流體理化特性對(duì)土體滲流規(guī)律影響研究進(jìn)展

郭鐘群，周可凡，金解放,2，周尖榮，尚白紅

（1.江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000; 2.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)試驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

0 引 言

在土木、水利、礦山等工程建設(shè)和生產(chǎn)領(lǐng)域，許多工程實(shí)踐都與土體滲透性密切相關(guān)[1-3]。為了表征流體在土體（多孔介質(zhì)）中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通常開(kāi)展?jié)B流研究與分析。在土體滲流過(guò)程中，由于流體的物理作用和土體與水體之間的化學(xué)作用，對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響[4]。滲流還會(huì)產(chǎn)生滲透力，當(dāng)滲透力過(guò)大時(shí)，就會(huì)引起滲透破壞，如邊坡破壞、地面隆起、堤壩失穩(wěn)等現(xiàn)象[5-7]。因?yàn)橥馏w滲流過(guò)程會(huì)引起許多工程問(wèn)題，從而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和生命財(cái)產(chǎn)安全，研究土體的滲流規(guī)律及其影響因素具有重要意義。

流體在多孔介質(zhì)中的滲透特性及影響因素主要取決于兩個(gè)方面[8-9]：一是流體的理化性質(zhì)（如化學(xué)組成、溫度和黏度等）;二是多孔介質(zhì)的自身特性（如顆粒級(jí)配、粒徑和孔隙度等）[10-12]。本文結(jié)合土體滲流的相關(guān)研究，系統(tǒng)地分析了流體的理化性質(zhì)（化學(xué)組成、溶液濃度、溫度、pH 值等）對(duì)土體滲流規(guī)律的影響，闡述該影響的內(nèi)在機(jī)理，并分析了各因素之間存在的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，探討了該領(lǐng)域未來(lái)的研究方向，便于讀者系統(tǒng)了解流體對(duì)于土體滲流規(guī)律的影響及其作用機(jī)理。

1 滲透特性指標(biāo)與影響因素

滲透系數(shù)是反映土體滲透特性的定量指標(biāo)，是土體透水性的比例系數(shù)，相當(dāng)于水力梯度為1 時(shí)的滲流速度。在流體力學(xué)中，滲流速度與滲透流體的密度成正比，與滲透流體的黏度成反比，其關(guān)系可用公式（1）表示：

式（1）中：ρ 是流體密度，kg/m3；g 是重力加速度，m/s2；μ 是流體的動(dòng)力黏度，N·s/m2。

研究表明，顆粒的物理性狀對(duì)土體滲透性的影響很大，因顆粒的物理性狀影響孔徑，從而在很大程度上影響流速，根據(jù)Poiseuille 法則，流速與孔徑的平方成正比：

式（2）中：d 為土顆粒的孔徑，m。

根據(jù)達(dá)西定律，單位滲水量與水力梯度成正比，結(jié)合式（1）和式（2），可得：

式（3）、式（4）中：C 為與土體中與孔隙幾何形狀相關(guān)的無(wú)量綱常數(shù)；i 為水力梯度，無(wú)量綱；q 為單位滲水量，m3/s；k 為土體的滲透系數(shù)，m/s。結(jié)合式（3）和式（4），可得：

由此可知，影響滲透系數(shù)的因素取決于兩個(gè)方面：一是多孔介質(zhì)的自身特性（Cd2），二是流體的自身特性（ρg/μ）。本文主要討論流體的理化特性對(duì)滲流規(guī)律的影響。

2 流體的化學(xué)組成對(duì)土體滲透特性的影響

流體的化學(xué)組成對(duì)土體滲透特性具有重要影響。不同化學(xué)組成的流體在土體中發(fā)生滲流時(shí)，土體首先發(fā)生滲透固結(jié)，然后發(fā)生化學(xué)固結(jié)，固結(jié)過(guò)程致使土體孔隙增大，從而使得滲透系數(shù)增大。同時(shí), 流體所含的重金屬離子與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成難溶物質(zhì)，堵塞土體的孔隙，導(dǎo)致滲透系數(shù)降低。流體在土體中的滲透特性與流體本身的黏度有關(guān)，黏度增大致使?jié)B透系數(shù)降低。流體中陽(yáng)離子價(jià)態(tài)也影響其滲透特性，土顆粒通常帶負(fù)電荷，其雙電層上的陽(yáng)離子與流體中陽(yáng)離子發(fā)生置換反應(yīng)，從而改變土體上吸附的離子，進(jìn)而改變土體滲透特性。

ANEKPONG 等采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)儀對(duì)8 種滲流溶液進(jìn)行了固結(jié)測(cè)試，探究了陽(yáng)離子價(jià)數(shù)對(duì)滲透特性的影響[13]。所用滲流溶液分為3 類：一價(jià)陽(yáng)離子溶液，如LiCl 溶液、NaCl 溶液、KCl 溶液；二價(jià)陽(yáng)離子溶液，如CaCl2溶液、MgCl2溶液、ZnCl2溶液、CuCl2溶液；三價(jià)陽(yáng)離子溶液，如FeCl3溶液。在圍壓分別為100、200、300、400 kPa，溶液濃度為0.1 mol/L 時(shí)，測(cè)定了8 種滲流溶液的滲透系數(shù)（圖1）[13]。滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式（6）中：k 為滲透系數(shù)，cm/s；cv為固結(jié)系數(shù)，cm/s；αv為壓縮系數(shù)，cm2/kg；γp為滲流溶液的單位重量，kg/cm3；e 為孔隙比，無(wú)量綱。

