快速泥水分離技術(shù)處理疏浚泥效果分析

李 輝 沈敏怡 張振田

（1.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司 江蘇 揚(yáng)州 225002；2.東南大學(xué)，江蘇 南京，210096；3.江蘇水利廳，江蘇 南京，210029 ）

我國內(nèi)陸河流、湖泊每年都會(huì)產(chǎn)生大量疏浚泥，在內(nèi)陸河道疏浚工程中常用的疏浚方法包括絞吸式、耙吸式、水力沖挖式等，此類疏浚方法效率高，但是產(chǎn)生的疏浚泥含水率很高，由于疏浚泥具有含水率高、粘粒含量高、滲透性低、排水固結(jié)時(shí)間長等特點(diǎn) ，排泥場處理時(shí)需要占用大量土地。為了提高排泥場利用率，減小土地占用面積、縮短占用時(shí)間，需要對疏浚泥進(jìn)行處理。

現(xiàn)有研究表明，快速泥水分離技術(shù)能夠在排泥場吹填過程中快速排除疏浚泥中含有的大量水分，將疏浚泥的含水率快速降低，同時(shí)能夠快速排除排泥場的表面水，消除排泥場設(shè)計(jì)需要考慮0.5m沉淀富裕水深和0.5m風(fēng)浪超高的影響，通過在施工期內(nèi)排除排泥場表面水和大幅度降低疏浚泥中的含水率，大幅度提高排泥場的庫容利用率。但是快速泥水分離技術(shù)降低疏浚泥含水率和快速提高排泥場承載力的效果還有待研究。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場地位于泰州市與揚(yáng)州市交界處的泰州引江河，引江河南起長江，北接新通揚(yáng)運(yùn)河，全長23.846km。為了滿足通航引流要求，開展泰州引江河二期工程，對河道進(jìn)一步浚深。在這之前，課題組開展了現(xiàn)場大尺寸泥水分離模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)坑設(shè)置于砂土段的西9排泥場，試驗(yàn)坑圍堰依填筑的土源采用前期工程的疏浚土，圍堰填筑高度為4m，內(nèi)邊坡1：2，外邊坡1：3，頂寬2m，底寬22m，試驗(yàn)坑底長22m，底寬6m，試驗(yàn)坑占地面積3200m2，試驗(yàn)坑平面圖分別如圖1所示。

排水系統(tǒng)沿著試驗(yàn)坑長度方向布設(shè)3排直徑為20cm的塑料盲溝，各排盲溝間距為3.0m，每排盲溝有5根，互相的間距分別為3.0m、3.0m、4.0m和5.0m，另外，在每排盲溝布設(shè)起始處的圍堰邊坡上斜向布設(shè)一根盲溝，整個(gè)試驗(yàn)坑共布設(shè)盲溝18根，每根盲溝外套一層100目的聚酰胺的纖維反濾材料，在每排盲溝的底部設(shè)置一根主動(dòng)排水的PVC管，PVC管和盲溝使用土工布密閉連接，各排PVC管在排水末端和設(shè)置雜圍堰底部的主動(dòng)排水管連接。排水系統(tǒng)布設(shè)完成后的照片如圖2所示。

吹填泥漿的初始含水率在250%～85%之間，約為土體液限的2.8～7.8倍。對沖漿土多次取樣測試其基本物理指標(biāo)，見表1。沖漿土的液限僅為32.4%，且砂粒成分達(dá)到46.9%，而粘粒含量僅為6.1%，依據(jù)水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）對土的分類，為含砂粒低液限粉土。

圖1 試驗(yàn)場地平面圖

圖2 排水系統(tǒng)布置完成后

圖3 試驗(yàn)坑內(nèi)泥面和水面隨間的變化曲線

圖4 吹填結(jié)束后1天坑內(nèi)表面土層開裂

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面水的排出情況

圖3給出了試驗(yàn)坑內(nèi)泥面和水面隨時(shí)間的變化曲線，在吹填過程中和吹填后，試驗(yàn)坑內(nèi)基本無表面水，吹填后泥面沉降很快達(dá)到穩(wěn)定。

需要指出的是，在吹填后1天，坑內(nèi)表層土體發(fā)生明顯開裂（如圖4所示），這表明了表層土體已經(jīng)處于非飽和狀態(tài)。

由此可見，快速泥水分離技術(shù)能夠快速排除排泥場表面水，因此在排泥場設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮0.5m的富裕水深和0.5m的風(fēng)浪超高影響。排泥場表面水的快速排除同時(shí)也降低了滲透坡降，提高了圍堰的滲流穩(wěn)定性。

