关，m/s；VL为土体侵蚀破坏的临界速度，m/s。Shen等[13]根据Dabbágh等[12]的实验结果提出了特征速度的计算公式

(4)

式中：Mc为粒径小于0.075 mm颗粒的百分含量，%；D50为平均粒径，mm；Df为200号筛的孔径，即0.075 mm。由式(2)和(3)可得切割距离

(5)

式中：xL为切割距离，在此范围以外土体保持原有结构、未被喷射破坏。王志丰等(2012)将参数α和特征速度η组合成一个新的参数a，即

a=α/η

(6)

对粉质黏土中三重管法施工，王志丰等[14]建议a=1.27若钻杆半径为R0，则旋喷搅拌范围的半径为

RL=R0+xL

(7)

根据临界速度可以计算出切割距离处的液体压力为[10]

(8)

式中：pL为切割距离处液体压力，kPa；ρf为液体密度，kg/m3。在该压力作用下，喷入液体将自旋喷搅拌范围向外渗流扩散，如图2所示。

1.2 渗透扩散半径

假设土体均匀且各向同性、注浆孔为完整孔，不考虑地下水流速，则根据渗透注浆理论，流体的径向扩散半径为[9]

(9)

式中：β为浆液运动粘滞系数与水的运动粘滞系数之比，对稀物质可以取为1；t为注浆时间，s；K为土体的渗透系数，m/s；h1为注浆压力水头，kPa；n为土体孔隙率；r0为渗透注浆处的半径，即旋喷桩搅拌半径RL，m。根据(6)和(3)式，注浆压力水头为

(10)

2 参数分析

根据以上分析可知，影响高压旋喷注入修复地下水影响半径的因素包括施工条件(如喷嘴直径、施工方法、注浆时间)和土体的物理力学性质(如粒度成分、孔隙率、渗透系数、无侧限抗压强度)。在流量固定的情况下，喷嘴直径越小，初始流速越大，切割距离也越大。小于0.075 mm颗粒的百分含量越大，土体侵蚀的临界速度越大，切割距离越小，但这时渗透注浆处压力水头较高，渗透扩散半径增加。为了更清楚地看到各参数对注入修复药剂影响半径的影响，假设d0=2 mm，qu=20 kpa，n=0.4，K=1×10-7m/s，t=5 d，R0=50mm，α=7.5，η=5m/s，Q=40L/min，以此为基准计算影响半径随这些参数的变化，计算结果如图3所示。

图2 高压旋喷修复地下水示意图

图3 计算影响半径随参数的变化

切割距离随流量增加而线性增加，扩散距离随流量增加而略有减小，但修复半径随流量变化近于线性变化。参数变化对计算影响半径的影响与流量几乎重合，切割距离随参数线性变化，修复半径也随参数近于线性变化。流量一定时，喷嘴直径越小，喷嘴处的速度越大，切割距离越大，虽然渗透距离略有减小，但修复半径增大，喷嘴直径较小时影响更为显著。特征速度越小，土体侵蚀临界速度越小，切割距离越大，另一方面，越小，切割半径处压力水头越小，径向扩散距离越小，两者叠加的结果是越小，修复半径越大，但当大于5时，其变化对计算结果影响较小。随着土体无侧限抗压强度增加，土体侵蚀临界速度增大、切割距离减小，另一方面，土体无侧限抗压强度增加，切割距离处的压力水头增加，渗透扩散半径增大，两者叠加的结果是当土体无侧限抗压强度超过一定值后，对修复半径的影响不大，且无侧限抗压强度变化对计算结果的影响不具有单调性。孔隙率越小，扩散半径越大，但由于孔隙率本身的取值范围为0～1，因此，孔隙率对修复半径的影响不大。渗透系数越大，径向扩散距离越大，修复半径越大，而实际修复工程中土体渗透系数测试误差较大，因此应谨慎选择渗透系数。此外，药剂注入时间越长，径向扩散距离也越大。就相对变化率而言，喷嘴直径、注入流量、土体特征速度、参数等对修复半径影响显著，而土体渗透系数、注入时间、土体孔隙率和无侧限抗压强度对修复半径影响较小。

3 实例分析

将所提出的计算高压旋喷注入修复药剂影响半径的计算方法应用于三个采用二重管方法施工的工程实例，根据文献[14]，取。由于缺少场地土层的粒度成分，参照Dabbágh等的试验结果，取。实例一位于南京某化工污染场地，场地内有两层粉质黏土，注射压力为25～30 MPa，流量为20～120 L/min[15]，由于缺少场地土层的物理力学资料，采用南京地区类似场地土层参数，渗透系数为，孔隙率为0.494，无侧限抗压强度为48.1 kPa，计算影响半径为0.757 m。实例二为位于济南市的某化工厂有机污染场地[16]，场地土层以粉质黏土为主，注射压力为30 MPa，流量为30～50 L/min，根据济南浅层粉质黏土的工程地质性质[17]，取渗透系数为，孔隙率为0.408，无侧限抗压强度为40 kPa，计算影响半径为0.764 m。实例三位于上海，场地土层主要为粉质黏土，注射压力为25 MPa，流量为67.5 L/min，根据上海浅层粉质黏土的工程地质性质，取渗透系数为，孔隙率为0.496，无侧限抗压强度为35 kPa，计算影响半径为0.827 m。图4为计算影响半径与实测影响半径的比较，两者较好地符合。