圖1 不同滲流溶液的滲透系數(shù)[13]Fig.1 Permeability coefficient of different seepage solution[13]

由圖1 可見(jiàn)，流體中陽(yáng)離子的化學(xué)價(jià)態(tài)不同，土體滲透系數(shù)也不同。當(dāng)圍壓為100 kPa 時(shí)，在一價(jià)陽(yáng)離子溶液滲流過(guò)程中，除LiCl 外，其余溶液滲透系數(shù)均高于純水的滲透系數(shù)；在二價(jià)和三價(jià)陽(yáng)離子溶液滲流過(guò)程中，除ZnCl2外，其余溶液滲透系數(shù)均高于純水的滲透系數(shù)。由此可知，流體中陽(yáng)離子的化學(xué)價(jià)態(tài)會(huì)影響土體的滲透特性，在圍壓相同時(shí)，大多數(shù)含陽(yáng)離子溶液的滲透系數(shù)高于純水。另外，改變圍壓，滲透系數(shù)明顯被圍壓作用主導(dǎo)，隨著圍壓逐漸增大，滲透系數(shù)逐漸減小。

JONES 通過(guò)小比例陽(yáng)離子溶液 （例如，小比例Ca2+溶液是陽(yáng)離子中有10% Ca2+，其余為Na+）滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有小比例二價(jià)陽(yáng)離子的水溶液可以有效地減少黏土孔隙堵塞，從而提供土體的滲透通道[14]。小比例Ca2+溶液滲透時(shí)，黏土上吸附的陽(yáng)離子與Ca2+發(fā)生交換反應(yīng)，從而抵抗土粒分散，防止了黏土孔隙發(fā)生阻塞。采用Mg2+代替Ca2+可以得到相似的結(jié)果。由此可知，小比例的二價(jià)陽(yáng)離子溶液可以增強(qiáng)黏土的滲透性。

ARIENZO 等的研究表明，含Na+、K+的溶液可降低黏土的滲透系數(shù)。隨著溶液中Na+、K+濃度減小，滲透系數(shù)逐漸降低，并且含K+溶液滲透系數(shù)下降速度明顯小于含Na+溶液[15]。

朱偉等采用柔性壁滲透儀考察了Ca2+溶液對(duì)砂—黏土混合土滲透系數(shù)的影響[16]。結(jié)果表明，相比于純水，Ca2+溶液可增大黏土的滲透系數(shù)，這是由于Ca2+與黏土顆粒表面的一價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生置換反應(yīng)，黏土顆粒表面的陽(yáng)離子價(jià)數(shù)變大，使雙電層厚度減小，有效孔隙率增大，致使土體的滲透系數(shù)增大。

土顆粒表面雙電層包括了吸附層和擴(kuò)散層，示意圖見(jiàn)圖2。雙電層厚度與孔隙中流體中陽(yáng)離子價(jià)數(shù)成反比，陽(yáng)離子價(jià)數(shù)越高，雙電層越薄。

圖2 雙電層結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of double diffuse layers

許四法等采用小型滲透裝置對(duì)膨潤(rùn)摻砂混合土進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，用Ca2+溶液進(jìn)行滲漏[17]。在Ca2+溶液滲漏過(guò)程中，膨潤(rùn)土自身為層狀結(jié)構(gòu)，膨潤(rùn)土顆粒表面的Na+易與溶液中的Ca2+發(fā)生離子交換，使得混合膨潤(rùn)土表面的陽(yáng)離子價(jià)數(shù)變大，膨脹性能降低，滲透系數(shù)增大。

劉磊等通過(guò)柔性壁滲透試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Ca2+溶液可增大土工合成襯墊材料的滲透系數(shù)[18]，其原因是溶液中的Ca2+與土體中Na+和K+發(fā)生置換反應(yīng)，使土體中顆粒雙電子層厚度減小，從而導(dǎo)致孔隙空間增加，滲流通道變大，土工合成襯墊滲透系數(shù)隨之增大。

張志紅等研究了重金屬離子（Cu2+）侵入對(duì)黏土滲透特性的影響。以CuCl2溶液作為滲透液進(jìn)行室內(nèi)滲流試驗(yàn)，當(dāng)Cu2+侵入黏土?xí)r，土體滲透系數(shù)增大[19-20]。分析認(rèn)為，隨著流體中Cu2+增多，化學(xué)固結(jié)作用愈發(fā)明顯，雙電層厚度減小，黏土體顆粒間斥力減小，形成凝聚，導(dǎo)致滲透過(guò)程中吸附水發(fā)生解吸附現(xiàn)象，擴(kuò)大了有效孔隙的流動(dòng)通道，從而增大了黏土體的滲透特性。

