长江科学院院报

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2026 , Vol. 43 >Issue 1: 110 - 118

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20241103

岩土工程

基于电导率计算的黏土电渗离子迁移与含盐量时空分布特性

  • 余锦地 , 1 ,
  • 马郁春 2 ,
  • 刘翔 3 ,
  • 蒋熠诚 4 ,
  • 周建 , 4
展开
  • 1 浙江省水利水电勘测设计院,杭州 310002
  • 2 中铁建设集团南方工程有限公司,广州 511466
  • 3 余杭区林业水利局, 杭州 311100
  • 4 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心,杭州 310058
周 建(1970-),女,湖北浠水人,教授,博士,主要从事软黏土力学、地基处理、土工数值分析等方面的研究。E-mail:

余锦地(1983-),男,福建南安人,正高级工程师,主要从事水利水电工程设计研究。E-mail:

Copy editor: 王慰

收稿日期: 2024-10-30

  修回日期: 2025-02-21

  录用日期: 2025-02-26

  网络出版日期: 2025-03-31

基金资助

国家自然科学基金项目(52478366)

国家自然科学基金项目(52078455)

国家自然科学基金项目(51708507)

浙江省水利工程带科研揭榜挂帅项目(RA+202303)

收起

Ionic Migration and Spatiotemporal Distribution Characteristics of Salinity in Clay Using Electro-osmosis Based on Conductivity

  • YU Jin-di , 1 ,
  • MA Yu-chun 2 ,
  • LIU Xiang 3 ,
  • JIANG Yi-cheng 4 ,
  • ZHOU Jian , 4
Expand
  • 1 Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China
  • 2 China Railway Construction Group Southern Engineering Co., Ltd., Guangzhou 511466, China
  • 3 Yuhang Forestry and Water Conservancy Bureau, Hangzhou 311100, China
  • 4 Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

Received date: 2024-10-30

  Revised date: 2025-02-21

  Accepted date: 2025-02-26

  Online published: 2025-03-31

Fold

摘要

在电渗排水过程中,黏土中的可溶性盐在电场作用下发生迁移。为研究电渗过程中可溶性盐的时空分布及其对排水效率的影响,开展了电导率试验,利用土体电导率建立了含盐量的计算公式。在一维电渗固结试验中,监测了分区电压、电导率、排水量和电流,反演了土体含盐量的变化及离子迁移趋势。试验结果表明,电导率受含盐量与含水量的共同影响,且含盐量的影响更为显著。电渗过程中,阳极区域含盐量变化较小,中间区域先上升后下降,阴极区域则快速下降,电渗结束时含盐量从阳极到阴极依次递减。电渗排水法不仅能加速黏土的排水固结,还能有效排除土中的可溶性盐,减少高含盐量对后续施工的影响,为处理高含盐土体提供了新思路。

关键词： 黏土; 电渗法; 含盐量; 电导率; 地基处理

本文引用格式

余锦地 , 马郁春 , 刘翔 , 蒋熠诚 , 周建 . 基于电导率计算的黏土电渗离子迁移与含盐量时空分布特性[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(1) : 110 -118 . DOI: 10.11988/ckyyb.20241103

