基于化學(xué)示蹤的海床細(xì)顆粒滲流測量方法研究

王虎，黃博，孫永福

1.天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072

2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

滲流指流體在孔隙介質(zhì)中的流動[1]，陸地沉積層水體滲流對地下水資源開發(fā)[2]、水利與巖土工程安全有重要影響。除此之外，海床滲流也普遍存在，水槽試驗(yàn)[3-5]和現(xiàn)場觀測[6]均發(fā)現(xiàn)，波浪等外部荷載作用下海床內(nèi)部產(chǎn)生超孔隙水壓力，與自由排水海床面之間形成滲流壓力梯度，引起海床內(nèi)部孔隙水和細(xì)顆粒向床面滲流[7]。海床孔隙水和細(xì)顆粒滲流影響海水與沉積層之間的物質(zhì)交換[8]，在鐵板砂[9]、塌陷凹坑[10]等海底動力地貌演化過程中扮演重要角色，還能導(dǎo)致海床承載力下降[11]、管線彎折[12]及平臺失穩(wěn)[13]。因此，準(zhǔn)確描述海床細(xì)顆粒滲流發(fā)展過程并精確測定其滲流量，對于科學(xué)認(rèn)知海底動力沉積過程、合理評價海床穩(wěn)定性至關(guān)重要。海床內(nèi)部孔隙水及細(xì)顆粒滲流是涉及水動力作用下床面、床內(nèi)耦合的動態(tài)響應(yīng)過程[9]，現(xiàn)場觀測受復(fù)雜環(huán)境變量影響，滲流過程無法捕捉、細(xì)顆粒滲流量難以精確測定[7]，相比而言，室內(nèi)模擬試驗(yàn)[5]具有便于控制試驗(yàn)變量、易于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及方便開展分析測試等優(yōu)勢。

同位素示蹤、溫度示蹤、染色示蹤及化學(xué)示蹤等示蹤方法是研究物質(zhì)遷移的常用方法。Burnett和Dulaiova[14]通過連續(xù)觀測孔隙水中天然同位素222Rn濃度研究了海底地下水排泄及其動態(tài)變化過程。陳建生等[15]通過在單孔水中均勻標(biāo)記人工同位素131I溶液并測定其濃度變化，進(jìn)而得到流速、流向等水力學(xué)參數(shù)，分析大壩滲漏通道。孫曉宇等[16]利用溫度示蹤法反演庫水-地下水的垂向交換速率。Cascarano等[17]運(yùn)用熒光染色示蹤方法研究海床沉積物-水界面水體和保守溶質(zhì)運(yùn)移。上述方法中，穩(wěn)定同位素示蹤劑種類少、價格昂貴、測定復(fù)雜，溫度示蹤和染色示蹤主要用于研究大范圍水體及溶質(zhì)滲流、并且以定性描述為主，無法描述沉積物孔隙中的細(xì)顆粒滲流，化學(xué)示蹤一般選取遇水呈現(xiàn)惰性、易于分離和測定的化學(xué)物質(zhì)作為示蹤劑[18]，研究流體及固體顆粒的滲流和運(yùn)移。因此，本文基于化學(xué)示蹤的思路，優(yōu)選出氫氧化鎂粉末作為示蹤劑，提出了一種海床細(xì)顆粒滲流定量測量方法，并通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)初步驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 海床細(xì)顆粒滲流測量方法

1.1 試驗(yàn)用土

海床細(xì)顆粒滲流需滿足以下條件： ① 海床土新近沉積且級配良好，以黏粒為主的細(xì)顆?？稍诖箢w粒骨架之間能夠形成滲流通道；② 有波浪等外部荷載作用在海床上，引起海床內(nèi)部超孔隙水壓力及垂直床面向上的滲流壓力梯度。現(xiàn)代黃河三角洲由以粉土為代表的粉質(zhì)類土新近沉積而成，波浪及風(fēng)暴事件引起的海床滲流現(xiàn)象多發(fā)[19-21]。因此，本文選擇黃河三角洲原始沉積粉土為試驗(yàn)用土，粒徑累積曲線如圖1（a）所示。

1.2 氫氧化鎂粉末示蹤劑

經(jīng)多次測試，本文最終優(yōu)選出氫氧化鎂粉末作為化學(xué)示蹤劑，原因如下：

（1）氫氧化鎂粉末可用于近似替代黏粒。氫氧化鎂粉末難溶于水，18 ℃時溶解度僅為 0.000 9 g/100 g，在海水環(huán)境下與粉土各礦物成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、不產(chǎn)生明顯吸附，具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，并且氫氧化鎂粉末中值粒徑為0.006 mm（圖1b），顆粒密度為2.49 g/cm3，然而，黏粒顆粒密度為2.6～2.68 g/cm3，粒徑小于 0.005 mm[22]，氫氧化鎂粉末與黏粒性質(zhì)接近，可用于近似替代黏粒。

圖1 粒徑累積曲線a.粉土，b.氫氧化鎂粉末。Fig.1 Particle size accumulation curvea.Silt, b.magnesium hydroxide powder.