唐曉武等通過(guò)室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)，研究了KCl溶液與CuSO4溶液對(duì)粉質(zhì)黏土、改良土的滲透特性的影響[21]。其中，改良土是將疏浚土（疏浚工程時(shí)挖出來(lái)的土）作為添加材料摻入粉質(zhì)黏土形成的。研究發(fā)現(xiàn)，兩種溶液均會(huì)使?jié)B透系數(shù)增大。改良土的離子吸附量明顯高于粉質(zhì)黏土，在離子吸附量相同的情況下，改良土的滲透性不及粉質(zhì)黏土。對(duì)于粉質(zhì)黏土，陽(yáng)離子影響了土顆粒的雙電層厚度，使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，滲流通道變大，滲透系數(shù)增加；對(duì)于改良土，陽(yáng)離子可能被疏浚土中的有機(jī)質(zhì)吸附，故其離子吸附量明顯高于粉質(zhì)黏土，有機(jī)質(zhì)的黏結(jié)作用也影響滲透系數(shù)。

劉和平等研究了重金屬離子Pb2+、Cd2+在黏土襯層中滲透、遷移及轉(zhuǎn)化過(guò)程[22]。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)MPb2+、Cd2+等二價(jià)離子在黏土襯層中的滲透過(guò)程，實(shí)驗(yàn)前期，含Pb2+、Cd2+的滲透液的滲透系數(shù)比蒸餾水大；在滲流穩(wěn)定后，其滲透系數(shù)小于蒸餾水。分析認(rèn)為Pb2+、Cd2+與黏土粒子發(fā)生物理化學(xué)變化，黏土膠體顆粒具有巨大的表面能，滲透液中的物質(zhì)吸附在顆粒表面上，同時(shí)發(fā)生離子置換反應(yīng)，使一些可溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為難溶性物質(zhì)，導(dǎo)致孔隙堵塞，滲透性能降低。

湯小明等通過(guò)室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)研究了酒精溶液對(duì)黏土滲透特性的影響。酒精滲透土體，致使土顆粒表面電荷密度降低，促進(jìn)雙電層壓縮減小，從而使得滲透系數(shù)增大[23]。該研究采用0.01 mol/L CaSO4溶液和99.7% （V/V）酒精作為滲透流體，其中，0.01 mol/L CaSO4溶液用于測(cè)定土體本身的滲透系數(shù)，并與酒精這種可溶性有機(jī)滲透溶液進(jìn)行對(duì)比。首先測(cè)定天然黏土，滲透水滲流穩(wěn)定后，滲透系數(shù)為2.60 × 10-8cm/s；有機(jī)溶液滲流穩(wěn)定后，滲透系數(shù)為4.53 × 10-8cm/s。這表明在酒精作用下天然黏土的滲透系數(shù)增大約1 倍。

綜上可知，流體化學(xué)組成是影響土體滲透特性的主要因素之一。一些重金屬離子可使土體中可溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性物質(zhì)，進(jìn)而堵塞滲流通道，減小滲透系數(shù)。對(duì)于很多鹽溶液，其中的金屬離子會(huì)與土顆粒表面的離子發(fā)生置換反應(yīng)，減小雙電子層厚度，使粒間排斥力削弱，更容易促進(jìn)凝聚，從而增大滲透系數(shù)。物理化學(xué)變量會(huì)影響土體的分散或凝聚狀態(tài)，這對(duì)土體的滲透性有很大影響。

3 流體的濃度對(duì)土體滲透特性的影響

流體的濃度對(duì)土體滲透特性具有一定影響，土體與流體之間存在的濃度差會(huì)產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)，土顆粒間斥力起主導(dǎo)作用，致使土顆粒破碎，阻塞滲流通道。當(dāng)流體濃度足夠大時(shí)，土顆粒間產(chǎn)生約束力，隨著流體濃度繼續(xù)增加，土顆粒間約束力增大，組構(gòu)變化（絮凝）造成孔隙封閉效應(yīng)，使?jié)B透系數(shù)減小。

對(duì)于不同化學(xué)組成的流體溶液，濃度有不同的影響。例如，隨著濃度增加，有機(jī)溶液黏度逐漸增大，從而使?jié)B透系數(shù)減小。對(duì)于含金屬離子的滲透溶液，隨著離子濃度增大，雙電層厚度減小，滲透系數(shù)隨之增大。

潘雪英等研究了丙三醇溶液對(duì)粉質(zhì)黏土滲透性的影響[24]。選用不同濃度的丙三醇溶液進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，丙三醇溶液滲透系數(shù)變化規(guī)律如圖3 所示，隨著丙三醇溶液濃度增大，滲透系數(shù)呈先增加后減小的規(guī)律。在初始階段，有機(jī)溶液會(huì)提高土體的滲透性。分析其原因是：相比于水，丙三醇溶液與土顆粒結(jié)合較弱，黏土顆粒表面吸附較少，孔隙增大，促進(jìn)滲透系數(shù)增大； 丙三醇溶液也可能與黏土礦物之間進(jìn)行反應(yīng)，改變土體骨架結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大滲流通道，從而增大滲透系數(shù)，隨著丙三醇溶液濃度繼續(xù)增大，滲透特性不斷增大，直至滲透系數(shù)達(dá)到峰值。繼續(xù)增大丙三醇溶液的濃度，流體黏度不斷增大，當(dāng)流體黏度影響大于孔隙影響時(shí)，滲透系數(shù)開(kāi)始減小。