Abstract

[Objective] This study investigates how soluble salts in clay redistribute under an applied direct-current electric field during electro-osmotic drainage and how the redistribution affects dewatering and consolidation efficiency. The study quantifies the spatiotemporal evolution of salt content through bulk electrical conductivity, distinguishes the individual effects of salinity and water content on conductivity, and infers ion-migration trends and their implications for the combined dewatering and desalination performance of saline clays. [Methods] Laboratory conductivity calibrations were conducted on remolded clay across practical ranges of water content and soluble-salt concentration. Based on these data, an empirical relationship was established that linked soil bulk conductivity to pore-fluid salinity while explicitly incorporating water content, enabling the conversion of measured conductivities into estimates of salt content. Subsequently, a one-dimensional electro-osmotic consolidation test was conducted. Segmented voltage, local conductivity, cumulative drainage, and current were monitored and recorded. Using this calibration, time-lapse conductivity profiles were processed to reconstruct salt-content distributions and their evolution. This method could provide a framework to monitor and interpret coupled ionic transport and water removal during electro-osmosis. [Results] Calibration showed that conductivity increased with both salinity and water content. However, when water content was considered, salinity accounted for a larger share of the variance in bulk conductivity. Accordingly, conductivity served as a reliable in-situ indicator of salt content during electro-osmosis. The electro-osmotic test revealed a distinct zonation of salt content consistent with electromigration toward the cathode. At the anode, salt content declined rapidly during the first 2 hours and then stabilized at approximately 2.0 g/L until the end of the test. In the mid-section, salt content also decreased over the first 2 hours, showing the smallest reduction among the three regions, followed by an increase and subsequent decline. By 6 hours, it temporarily exceeded the initial salinity. This peak reflected the convergence in the middle zone of cation fluxes migrating from anode to cathode and anion fluxes moving in the opposite direction. After 6 hours, the mid-section salinity decreased progressively and, at the end of the test, fell below that of the anode region. The cathode experienced the most pronounced change, showing a continuous decline throughout energization. By 8 hours, the cathodic zone had nearly approached a salt-free state. During electro-osmosis, the soil potential field was strongly modulated by both water content and salinity, producing spatially differentiated potential distributions that evolved over time. Water content and drainage rate exhibited non-uniform dynamics among regions and ultimately formed a moisture gradient of Anode < Middle < Cathode. Salinity exerted a pronounced control on potential pathways and transmission efficiency. Therefore, its evolution should be incorporated explicitly in design to optimize treatment outcomes. The combined evidence demonstrated that electro-osmotic drainage in saline clay could achieve two outcomes simultaneously: accelerated consolidation and effective removal of soluble salts. The latter mitigated adverse effects of high salinity on subsequent construction, including corrosion risk and strength variability, thereby improving the suitability of the treated ground. [Conclusion] This study delineates the migration and distribution patterns of soluble salts in high-salinity clays under electro-osmotic drainage, offering a new perspective for treatment and practical guidance for engineering application. Operationally, a critical point is reached when salinity in the cathodic zone drops to a very low level. Continuing energization beyond this point leads to sharply diminished drainage efficiency and disproportionately increased energy consumption. At the design stage, measuring soil electrical conductivity and conducting pre-tests to characterize the salinity-moisture relationship are recommended, thereby informing the required energization time. In practice, continuous conductivity monitoring provides a comprehensive indicator of overall dewatering progress. Wider adoption of these insights is expected to facilitate broader and more effective application of electro-osmosis in geotechnical engineering.