（2）氫氧化鎂粉末可以很好地指示海床細(xì)顆粒滲流過程。如圖2所示，在圓柱形有機(jī)玻璃筒中自下而上依次鋪設(shè)10 cm飽和粉土、1 cm氫氧化鎂粉末、10 cm飽和粉土。靜置并達(dá)到穩(wěn)定后，以質(zhì)量為1 kg的圓盤自距離床面0.5 m處自由下落作為動荷載，重復(fù)施加300次。從圖2中可以看出，白色氫氧化鎂粉末與土體顏色明顯不同，很好地指示了動荷載作用下細(xì)顆粒在粉土海床中的滲流過程及其形成的不同規(guī)模、不同形狀的滲流通道。

圖2 氫氧化鎂粉末向上滲流及形成的滲流通道a.土柱正面，b.土柱反面。Fig.2 Upward seepage of magnesium hydroxide powder and the formed seepage channela.Front view, b.reverse side of soil column: rear view.

1.3 示蹤測量方法

基于氫氧化鎂粉末示蹤的海床細(xì)顆粒滲流測量步驟如下：① 將試樣稱重得到質(zhì)量m1, 乘以土中背景鎂離子濃度p，得到背景鎂元素含量m2=m1p；② 在試樣中加過量鹽酸充分反應(yīng)后過濾，得到體積V的濾液，使用離子色譜儀測試得到鎂離子濃度c，從而得到總鎂元素質(zhì)量m3=cV；③ 計算滲流鎂元素含量m4=m3-m2，根據(jù)Mg(OH)2分子式計算滲流氫氧化鎂質(zhì)量m5=58m4/24；④ 對海床分層取樣，重復(fù)上述步驟即可得到不同土層氫氧化鎂粉末質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對海床細(xì)顆粒垂向滲流過程的定量描述。

為驗(yàn)證測量方法定量測定土體鎂元素的準(zhǔn)確性，取10 g粉土樣品并加入氫氧化鎂粉末0.68 g，根據(jù)鎂離子背景濃度0.26%及氫氧化鎂分子式計算得到鎂元素理論值為10 g×0.26 g+0.68×24/58 = 0.307 g；按照本文步驟得到鎂元素測量值為0.305 g，二者偏差僅為0.65%。

2 滲流模擬試驗(yàn)

進(jìn)一步開展動荷載作用下粉土海床滲流模擬試驗(yàn)并分層測定細(xì)顆粒滲流量，用以驗(yàn)證本文方法的有效性。

2.1 試驗(yàn)裝置

如圖3所示，試驗(yàn)裝置由水槽、孔隙水壓力測量系統(tǒng)以及荷載施加裝置組成。水槽為有機(jī)玻璃制作，尺寸為55 cm×40 cm×30 cm?？紫端畨毫y量系統(tǒng)由3個孔隙水壓力傳感器（西安微正電子科技有限公司，CYY2型，精度0.1 kPa）以5 cm的垂向間隔安裝于指向不同方位的支架水平桿外緣，線路通過支架水平桿和立柱統(tǒng)一輸出海床，以保證孔隙水壓力傳感器之間及與海床表面不發(fā)生水力聯(lián)系。荷載施加裝置由一圓柱形砝碼固定于圓形鐵片上，圓形鐵片直徑20 cm，總重75 N，用于施加外部荷載。

2.2 試驗(yàn)步驟

（1）海床制備及示蹤粉末的埋置。將取自黃河三角洲潮灘的土樣風(fēng)干，加水?dāng)嚢璩删鶆?，流塑狀態(tài)的泥漿。在水槽中央預(yù)先放置帶有孔隙水壓力傳感器的支架，將泥漿沿側(cè)壁緩慢注入水槽至高度10 cm，在其上鋪設(shè)總質(zhì)量500 g、厚約0.1 cm的氫氧化鎂粉末層，之后繼續(xù)鋪設(shè)厚度5 cm的粉土泥漿，在海床表面加入2 cm水，確保海床始終處于飽和狀態(tài)。