圖3 不同濃度的丙三醇溶液的滲透系數(shù)[24]Fig.3 Permeability coefficient of silty clay versus mass fraction of glycerol aqueous water solution[24]

JONES 通過(guò)滲透試驗(yàn)得到，濃度突變會(huì)導(dǎo)致黏土堵塞，如果逐漸降低鹽溶液濃度，則不會(huì)發(fā)生堵塞，說(shuō)明高鹽濃度差可能會(huì)抑制滲透作用[14]。由于兩種溶液之間的化學(xué)勢(shì)差異，淡水可能會(huì)進(jìn)入黏土骨料稀釋鹽水，這樣會(huì)增加骨料中的壓力，導(dǎo)致黏土顆粒破碎，小顆粒黏土堵塞流動(dòng)通道。如緩慢降低鹽濃度，則可避免高鹽濃度差，骨料壓力和黏土碎粒不會(huì)大幅增加，從而不會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)通道阻塞。

許四法等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了Ca2+濃度對(duì)膨潤(rùn)土摻砂混合土滲透性的影響[17]。試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土是鈉基膨潤(rùn)土，經(jīng)過(guò)滲透后，不同濃度的Ca2+溶液中Ca2+濃度均明顯降低，其原因可能是被土體吸附或與Na+交換，鈉基膨潤(rùn)土逐漸變?yōu)殁}基膨潤(rùn)土，從而導(dǎo)致滲透性增大。

劉磊等通過(guò)柔性壁測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，隨著CaCl2溶液濃度增加，土工合成襯墊材料的滲透系數(shù)增大[18]。在10 μmol/L 濃度下，滲透系數(shù)增加到2.5×10-9cm/s；在30 μmol/L 濃度下，滲透系數(shù)為5.6×10-9cm/s。建立溶質(zhì)運(yùn)移耦合動(dòng)力學(xué)模型時(shí)考慮了膜效應(yīng)和離子交換效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。因此，在分析溶質(zhì)滲流特征時(shí)，需考慮化學(xué)-滲透耦合效應(yīng)的影響。

MISHRA 等研究了不同濃度的NaCl 溶液和CaCl2溶液對(duì)不同混合土滲透系數(shù)的影響，隨著鹽溶液濃度增加，所有混合土的滲透系數(shù)均增大。其原因是雙電子層厚度減少，顆粒間孔隙增大，滲透性增加[25]。

張志紅等研究了Cu2+侵入對(duì)土體滲透特性的影響，Cu2+濃度與滲透系數(shù)關(guān)系如圖4[19]所示，當(dāng)Cu2+濃度小于0.5 g/L 時(shí)，滲透系數(shù)隨Cu2+濃度的增大而降低；當(dāng)Cu2+濃度大于0.5 g/L 時(shí)，滲透系數(shù)隨Cu2+濃度增大而升高；當(dāng)Cu2+濃度大于5 g/L 時(shí)，滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)Cu2+濃度較小時(shí)，CuCl2溶液在土體滲透時(shí)形成滲透壓力差，在壓力差作用下黏土體發(fā)生滲透固結(jié)，這時(shí)滲透固結(jié)起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致土體壓密，滲透系數(shù)減小；增大CuCl2溶液濃度，黏土體化學(xué)固結(jié)現(xiàn)象開(kāi)始凸顯并占主導(dǎo)作用，孔隙逐漸變大，滲透系數(shù)隨之越大。

圖4 CuCl2 溶液濃度與滲透系數(shù)關(guān)系[19]Fig.4 Relationship between copper ion concentration and permeability coefficient[19]

楊德歡等對(duì)飽和重塑壓實(shí)黏土進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)，探究了水化學(xué)環(huán)境下土體滲透作用機(jī)理[26]。以NaCl 溶液為滲透液，濃度分別設(shè)置為0（蒸餾水）、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0 mol/L，分析了NaCl 溶液濃度對(duì)黏土滲透性的影響。結(jié)果表明，NaCl溶液濃度對(duì)黏土的滲透性有很大影響。干密度為1.40 g/cm3時(shí)，隨著NaCl 溶液濃度增大，滲透系數(shù)先升后降；干密度為1.50 g/cm3時(shí)，隨著NaCl 溶液濃度增大，滲透系數(shù)降低。分析認(rèn)為，隨著NaCl 溶液濃度增大，粒間約束力增大，組構(gòu)變化（絮凝）造使得孔隙封閉效應(yīng)增大，滲透系數(shù)減小。

梁健偉等采用可調(diào)節(jié)水頭高度的常水頭試驗(yàn)研究了蒸餾水和不同濃度的NaCl 溶液在極細(xì)顆粒黏土中滲透特性[27]。結(jié)果表明，隨著NaCl 溶液濃度增大，土體滲透系數(shù)增大。分析認(rèn)為其作用機(jī)理是電荷電場(chǎng)作用和滲流孔隙的微尺度效應(yīng)，顆粒表面電位隨著滲流溶液離子濃度的增大而下降，對(duì)孔隙水的靜電引力減弱，結(jié)合水膜的厚度減小，使得孔隙通道增大，滲透性隨之增大。