Key words： clay; electro-osmosis; salinity; conductivity; ground treatment

0 引言

电渗排水速率远高于土体的水力渗透系数[1],因此电渗法作为一种高效的排水固结技术[2],在处理软黏土[3-4]、淤泥[5-7]等低渗透性土体方面具有显著优势。电渗法通过在土体中插入电极,通电后促使水从阴极排出[8]。李瑛等[9]总结了以往电渗中成功的案例,发现一般处理土体的孔隙水含盐量往往低于等效NaCl溶液浓度(2 g/L),或是土体总电导率不超过0.25 S/m。近年来,沿海地区吹填造陆以及海塘堤防提标加固工程逐渐增多。与内陆软土或是河道疏浚淤泥相比,高含盐量是这些工程中土体的一大共性,也给电渗法在其中的应用带来了新的挑战。在相同外电势作用下,高含盐量会导致电流的提高并进一步增加电渗能耗。同时,较高的电流密度也会使黏土-电极界面电化学反应加速,导致金属电极的严重腐蚀[10]。因此在处理高含盐土时,如何合理安排通电,使电渗法在高效排水的同时又能低能耗施工,成为一大难题。
在以往研究中,学者主要关注土体初始含盐量对电渗效果的影响。罗战友等[11]开展了3种不同初始含盐量的电渗试验,从电导率变化的角度,发现含盐量对电渗初期土体电导率影响显著,且阴极附近区域土体电导率低于同一时刻的其他土体。焦丹等[12]发现电场作用下含盐非饱和黄土的水分迁移效果随含盐量的增加先增大后减小,含水量相同时,土体电阻率随含盐量的增加呈指数降低。To等[13]对8.57~39.24 g/L范围内的高含盐量土开展了8组电渗试验,发现在该范围内含盐量越高,土体固结速度越快,在39.24 g/L时的固结系数约为不含盐时的6倍。上述研究集中于电渗开始时土体含盐量对电渗最终排水或固结效率的影响,往往忽略了电渗过程中可溶性盐的迁移和时空分布。
在电渗过程中,施加外电势导致的带电离子定向迁移不可避免(阳离子向阴极迁移,阴离子向阳极),这一现象在高含盐土中则更为明显。同时,可溶性盐会在电渗排水过程中随孔隙水一同排出土体,一定程度上也降低了土体含盐量。Tuan等[14]在电渗联合堆载试验中发现电渗前期排出液中的Na+和K+的质量浓度逐渐上升。陶燕丽等[15]在对电渗运移量的研究中发现电渗排水中Na+、k+质量浓度比重力排水大得多,电渗排水主要依赖于Na+、k+等低阶金属阳离子带动水分子迁移。上述研究证明了可溶性盐的分布在电渗过程中不是一尘不变的,可溶性盐的迁移对土体电导率和电渗系数起关键作用,进而影响排水速率和电渗能耗[16]。因此,需要进一步研究电渗过程中含盐量的分布变化。值得一提的是,罗战友等[11]分析了不同时刻土体电导率的区域分布,但电导率的变化同时受土体含水量和含盐量的影响[17],不同含水量下仅从电导率的变化并不能很好的说明含盐量的分布规律。
本文针对电渗过程中可溶性盐的时空分布及其与电渗排水之间的关联机制展开研究。首先,为了消除含水量对土体电导率的影响,以杭州淤泥质黏土为例系统测定了饱和黏土含水量、含盐量与电导率之间的关系,并利用这一关系反演了电渗过程中可溶性盐的动态变化。其次,分析了电渗过程中土体的区域电导率和电阻率变化,探讨电场作用下的盐分迁移规律。最后,通过分析排水量、电流变化及排出液中的阳离子含量,进一步揭示了高含盐量电渗排水的内在机制。本研究的成果为高含盐量土体的电渗排水提供了参考,对工程实践具有积极的指导意义。

1 试验设计

1.1 试验方案

本研究关注电渗过程中可溶性盐的迁移与分布,电导率常被学者用于研究电渗过程中土体的区域导电能力[11]。但在饱和黏土材料中,土体电导率很大程度上受土体的含水量以及孔隙水含盐量的共同影响[18]。电渗过程中,试样土体的排水会伴随着盐的迁移,2个因素的同时变化使实时电导率并不能直接反映土中含盐量的情况。
根据现有岩土体电阻率模型[17](电阻率为电导率的倒数),黏土体材料电导G由土颗粒电导Gs、电解液电导Gw以及颗粒、电解液串联电导Gws三部分组成。其中电解液电导主要由可溶性盐的水解形成[19]。由于水合离子的极化特性及其在电场中的可移动性,电解液通常表现出较高的导电性[17]。在同一含水量下,土体的电导率往往与含盐量呈线性关系。
因此,为了排除含水量对电导率的影响,本研究试验由电导率试验和电渗通电试验组成。电导率试验通过配置不同含水量(20%~300%)和不同含盐量(0~30 g/L)的软黏土,评估上述变量对土体电导率的影响,建立拟合公式为电渗通电试验中取样后土体的含盐量提供参考。
电渗通电试验采用恒电压通电模式,电压为30 V,持续24 h,此时土体已基本不再排水。恒压通电试验的目的在于研究可溶性盐的时空分布,并通过电渗过程中土体局部电阻率和界面电阻的变化,为高含盐土的处理提供思路。试验过程中实时记录电压电流表读数和排水量。每隔2 h对排出液进行取样,用于测定电导率和离子浓度。同时,每隔2 h分别在距阳极3、9.5、16 cm的土体表面进行取样,利用烘干法测定土样含水量。同时,将烘干后的土样研磨成土粉,用蒸馏水重新调制成泥浆后测定电导率。