（2）動荷載施加、孔隙水壓力與滲流量測定。將海床靜置直至監(jiān)測到的孔隙水壓力等于該深度土體有效自重，即海床完成自重固結(jié)。將海床表面水排干，在距離水槽右側(cè)壁10 cm處插入一塑料隔板，將海床分為試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)（圖3）。在對照區(qū)取樣，測試得到海床土體物理參數(shù)見表1。在試驗(yàn)區(qū)人工施加動荷載，將荷載施加裝置由距床面50 cm高度處自由下落，重復(fù)500次、持續(xù)時間約0.5 h。試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)測海床孔隙水壓力并觀察海床細(xì)顆粒滲流現(xiàn)象。待孔隙水壓力保持穩(wěn)定且不再有新的滲流現(xiàn)象產(chǎn)生，將試驗(yàn)區(qū)海床自床面向下每1 cm為1層進(jìn)行取樣，按照1.3節(jié)方法測定每層海床中的氫氧化鎂含量，得到自床面以下5 cm示蹤層至床面的逐層示蹤物滲流量。

表1 海床土體物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of seabed soil

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 The design of the experiment

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖4給出了試驗(yàn)過程中孔隙水壓力變化情況，可以看出，施加動荷載前各深度處孔隙水壓力與靜水壓力值一致，顯示出粉土海床處于正常固結(jié)狀態(tài)。施加動荷載后，各深度的孔隙水壓力均快速累積升高，5 cm處孔隙水壓力峰值達(dá)到1.09 kPa、超過上覆土體自重0.95 kPa，海床發(fā)生液化，10 cm處孔隙水壓力最大值為1.88 kPa、接近上覆自重1.9 kPa，海床接近發(fā)生液化。結(jié)束動荷載后，各深度處的孔隙水壓力在逐步消散。海床內(nèi)部孔隙水壓力累積升高，及其引起的指向床面的壓力梯度，是引起海床內(nèi)部孔隙水和細(xì)顆粒垂向滲流的驅(qū)動力。

圖4 海床表面以下不同深度處孔隙水壓力變化情況Fig.4 Variation of pore water pressure at different depths beneath seabed surface

與海床內(nèi)部孔隙水壓力累積升高相對應(yīng)，在動荷載開始施加約10 min后，從水槽側(cè)壁觀察到位于床面以下5 cm的細(xì)顆粒示蹤粉末開始脫離土骨架向上滲流，形成多個規(guī)模、形狀各異的滲流通道。如圖5所示，白色氫氧化鎂示蹤粉末清晰顯示了滲流通道形態(tài)及細(xì)顆粒滲流發(fā)展過程，各滲流通道直徑呈現(xiàn)出自下而上逐漸減小的趨勢，部分滲流通道（如7號）貫通至海床表面。與此同時，未施加荷載的對照區(qū)示蹤粉末保持原來位置不動、未觀察到滲流現(xiàn)象。循環(huán)荷載停止后，孔隙水壓力逐漸消散（圖4）、作為驅(qū)動力的滲流壓力梯度逐漸減小直至消失，導(dǎo)致部分粉末自示蹤層發(fā)生向上滲流但未及到達(dá)床面；此外，形成的滲流通道的形態(tài)、規(guī)模各異，其攜帶示蹤粉末量、向上輸運(yùn)速度不同，所以，觀察到示蹤粉末滲流量呈現(xiàn)出自示蹤層向上逐漸較少、僅部分示蹤粉末到達(dá)床面的現(xiàn)象。

圖5 試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of a test

取樣測試得到的每層海床氫氧化鎂粉末含量如圖6所示，滲出到海床表面的示蹤物為2.216 g，僅占示蹤物總質(zhì)量的0.4%，示蹤物含量自床面向下逐層遞增，自示蹤層向上滲流的細(xì)顆粒共129.48 g，占示蹤物總質(zhì)量的25.896%。以上結(jié)果與試驗(yàn)中觀察到的示蹤物大部分留在原示蹤層位置、部分示蹤物沿滲流通道向上運(yùn)移、滲流通道規(guī)模自下向上逐漸減小、僅個別滲流通道連通到床面的現(xiàn)象一致。