谷任國(guó)等通過(guò)對(duì)極細(xì)顆粒黏土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)得不同濃度NaCl 溶液的固結(jié)系數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)滲透系數(shù)，從而分析流體濃度對(duì)滲透系數(shù)的影響[28]。結(jié)果表明，滲透系數(shù)與NaCl 溶液濃度成正比，NaCl 溶液濃度越大，滲透特性越大。未固結(jié)前，有些陽(yáng)離子吸附在孔隙中，當(dāng)有滲流溶液通過(guò)時(shí)，沉淀物發(fā)生溶解，并且已吸附的陽(yáng)離子也逐漸解吸。土顆粒表面的陽(yáng)離子濃度高，具有擴(kuò)散趨勢(shì)。土顆粒表面雙電層包括吸附層和擴(kuò)散層，在滲流過(guò)程中，擴(kuò)散層帶著陽(yáng)離子一起運(yùn)動(dòng)。雙電層厚度與離子濃度的平方根成反比，隨著NaCl 溶液濃度增大，擴(kuò)散層會(huì)減小，使?jié)B流通道擴(kuò)大，滲透系數(shù)隨之增大。

MALUSIS 等測(cè)定了不同濃度KCl 溶液對(duì)含顆粒膨潤(rùn)土的土工合成黏土的化學(xué)滲透效率系數(shù)[29-30]。當(dāng)KCl 濃度差在0.003 9～0.047 0 mol/L 時(shí)，土工合成黏土作為一種半透膜，其穩(wěn)態(tài)值（在穩(wěn)定狀態(tài)下測(cè)得的化學(xué)滲透效率系數(shù)）在0.08～0.69 之間。隨著KCl 溶液濃度增加，化學(xué)滲透系數(shù)反而減小。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出影響化學(xué)滲透系數(shù)的因素為：溶質(zhì)的水合離子半徑、膨潤(rùn)土中的礦物質(zhì)、膨潤(rùn)土的物理性質(zhì)。采用不同濃度CaCl2溶液浸泡土工合成黏土襯墊，發(fā)現(xiàn)低濃度（< 20 mmol/L）CaCl2溶液可使其滲透系數(shù)增大2～13 倍。

流體濃度對(duì)土體滲透特性的影響可分為兩種情況：第一種情況，因流體濃度增大，流體自身黏度增大，從而使?jié)B透系數(shù)減小；第二種情況，流體濃度變化引起土體與流體之間的濃度差改變，這種濃度差產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)，土顆粒之間斥力作用占主導(dǎo)，使土顆粒發(fā)生破碎，阻塞滲流孔隙，減小土體滲透性；但是，在流體濃度足夠大時(shí)，土顆粒之間產(chǎn)生約束力，當(dāng)約束力大于排斥力時(shí)，將發(fā)生顆粒團(tuán)聚，從而使土體滲透性增大。

4 流體pH 值對(duì)滲透特性的影響

不同pH 值的流體呈現(xiàn)不同程度的腐蝕性，使土體內(nèi)部組分及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而不同程度地改變土體滲透特性[31]。土體在酸堿溶液中，土顆粒間部分膠結(jié)物質(zhì)被酸堿溶液溶蝕，發(fā)生水化、溶解、沉淀等一系列化學(xué)反應(yīng)，土體結(jié)構(gòu)連接變?nèi)?，同時(shí)生成高度分散性的次生礦物，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土顆粒間的表面摩擦和顆粒間的連鎖作用減弱。

孫重初研究了酸性溶液（pH < 7）對(duì)黏土物理性質(zhì)的影響。通過(guò)分析紅黏土在強(qiáng)酸侵蝕后可溶鹽含量和成分變化，發(fā)現(xiàn)酸性溶液對(duì)紅黏土有極強(qiáng)的溶蝕作用，酸性溶液濃度越大，作用效果越強(qiáng)[32]。酸液侵蝕使得紅黏土可塑性（液限、塑限、塑限指數(shù)）大幅度下降。

肖桂元等利用不同pH 值溶液模擬酸雨對(duì)紅黏土淋溶，通過(guò)滲透試驗(yàn)、物相分析及掃描電鏡，得出紅黏土滲透性的影響機(jī)制[33]。土壤中的交換性酸基離子在遷移過(guò)程中與土體發(fā)生離子交換，導(dǎo)致土體中土顆粒原有的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。紅黏土的主要礦物被酸性溶液溶解，破壞了紅黏土團(tuán)粒，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)部孔隙增大，滲透系數(shù)隨之增大。酸性溶液pH值越小，土體物質(zhì)溶解越多，對(duì)土體滲透性影響越大。

王婷等通過(guò)三軸試驗(yàn)和常規(guī)滲透試驗(yàn)分析了純水及pH=3.0、4.0、5.0 的酸性溶液在重塑黃土中滲透特性的變化規(guī)律[34]。當(dāng)圍壓為100～300 kPa 時(shí)，不同pH 值所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)（t=8 h）如圖5 所示，隨著pH 值減小，滲透系數(shù)隨之增加。這說(shuō)明土樣在酸性溶液的滲透作用下，酸性越強(qiáng)，滲透特性越好。滲透特性變化取決于水—土之間的相互作用，包括溶蝕、沉淀及離子交換吸附。在滲流作用下，以碳酸鈣為主的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶蝕作用和沉淀結(jié)晶作用，改變了土顆粒的組成和聯(lián)結(jié)方式，而陽(yáng)離子交換吸附作用則改變了土顆粒表面的雙電層。酸性溶液會(huì)破壞陽(yáng)離子交換吸附平衡，影響土顆粒的親水性和雙電層，雙電層增厚表明重力水減少，結(jié)合水增多，滲透性降低。