1.2 试验装置

电导率试验采用4电极体系[20]:2个工作电极用于为试样提供稳定电压,2个测试电极用于监测特定长度土体间的电势差。试样的电导率可由式(1)计算[11]。
σ = L A I Δ V 　 。
式中: σ为试样电导率(mS/cm);L为测试电极间距(cm);I为截面电流(A);A为试样截面积(cm2);ΔV为测试电极间的电势差(V)。
电渗通电试验采用的一维电渗装置如图1所示,装置由有机玻璃制作。工作电极分别布置于装置两侧,装置的阴极侧作为排水边界留有排水孔用于收集电渗排出液,排出液经排水漏斗收集至烧杯,每10 min记录排出液的质量,每2 h进行一次取样。采用雷磁便携式电导率仪测量排出液电导率,同时采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry,ICP-OES)测定9种主要阳离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+等)在排出液中的浓度。
图1 一维电渗试验装置

Fig.1 One-dimensional electro-osmosis test device

外电路包括直流电源(60 V,3 A,输出精度±0.2%)、电势探针和4台集成式电压电流表。4根金属铜制的电势探针分别布置于距阳极电极板0.5、5.5、13.5、18.5 cm处,用于监测电极-土体界面以及各区域土体间的电势差。电势探针将模型盒分为A1、A2、A3这3个区域,分别对应阳极区域、中央土体和阴极区域。集成式电表的采样频率为1 Hz,精度可达1 mV 和 1 mA,通过RS485协议将数据传输至电脑进行数据处理。

1.3 试验材料

试验所用的淤泥质黏土来自杭州基坑工程,原状土的物理指标如下:含水量w=58.5%,土粒相对密度ds=2.75,孔隙比e=1.47,液限wL=45.3%,塑限wP=23.5%。为去除黏土中本身所含有的盐,使土体含盐量更为可控,需要对原状土进行洗土[9],步骤如下:首先将原状土烘干并研磨成土粉;过筛去除石子等大颗粒后,按1∶5的土水质量比加入蒸馏水,充分搅拌后静置,待溶液澄清后用吸管将上层清液排出;重复上述步骤多次,当上清液电导率低于300 μS/cm时[21],可认为此时土中近似不含有可溶性盐,称为素土。电导率试验中,将素土土粉、蒸馏水和NaCl晶体按预定的含水量和含盐量进行称量、混合并充分搅拌后制成试样进行电导率测试。
在电渗通电试验中,关注可溶性盐的迁移行为,因此选用重塑泥浆进行试验。参考李瑛等[9]的研究,含盐量选取为2.52 g/L,此时重塑泥浆的电导率约为2 380 μS/cm,为工程中电渗处理软弱土体成功案例的上限值,既能尽可能放大可溶性盐的迁移,又不至于出现电流过大导致试验失败的情况。试验中的盐同样选用NaCl,重塑泥浆目标含水率为80%,充分搅拌后密封静置72 h以上。
工作电极为板式电动土工合成材料电极(Electro-Kinetic Geosynthetic, EKG)[22-23],其与土体相接触部分为石墨、炭黑等非金属材料。在电极-土体界面主要发生析氢反应(阴极)和析氧反应(阳极)[8],因此不会在电渗过程中向土体引入额外的金属阳离子。