圖5 主動(dòng)排水管累計(jì)排水量隨時(shí)間的變化

圖6 吹填結(jié)束后含水率變化情況

圖7 吹填第6天測試場地不排水強(qiáng)度隨深度的變化

圖8 吹填第8天測試場地不排水強(qiáng)度隨深度的變化

圖9 場地平均地基承載力隨時(shí)間變化規(guī)律

2.2 排泥場內(nèi)疏浚泥含水率分布規(guī)律

快速排除疏浚土中含有的大量的自由水，降低疏浚土的含水率是解決圍堰防滲問題的關(guān)鍵。

每天沖漿土方量控制在150m3附近，總共吹填8天，試驗(yàn)坑泥漿吹填至3.5m高度時(shí)，累計(jì)吹入試驗(yàn)坑的土方量為1270m3，吹填結(jié)束時(shí)試驗(yàn)坑內(nèi)的土方量為1350m3，換算松散系數(shù)為1.06。

圖5顯示了總排水量隨時(shí)間的變化

曲線，排水主要發(fā)生在吹填施工期間，吹填結(jié)束后排水總量只占總排水量的不足4%。因此，泥水分離效果對提高排泥場的有效利用率有很大的影響。

圖6表示的是吹填結(jié)束后表層0.3m范圍的含水率變化情況。從圖中可以看到，在吹填結(jié)束后1天，表層0.3 m范圍內(nèi)的疏浚土的含水率即可降低至液限（32%）附近。吹入的泥漿經(jīng)過24小時(shí)的泥水分離已經(jīng)能夠形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且具備了一定的保持水分不流失的能力。

由此可見，快速泥水分離技術(shù)能夠在吹填過程中快速地排除疏浚土中含有的大量的自由水，快速降低疏浚土的含水率，大大減少了疏浚土中的水分滲入圍堰內(nèi)，提高了圍堰的滲流穩(wěn)定性；同時(shí)，這也就意味著在排泥場面積一定的條件下可以大幅度降低吹填的高度，同時(shí)也就降低了圍堰邊坡的滲流壓力，同樣有利于提高圍堰邊坡滲流穩(wěn)定。

2.3 土體不排水強(qiáng)度

為了測試吹填后試驗(yàn)場地的地基承載力，進(jìn)行了十字板剪切試驗(yàn)測試場地的不排水強(qiáng)度。圖7和圖8分別給出了吹填第6天和吹填第8天的不排水強(qiáng)度測試結(jié)果，從圖中可以看到，坑內(nèi)土體不排水強(qiáng)度在深度方向總體呈現(xiàn)出隨深度逐漸增長的規(guī)律，這主要是由于越深處的吹填泥漿較早的吹入試驗(yàn)坑內(nèi)，其泥水分離時(shí)間較長，且上覆固結(jié)壓力越大，致使下部土體強(qiáng)度相對較高。在深度超過0.5m后，土體不排水強(qiáng)度超過8kPa，而0.5m深度處的吹填土是1天前吹入試驗(yàn)坑的。由此可見，吹填泥漿的不排水強(qiáng)度能夠在短時(shí)間內(nèi)得到快速增長。

根據(jù)《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）推薦的地基承載力預(yù)測公式，如式（1）所示：

式中：[fa]—軟土地基承載力容許值；

m—抗力修正系數(shù)，可視軟土靈敏度及基礎(chǔ)長寬比等因素選用1.5～2.5；

Cu—地基土的不排水抗剪強(qiáng)度；

Kp—系數(shù)（大于1）；

γ2h—考慮基礎(chǔ)埋深的深度修正。

由十字板原位測試可知，疏浚土固結(jié)后靈敏度不高，取m=2，Kp=1，不考慮深度修正。

圖9給出了吹填結(jié)束后場地地基平均承載力和時(shí)間的關(guān)系，從圖中可以看到，吹填結(jié)束后2天，地基平均承載力就超過8噸，達(dá)到正常上人的承載力要求，到了13天地基平均承載力進(jìn)一步增長到18噸。

表1 沖漿土源的基本物理指標(biāo)

3 結(jié)論

（1）泥水分離排水系統(tǒng)能夠快速排除排泥場表面水，試驗(yàn)結(jié)果表明，在排泥場庫容設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮富裕水深和風(fēng)浪超高的影響，為大幅度降低排泥場高度的設(shè)計(jì)提供理論支撐與依據(jù)；

（2）泥水分離排水系統(tǒng)能夠在吹填期間快速排除泥漿中水分，吹填結(jié)束后1天，表層0.3 m范圍內(nèi)的疏浚土的含水率即可降低至液限（32%）附近；

（3）吹填過程中，吹填泥漿的不排水強(qiáng)度能夠在短時(shí)間內(nèi)得到快速增長，排泥場表層0.5m以下土層的不排水強(qiáng)度超過8kPa，地基承 載力為2噸；吹填結(jié)束后2天，排泥場地基承載力就超過8噸，達(dá)到正常上人的承載力要求。

水利部太湖流域管理局，太湖污泥底泥疏浚規(guī)劃總報(bào)告[R].2006.

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