楊秀娟等開(kāi)展了變水頭滲透試驗(yàn)，即重塑黃土經(jīng)過(guò)不同酸堿度溶液（pH=1 和pH=4 的HCl 溶液，pH=7 的去離子水，pH=10 和pH=13 的NaOH 溶液）浸泡30 d 后，并采用原浸泡溶液作為滲透溶液，得到重塑黃土的滲透系數(shù)[35]。結(jié)果表明，在中性溶液環(huán)境下，土體滲透系數(shù)最小；在堿性環(huán)境下，pH 值越大，土體滲透系數(shù)越大；在酸性環(huán)境下，pH 值越小，土體滲透系數(shù)越大。

圖5 不同圍壓下不同pH 值溶液的滲透系數(shù)[34]Fig.5 Permeability coefficient of remolded loess of solution with different pH value under different confining pressure[34]

劉華等通過(guò)GDS 三軸滲透儀對(duì)各種酸溶液侵蝕的黃土進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行微觀分析[36]。當(dāng)各種酸溶液濃度增大，其滲透系數(shù)均隨之降低，酸溶液侵蝕使得黃土的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)改變，大孔隙減少，小孔隙增大，有效孔隙減小，從而致使?jié)B透系數(shù)減小。通過(guò)微結(jié)構(gòu)分析，酸溶液侵蝕的黃土內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)破壞及新生膠結(jié)結(jié)構(gòu)生成造成黏滯作用，同時(shí)，生成物阻塞滲流通道，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)減小。

劉漢龍等研究了酸堿污染土的滲透特性，分析了不同酸堿溶液濃度變化對(duì)土的工程性能的影響[37]。當(dāng)土體受到不同程度的酸堿污染后，其滲透特性隨之發(fā)生改變。隨著流體酸堿溶液濃度增大，滲透系數(shù)也增大，并且堿污染對(duì)土體滲透系數(shù)影響更大，這主要是由于堿溶液中含有大量的Na+，Na+進(jìn)入固定層和擴(kuò)散層，使擴(kuò)散層變厚，削弱了土顆粒間的連接力，增大了粒間距離，從而導(dǎo)致堿污染土的滲透系數(shù)比酸污染土大。

XU 等的研究表明，隨著流體pH 值降低，黃土的滲透特性逐漸增加。當(dāng)酸性流體進(jìn)入黃土試樣后，酸腐蝕導(dǎo)致黃土孔隙擴(kuò)大；酸溶液也會(huì)導(dǎo)致土顆粒的雙電層厚度減小，從而形成凝聚土顆粒，使黃土的滲透特性增加[38]。

陳寶等利用膨脹滲透儀對(duì)不同初始干密度膨潤(rùn)土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，采用NaOH 溶液模擬堿性孔隙水[39]。如圖6 所示，對(duì)于相同初始干密度試樣，隨著堿溶液濃度升高，滲透系數(shù)逐漸增大。

圖6 不同堿溶液下膨潤(rùn)土的滲透系數(shù)[39]Fig.6 Permeability coefficient of bentonite indifferent alkali solutions[39]

諸利一等開(kāi)展了不同孔隙比尾礦砂的變水頭滲透試驗(yàn)，探究了在不同酸堿環(huán)境（pH=3、pH=7、pH=11）滲透特性變化規(guī)律，結(jié)果如圖7 所示[40]。在孔隙比相同時(shí)，酸性環(huán)境下，尾礦砂的滲透系數(shù)最大，滲透性最優(yōu)。分析認(rèn)為，酸性溶液H+與尾礦中的CaCO3、MgCO3等碳酸化合物反應(yīng)，致使尾礦砂孔隙改變，從而使?jié)B透性變好。在堿性溶液環(huán)境下，Ca2+、Mg2+等與OH-發(fā)生反應(yīng)，形成化合物沉淀吸附在尾礦表面，造成堵塞效應(yīng)，導(dǎo)致滲透性降低。

圖7 不同溶液pH 值尾礦砂滲透系數(shù)變化[40]Fig.7 Variation of permeability coefficient of tailings sand with different pH values[40]

MOMENI等研究了酸性水和堿性水對(duì)低塑性黏土性質(zhì)的影響，通過(guò)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得不同pH 值溶液的滲透性能，應(yīng)用掃描電鏡分析土體微觀結(jié)構(gòu)演化機(jī)理[41]。結(jié)果顯示，相比于中性水（pH=7），溶液的酸堿度越高，土體的滲透特性越好。pH 變化引起土體敏感性主要由多個(gè)因素決定，主要是土體有無(wú)碳酸鹽、總陽(yáng)離子交換容量，總陽(yáng)離子交換容量取決于土中黏粒和有機(jī)質(zhì)含量。酸性溶液改變了土壤的出水陽(yáng)離子濃度、浸水陽(yáng)離子濃度和交換性陽(yáng)離子濃度等理化性質(zhì)，從這些方面來(lái)影響滲透性。