2 试验结果

2.1 黏土含盐量拟合计算

电导率是反映土体中离子迁移能力的重要指标,与土体的含水量和含盐量密切相关。在盐溶液中,电导率等于阴阳离子各自电导率之和。首先,测试不同含水量条件下的土体电导率,选择适宜的含水量;然后测定在该条件下不同含盐量的电导率,并采用多项式拟合得到该目标含水量下电导率与含盐量的拟合曲线。通过该拟合曲线,可以利用电导率计算出土体中的盐分浓度,进而了解可溶性在土体中的分布及其变化规律。
图2是3种土体(电渗用土2.52 g/L、原状土1.05 g/L和素土)的电导率随含水量变化情况。随着含水量的不断提高,土体的电导率呈先增长后下降的趋势,在含水量达60%时达到最大值,3种土体的最大值依次为2 490、1 538、889 μS/cm。含水量组试验时不额外添加盐,因此土中可溶性盐的总量是不变的,土体电导率的变化主要是由于导电路径的改变以及电解液(孔隙水)浓度变化。在含水量较低时,以土颗粒导电为主,因此电导率较低;随着含水量的增加,电解液导电比重逐步增长,此时孔隙含水量较低,孔隙水中盐浓度较高,因此电导率不断增长至最大值;进一步的试验中采用蒸馏水进行制样,随着含水量的增加,电解液的浓度逐步下降,电导率也随之下降。通过横向对比3种土样结果也可以发现,土体含盐量越高,电导率上升幅度越明显,含盐量变化对土体电导率的影响大于含水量。
图2 土体电导率随含水量变化趋势

Fig.2 Variation trend of soil conductivity with water content

从上述分析可以发现,当土样含水量在20%~90%时电导率受含水量的变化影响较大,含水量较小的变化就会引起电导率的改变。而含水量过大(如200%以上)时,孔隙电解液被稀释,此时不同含盐量下电导率的差异会相对较小,不利于在后文中用于反演土体的含盐量。因此,在接下来含盐量的试验组中将目标含水量设定为100%,探究不同含盐量对土体电导率的影响。
图3为电导率随含盐量变化关系曲线。由图3可知:含盐量在0~5 g/L时,电导率变化近似呈线性关系,由最小值723 μS/cm增长至5 g/L时的3 440 μS/cm。但随着含盐量的进一步增加(超过5 g/L时),电导率的增长趋势逐渐放缓,在10、15、30 g/L时电导率分别为5 500、7 410、10 920 μS/cm。考虑到含盐量较大时电导率的非线性增长,采用二次多项式y=A+Bx+Cx2对试验结果进行拟合,拟合所得曲线如图所示,式中y为土体电导率(μS/cm),x为土体含盐量(g/L),A、B、C为拟合系数。
图3 土体电导率随含盐量变化趋势

Fig.3 Variation trend of soil conductivity with salinity

针对本文使用的软黏土,得到参数A=818.81;B=552.67;C=-7.23,决定系数R2=0.998拟合效果较好。采用该拟合公式对电渗过程中所取土样测得的电导率反算含盐量。

2.2 电渗过程土体含盐量时空分布

将电渗通电试验中每隔2 h所采集的土样烘干研磨后调制成含水量为100%的试样,测量其电导率,并利用上述拟合公式对土体的含盐量进行反演计算,得到电渗过程中土体含盐量的时空分布关系如图4所示。
图4 含盐量时空分布