圖6 不同深度的海床細(xì)顆粒滲流量Fig.6 Seabed fine particle seepage at different depths

3 討論

穩(wěn)定性、指示性和可測性決定了示蹤劑能否發(fā)揮其效能。本文采用的氫氧化鎂粉末與孔隙水及沉積物礦物成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與沉積物顆粒不發(fā)生明顯吸附，在海床沉積及滲流環(huán)境下具有較好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，避免了稀土元素[23-24]、天然同位素及人工同位素[25-28]滲流示蹤過程中由于示蹤劑損失造成的誤差。試驗(yàn)結(jié)果顯示，氫氧化鎂示蹤粉末清晰指示細(xì)顆粒物質(zhì)在動荷載及其引起的超孔隙水壓力和向上的滲流壓力梯度作用下自示蹤層開始向上運(yùn)移，形成規(guī)模和形狀各異的滲流通道、部分到達(dá)海床表面的滲流發(fā)展過程。與水槽試驗(yàn)中通過孔隙水和黏粒遷移觀察滲流現(xiàn)象、以床面黏粒含量升高判斷細(xì)顆粒物質(zhì)垂向滲流[29]相比，本文白色氫氧化鎂示蹤粉末與周圍海床土形成明顯對比，更加直觀、準(zhǔn)確指示出了滲流通道形成發(fā)展及細(xì)顆粒物質(zhì)向上滲流的過程。此外，與天然及人工同位素示蹤方法相比，氫氧化鎂粉末廉價易獲取，可按照需求加工成不同粒徑滿足不同層次的細(xì)顆粒滲流示蹤需求，只需鹽酸和離子色譜儀等常見化學(xué)分析試劑和儀器，測量方法安全、簡便。

傳統(tǒng)的同位素、溫度、染色等示蹤方法主要用于定性及定量描述水體滲流情況，本文方法則在室內(nèi)模擬試驗(yàn)層面實(shí)現(xiàn)了對海床細(xì)顆粒滲流的定量描述。以波浪為外部荷載、粉土海床為作用對象、細(xì)顆粒滲流現(xiàn)象明顯的水槽試驗(yàn)[30]為例，其人工海床尺寸為3.8 m×0.5 m×0.6 m，從海床內(nèi)部滲流至床面的細(xì)顆粒質(zhì)量為9.5 kg，假設(shè)不同深度海床對細(xì)顆粒滲流的貢獻(xiàn)均等，計算出厚度1 mm海床滲流到單位面積（1 m2）滲流量為8.3 g；本文海床尺寸0.55 m×0.4 m×0.15 m，滲流到床面的細(xì)顆粒為2.2 g，可計算出1 mm示蹤層滲流到床面的細(xì)顆粒為10.1 g，二者處于一個數(shù)量級且較為接近，說明本文定量測量的合理性。另外，水槽試驗(yàn)現(xiàn)有方法只能確定整個海床滲流至海床表面的細(xì)顆粒質(zhì)量，本文方法可得到海床不同深度土層滲流量，實(shí)現(xiàn)了從源頭至海床面細(xì)顆粒滲流的定量描述，更加細(xì)致地刻畫了海床內(nèi)部滲流過程，對于從實(shí)驗(yàn)室定量角度明確波浪作用下海床內(nèi)部細(xì)顆粒滲流過程及分布規(guī)律、進(jìn)一步理清波浪作用下粉土海床液化、滲流、再懸浮機(jī)理并開展相應(yīng)的定量評價有重要意義。

4 結(jié)論

（1）基于氫氧化鎂化學(xué)示蹤方法具有以下特征，決定了其可用于海床細(xì)顆粒滲流測量。首先，氫氧化鎂示蹤劑的顆粒密度、粒徑與海床黏粒接近，難溶于水、不與海床土發(fā)生反應(yīng)、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。其次，示蹤劑為白色，與海床土顏色形成鮮明對比，能夠清晰指示滲流通道。再者，將混有示蹤劑的土樣與鹽酸充分反應(yīng)，經(jīng)離子色譜儀測定溶液鎂離子，即可得到氫氧化鎂示蹤劑含量，測定方法簡便、精確。

（2）動荷載作用下粉土海床內(nèi)部超孔隙水壓力及垂直床面向上的壓力梯度是細(xì)顆粒滲流的驅(qū)動力，本文化學(xué)示蹤方法清晰指示了細(xì)顆粒自示蹤層向上滲流輸運(yùn)及其發(fā)展過程，測量得到的海床內(nèi)部至床面細(xì)顆粒滲流量逐層遞減的趨勢，以及示蹤物大部分留在原示蹤層位置、滲流通道規(guī)模自下而上逐漸減小、僅個別滲流通道連通到床面的試驗(yàn)現(xiàn)象，從實(shí)驗(yàn)室層面實(shí)現(xiàn)了海床細(xì)顆粒垂向滲流的定量解釋，有望為進(jìn)一步揭示波浪作用下粉土海床液化、滲流、再懸浮機(jī)理并實(shí)現(xiàn)定量評價提供新的方法支持。