可以看出，流體pH 值對(duì)土體滲透特性也存在較大影響。pH 值不同的情況下，流體自身將具備一些腐蝕性，滲流同時(shí)會(huì)侵蝕土體內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，致使?jié)B透特性增大。對(duì)于一些特殊土體，堿性溶液會(huì)與土顆粒表面的Ca2+、Mg2+等發(fā)生反應(yīng)，形成化合物沉淀土顆粒表面，堵塞滲流通道，導(dǎo)致滲透性減小。

5 流體溫度對(duì)滲透特性的影響

流體溫度在一定程度上可影響滲透系數(shù)，主要原因在于滲透系數(shù)與其黏滯度有關(guān)。水的黏度系數(shù)與溫度關(guān)系如圖8 所示，溫度越高，黏滯系數(shù)越小，滲透系數(shù)越大。在20 ℃越下滲透系數(shù)可用式（7）計(jì)算：

式 （7） 中：kT、k20分別為T(mén) ℃和20 ℃時(shí)土的滲透系數(shù)，m/s；ηT、η20分別為T(mén) ℃和20 ℃時(shí)溶液的黏滯系數(shù)，kPa·s。

圖8 水的黏度系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between water viscosity coefficient and temperature

圖9 不同水頭下滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系[42]Fig.9 Relationship between permeability coefficient and temperature under different water head[42]

流體溫度會(huì)引起土體物理特性變化，如溫度升高使得膨潤(rùn)土的膨脹率增大，影響土中顆粒遷移，致使?jié)B透系數(shù)降低。流體溫度對(duì)土體中結(jié)合水與自由水相互轉(zhuǎn)換存在一定影響。隨著流體溫度升高，強(qiáng)結(jié)合水轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水和自由水，使土顆粒的離子水化半徑減小，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。

劉雪玲等通過(guò)室內(nèi)一維砂柱試驗(yàn)研究了溫度（5、40、60、80 ℃）對(duì)含有蒙脫石礦物成分砂樣的滲透特性影響[42]。如圖9 所示，當(dāng)流體溫度在20 ℃以下，試樣的滲透系數(shù)變化幅度不大； 隨著流體溫度升高，砂樣的滲透系數(shù)不斷下降，溫度越高，滲透系數(shù)的下降幅度越大。分析認(rèn)為是砂樣中蒙脫石礦物成分具有高膨脹性，流體溫度越高，其膨脹率越大，試樣中細(xì)粒發(fā)生遷移或釋放，從而導(dǎo)致流動(dòng)通道堵塞，滲透系數(shù)降低。隨著溫度升高，流體在砂樣的滲透系數(shù)逐漸降低，當(dāng)水頭越大，土體滲透系數(shù)越小，根據(jù)達(dá)西定律可知，水頭差越大，砂樣中滲透速度越大，從而加速砂樣的細(xì)粒的遷移或釋放，加重孔隙堵塞，造成滲透性能降低。

何俊等采用GDS 全自動(dòng)滲透儀，在不同溫度下，對(duì)顆粒狀和粉末狀膨潤(rùn)土進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn)，改造試驗(yàn)儀器使土樣和水都處于恒溫狀態(tài)，以探究溫度對(duì)滲透性能的影響[43]。對(duì)于顆粒狀膨潤(rùn)土，當(dāng)試驗(yàn)溶液為去離子水時(shí)，試樣的滲透系數(shù)隨溫度升高而逐漸下降；當(dāng)試驗(yàn)溶液為CaCl2溶液時(shí)，滲透系數(shù)隨溫度升高而逐漸上升。對(duì)于粉末狀膨潤(rùn)土，當(dāng)試驗(yàn)溶液為去離子水時(shí)，滲透系數(shù)隨溫度升高而略有增大，當(dāng)試驗(yàn)溶液為CaCl2溶液時(shí)，滲透系數(shù)隨溫度升高而增大。

溫度效應(yīng)的機(jī)理大致可分為3 種： 結(jié)合水變化、流體黏滯度變化和土體凝膠態(tài)蒙脫石數(shù)量。溫度升高時(shí)，強(qiáng)結(jié)合水會(huì)脫離土顆粒的吸附，強(qiáng)結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)槿踅Y(jié)合水和自由水；在CaCl2溶液作用下，Ca2+吸附在土體顆粒上，使強(qiáng)結(jié)合水顯著降低，最終導(dǎo)致滲流通道擴(kuò)大，使?jié)B透系數(shù)增大。對(duì)于凝膠態(tài)蒙脫石，黏土體中一個(gè)或多個(gè)黏土片形成細(xì)小顆粒，其變化不易被直接觀察到，但能從膨脹指數(shù)試驗(yàn)間接呈現(xiàn)，溫度升高時(shí)，原有的顆粒狀膨潤(rùn)土發(fā)生分解，隨著溶液滲流，凝膠態(tài)蒙脫石增多，滲透系數(shù)可能會(huì)減小。

YE 等通過(guò)新型研制的膨脹試驗(yàn)裝置對(duì)GMZ01膨潤(rùn)土進(jìn)行了不同溫度下的膨脹壓力試驗(yàn)與飽和滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明，滲透系數(shù)隨溫度升高而增大，溫度變化路徑對(duì)飽和滲透系數(shù)沒(méi)有影響，這種溫度效應(yīng)可以用水的黏滯性變化解釋[44]。