Fig.4 Spatiotemporal distribution of salinity

首先分析整体含盐量变化。与试验初始时刻的含盐量相比,A1、A2、A3这3个区域的含盐量均有所下降,表明电渗排水的过程中,土中的离子也会发生迁移并随电渗流排出;试验结束时3个区域含盐量A1>A2>A3,即自阳极至阴极含盐量逐渐减小。
同时,含盐量的变化也呈现明显的区域特性。A1区域在最初2 h内下降较快,随后则基本维持在2.0 g/L左右至试验结束。A2区域土体含盐量在最初2 h内同样呈下降趋势,土中金属阳离子随电流向阴极移动,但下降的程度是3个区域中最小的;在这之后则经历了先上升再下降的过程,试验开始6 h后一度超过了土体初始含盐量。由阳极向阴极迁移的阳离子和由阴极向阳极迁移阴离子在土体中部交汇,因此含盐量增大到峰值。6 h后,A2区域土体含盐量逐步下降,并在试验结束时低于阳极A1区域。A3区域的变化是整个土体中最显著的,在整个通电过程中持续下降,8 h后阴极区域已近似不含盐。分析阴极区域含盐量下降更快原因,一方面由于阴极是排水边界,阳离子可以直接随孔隙水排出土体,同时在相同时刻阴极的电势梯度相对更大,阳离子具有更快的迁移速率;另一方面阴离子也向阳极迁移,加快了含盐量的下降。值得一提的是,图4中A3区域12 h时的含盐量未能检出。这是由于该时刻所取土样经稀释后的电导率<600 μS/cm。如图3的放大部分所示,拟合曲线计算所得的电导率会略高于实测电导率,导致在含盐量<0.5 g/L时存在一定误差。
在黏土通电电渗的过程中,阳离子会向阴极迁移,而阴离子则向阳极移动,这一现象解释了试验中观察到的含盐量变化。依据电导率的定义,以本研究中的土体为例,NaCl溶液作为孔隙液中的主要电解质,分析Na+和Cl-在阳极、土体中部以及阴极区域的分布情况。在阳极区域(A1),Na+向阴极方向迁移,而Cl-则从阴极一侧补充过来。然而,由于土颗粒带有负电荷,使阳离子的迁移速率大于阴离子,抑制了阴离子的补充,导致该区域的土体含盐量相较于试验开始时有所减少;在土体的中央区域(A2),阴离子和阳离子的迁移锋面在此相遇,导致含盐量先上升后下降,甚至在某个时刻超过了初始含盐量;至于阴极区域(A3),一方面,阴离子向阳极迁移;另一方面,从阳极迁移而来的Na+随着电渗流被排出土体。因此,该区域的含盐量持续降低,在电渗持续一段时间后几乎不含盐。

2.3 土体电势区域分布规律

含盐量和含水量的不均匀分布会使原本在土中近似线性分布的电势差发生不均匀的分配。图5展示了电渗过程中3个区域土体的电势分布情况。试验初期,A2区域电势高于A1和A3,这是由于A2土体长度大于其余2个区域。在试验初期由于整个试样中含水量和含盐量相同,因此阴阳极间的电势梯度是均匀的,电势差与土体长度呈正比。随着时间的推移,阳极和中央区域的土体电势分布变化趋势较为一致,先下降再上升,其中,中央土体的下降趋势更为明显;A1区域在通电12 h后电势逐渐上升,而A2区域在6 h后开始增加。相比之下,A3阴极区域在1.5~4.5 h内电势骤升,随后趋于相对稳定。
图5 土体电势差和含水量变化

Fig.5 Variations in soil potential difference and water content

图5中同时包括了3个区域的含水量变化,结果显示电渗过程中土体的含水量并非自阳极至阴极逐渐增加的。A1区域在前6 h含水量下降最快;A3区域在试验开始2 h后加速排水,2~6 h含水量下降显著;而A2区域直至6 h后才开始快速排水。试验开始12 h后,3个区域的含水量趋于一致。在12~24 h内,A1和A2区域的含水量继续下降,而A3区域逐渐停止排水,含水量略有上升。最终在试验结束时,形成了A1<A2<A3的含水量分布格局。
结合含水量和电势差的变化可以发现,含盐量的分布是引起电势变化的主要原因之一。电渗12 h后,尽管3个区域的含水量相近,但A1和A3之间的电势差距却非常大,这进一步反映了含盐量对电势分布的显著影响。土中含盐量的变化会对电渗过程中电流传导路径及效率产生深远影响。因此,掌握土体中含盐量和含水量的动态变化规律对于优化电渗设计、提高处理效果至关重要。
土体电阻和界面电阻的变化趋势是电渗过程的关键因素之一。图6是土体电阻和土体-电极界面电阻的变化趋势。可以发现随着电渗排水,A1、A2、A3区域的电阻在电渗开始3 h后均逐渐上升。特别是在A3区域,尽管含水量较高,但由于离子浓度较低,因此电阻率相对较大。
图6 土体及界面电阻变化

Fig.6 Variations in soil and interface resistance

本文采用的电极为EKG电极,图中界面电阻的变化趋势与已有文献报道一致[8]。结合土体电阻对界面电阻的影响进行分析可以发现,在电渗过程中界面电阻之和可能会超过A1区域的总电阻。进一步的,由于试验用土的电导率并不高,土体的初始电阻相对较高,因此界面电阻所占用的能耗相对较少。在当前的含盐量下,界面电阻的影响并不显著。但是,在处理高含盐量的海相吹填土或是围垦土时,随着含盐量和含水量的进一步提高,土体的初始电阻会减小,此时界面电阻会主导能耗。

2.4 电渗排出液离子含量变化

土体含盐量变化的一大主要原因是电渗时阴极为排水边界,离子会随排出液一同离开土体。图7展示了电渗累积排水量和排水速率的变化趋势。从图7可以看出,电渗初期排水速率较快,12 h排水出现明显转折,速率逐渐放缓。前12 h排出的水占总排水量的91%,试验后12 h内仅排水20 mL。
图7 电渗排水量和排水速率

Fig.7 Electro-osmotic drainage volume and rate

图8显示了土体电流以及排出液电导率随时间变化的曲线。在试验初始的1.5 h内,电流出现小幅上升。这主要是由于通电过程中土体产生欧姆热效应,导致土体温度上升,进而加快了离子的迁移速率,提升了土体的实际电导率,从而使电流有所增加。然而,随着时间的推移,在离子含量下降和含水量下降的共同作用下,阴极区域的土体电阻逐步增大,电流也随之下降。电流的变化趋势与阴极电导率的变化基本保持同步。排出液的电导率在试验过程中呈现逐渐上升的趋势,并在第12 h达到峰值。
图8 电流及排出液电导率随时间的变化曲线

Fig.8 Variation curve of current and conductivity of drainage with time

需要特别说明的是,本试验中每隔2 h对排出液进行一次单独采样并测量其电导率,图8中显示的是每次取样后2 h内的电导率平均值,而非整个试验过程排出液电导率的累计平均值。电导率的上升表明排出液中的离子浓度不断增加,反映了电渗过程中离子从土体中迁移至排出液中的过程。随着试验的进一步进行,排出液的电导率在达到峰值后逐渐趋于平稳,表明阴极区域离子的迁移逐渐减少,对比图7中的排水速率可以发现此时土体也几乎不排水。
利用ICP-OES对排出液中9种阳离子含量进行了检测,结果如表1所示。试验所用淤泥质黏土中Fe3+、Pb2+、Zn2+、Cu2+含量较小、电极采用EKG电极不会引入额外的金属离子,因此在整个试验过程中未检出上述4种离子。对比重力排水中的离子含量可以发现,Mn、Mg、Ca等元素在重力排水中占比较大,且Mg2+和Ca2+的离子浓度分别达到了10 35.76、2 644.21 mg/L,远高于Na+、K+,但在电渗2 h后的排出液中却未检出为主。电渗阴极处发生的电极反应生成OH-会使阴极区域呈碱性环境,Mg2+、Ca2+等离子在碱性环境下易于沉淀,因此2 h后不会随电渗流排出土体。电渗排出液中的阳离子主要为Na+和K+,其浓度随时间的变化见图9。试验前在土中加入了NaCl作为电解质,Na+作为孔隙电解液和排出液中的主要阳离子,其浓度自第4 h开始随时间不断增加,且在12 h达到峰值。同时,电渗排水中的Na+含量自第6 h开始高于重力排水。
表1 排出液中主要阳离子浓度

Table 1 Concentrations of main cations in effluent

试验时间/h 阳离子浓度/(mg·L-1)
Mn2+ K+ Mg2+ Ca2+ Na+
重力排水 18.20 129.22 1 035.76 2 644.21 1 558.18
2 N.D. 61.15 146.98 412.31 1 015.00
4 N.D. 43.82 N.D. N.D. 930.41
6 N.D. 53.20 N.D. N.D. 1 630.17
8 N.D. 65.94 N.D. 1.20 2 569.52
10 N.D. 73.46 N.D. N.D. 3 095.04
12 N.D. 75.18 N.D. N.D. 3 790.69
14 N.D. 35.98 N.D. N.D. 630.45