CHO 等研究了不同壓實(shí)度飽和鈣基膨潤(rùn)土在20～80 ℃之間的滲透性能，膨潤(rùn)土在80 ℃的滲透系數(shù)約是20 ℃的3 倍[45]。在只考慮水的黏滯性的情況下，參考圖8 中溫度對(duì)水黏度的影響，隨溫度升高，水的黏度變化影響水的滲透性能。

VILLAR 等在20～80 ℃之間考察了壓實(shí)膨潤(rùn)土的流體力學(xué)性能變化，根據(jù)水運(yùn)動(dòng)黏度的熱變化，滲透性能隨溫度的變化低于所預(yù)測(cè)的結(jié)果；溫度升高引起土骨料中吸附水向骨料間自由水轉(zhuǎn)移[46]。

CHEN 等進(jìn)行一系列使用溫度控制的三軸單元滲透試驗(yàn)，得出在80 ℃的滲透系數(shù)是常溫（23 ℃）下的滲透系數(shù)的2.4 倍。在加熱冷卻循環(huán)過(guò)程中，滲透系數(shù)隨溫度的變化是可逆的[47]。

萬(wàn)敏研究了溫度對(duì)GMZ01 膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)的影響，在約束條件下，飽和膨潤(rùn)土的土體結(jié)構(gòu)不會(huì)隨溫度變化而發(fā)生較大的改變，因此對(duì)其孔隙率、滲透系數(shù)等物理特性影響不大[48]。

王媛等開(kāi)展了不同溫度（5、15、25、35、45 ℃）下室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)，得到不同溫度下的滲透系數(shù)[49]。隨溫度升高，3 種試樣的滲透系數(shù)呈線性增長(zhǎng)。分析認(rèn)為，溫度效應(yīng)影響?zhàn)ね翝B透性的作用機(jī)理主要是水的黏滯性變化、土顆粒雙電子層厚度變化、土骨架細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化等。溫度對(duì)黏土滲透性影響與黏土中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，形成黏土-有機(jī)質(zhì)團(tuán)聚體，增加黏性土滲透性，但不會(huì)改變滲透系數(shù)隨溫度而改變的變化率。

白冰等研究了溫度對(duì)黏性土介質(zhì)滲透特性的影響[50]。研究表明，隨著溫度升高，滲透系數(shù)增大，認(rèn)為這是水的黏滯度變化導(dǎo)致的。

邵玉嫻等研究了溫度效應(yīng)對(duì)滲透特性的影響[51]。隨著流體溫度升高，膨脹性和滲透性均增大，認(rèn)為其原因是與吸附結(jié)合水量有關(guān)。通過(guò)容量法測(cè)量吸附結(jié)合水量，由此分析吸附結(jié)合水量與溫度的關(guān)系，隨溫度升高呈近似線性降低。從微觀角度分析，溫度升高導(dǎo)致分子運(yùn)動(dòng)劇烈，使部分結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，從而使吸附結(jié)合水量減少，結(jié)合水減少時(shí)，可以看作土體顆粒上所存在水膜的變化，這個(gè)過(guò)程可能產(chǎn)生相互作用力的變化，最終導(dǎo)致宏觀上滲透系數(shù)的改變。

綜上可知，流體溫度對(duì)土體滲透特性的影響主要體現(xiàn)在流體自身黏度變化、土體中結(jié)合水的轉(zhuǎn)化、雙電層厚度變化以及土骨架細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化等。隨著溫度升高，水的黏滯性會(huì)降低，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。隨著溫度升高，土顆粒中的強(qiáng)結(jié)合水也會(huì)轉(zhuǎn)化為弱結(jié)合水和自由水，使土顆粒的離子水化半徑減小，導(dǎo)致滲透性增大。

6 結(jié)束語(yǔ)與展望

本文聚焦流體的理化特性對(duì)于滲流規(guī)律的影響，綜述了流體的化學(xué)組成、濃度、pH 值和溫度對(duì)土體滲透特性的影響，分析了相關(guān)作用機(jī)理。研究表明，流體主要通過(guò)改變土體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、雙電層厚度、結(jié)合水含量、產(chǎn)生化學(xué)勢(shì)等方式影響土體的滲流規(guī)律。基于上述結(jié)果，筆者認(rèn)為下面的問(wèn)題值得進(jìn)一步研究： ①?gòu)牧黧w-土體耦合作用方面深入研究，分析滲流過(guò)程的多場(chǎng)耦合作用機(jī)理，進(jìn)而構(gòu)建多場(chǎng)耦合作用下的滲流模型；②開(kāi)展多尺度的滲流研究，在細(xì)觀與微觀層面上分析流體與土體的相關(guān)作用，以驗(yàn)證宏觀滲流規(guī)律的合理性； ③室內(nèi)試驗(yàn)得到的規(guī)律并不能完全符合復(fù)雜的工程實(shí)際，進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)雜狀況下滲流數(shù)值模擬研究，應(yīng)用軟件的計(jì)算、模擬功能，得到更多有用的信息。