注:共测试了Fe3+、Mn2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、K+、Mg2+、Ca2+、Na+共计9种离子的浓度,其中各组排出液均未检出Fe3+、Pb2+、Zn2+、Cu2+,故不在表中列出。表中N.D.为未检出(Not Detected)。

图9 排出液中Na+、K+离子浓度

Fig.9 Average concentration of sodium and potassium ions in effluent

将排出液中Na+的平均含量和相应2 h中的电渗排水量相乘可以得到2 h内Na+的排出总量。图10是Na+排出量的趋势图,对比图7可以发现Na+排出量逐渐增加的过程伴随着排水速率的逐渐下降,即电渗排水和Na+的排出并不同步。6~10 h内Na+的排出量最大,这也对应了图4中阴极A3区域的含盐量快速下降。
图10 Na+排出量

Fig.10 Volume of sodium ion effluent volume

综合上述分析可以发现在电渗过程中,水分和盐分的迁移并非完全同步。排水速率在试验的第2 h达到峰值,随后逐渐减小,而Na+的排出速率则是逐渐增加,并在约8 h后达到最高值。这种现象表明,尽管水的排出迅速开始,但Na+的迁移滞后于水的排出,二者的速率曲线呈现明显的时间差异。这是因为可溶性盐的迁移一定程度上依赖于水的排出作为载体,在电渗后期(通常是12 h后),尽管排出液中的Na+浓度较高,但由于总排水量减少,导致Na+的排出速率较前期显著降低。
基于此,在电渗处理中,尤其是针对高含盐量的软土,电渗的总时长不宜过长。排水量曲线中的拐点提供了一个重要参考,可以利用电导率、含盐量和含水量之间的关系,选取合适的参数来预测通电时间。此外,通过预试验的方法确定适宜的通电时长,不仅能提高电渗的效率,还能避免不必要的资源浪费。电渗法在排水的同时还可以有效去除土体中的盐分,从而缓解因高含盐量引发的工程问题。

3 结论

通过电渗室内试验,结合土体电导率与含盐量、含水量变化的经验公式,本文针对海相吹填土以及海塘工程下深厚软土含盐量大导致电渗排水效果较差的问题开展研究,分析电渗过程中高含盐量土体的可溶性盐迁移与分布及其对电渗排水效果的影响,得出以下主要结论:
(1)土体电导率同时受含盐量和含水量影响。电导率随土体含盐量的增长而增加;随含水量的增加,电导率呈先上升后下降的趋势。土体含盐量越高,不同含水量下电导率变化幅度越明显,含盐量变化对土体电导率的影响大于含水量。
(2)通过试验建立了黏土含水量、含盐量与电导率之间的拟合公式,并利用该拟合公式反演了电渗过程中可溶性盐的动态变化。这一方法有效消除了含水量对电导率的影响,为准确评估电渗过程中土体含盐量的变化提供了可靠手段。
(3)阳离子(如Na+、K+等)在电场作用下向阴极迁移,并随孔隙水一同排出土体,导致土体含盐量在电渗过程中发生动态变化。电渗试验结束时,含盐量自阳极至阴极递减。土体中间区域由于阳离子和阴离子在中部交汇,含盐量先上升后下降。
(4)电渗过程中土体的电势分布受含水量和含盐量的影响显著,随着时间推移,各区域电势分布存在差异。含水量和排水速率在不同区域呈现出不均匀的动态变化,最终形成A1<A2<A3的含水量分布。含盐量对电势传导路径及效率影响显著,需在电渗设计中充分考虑其变化规律以优化处理效果。
本研究揭示了高含盐量土体在电渗排水过程中的可溶性盐迁移与分布规律,为高含盐土体的处理提供了新的思路,并对工程实践具有重要的指导意义。具体来说,电渗过程中,当阴极区域土体的含盐量降至极低水平时,可视为一个临界点,超过此点继续通电会导致排水效率显著降低且能耗大幅增加;在电渗设计阶段建议测定土体电导率,并通过预试验的方式评估含盐量与含水量的关系,进而确定通电时间,在实际工程中可以通过电导率来把握土体的整体排水情况。研究成果的推广将有助于推动电渗法在岩土工程领域的应用。

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