透氣真空排水法對(duì)疏浚淤泥表面水的促排作用

周 源,高玉峰

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

我國(guó)河流湖泊分布廣泛,內(nèi)陸江河湖泊的泥沙淤積非常嚴(yán)重.為了改善水質(zhì),建設(shè)港口,浚深加寬航道,需要進(jìn)行大規(guī)模的疏浚清淤作業(yè),不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的淤泥.目前絕大部分內(nèi)陸疏浚淤泥放置于堆泥場(chǎng),廢棄于陸地拋填區(qū)或低洼地區(qū),占用了大量的魚(yú)塘或耕田.疏浚淤泥黏粒含量高、透水性差,在自然靜置自重作用下需要幾年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才能固結(jié)[1-4].疏浚淤泥堆放占地浪費(fèi)了土地資源,也是我國(guó)內(nèi)陸河流、湖泊治理的制約性問(wèn)題之一,其解決的關(guān)鍵是快速排出淤泥中的水分.

疏浚淤泥一般采用堆場(chǎng)自然沉降固結(jié)的方法來(lái)降低水分,通過(guò)淤泥上表面形成的表面水層來(lái)排水,耗時(shí)較長(zhǎng).采用真空排水固結(jié)類(lèi)方法處理疏浚淤泥的關(guān)鍵問(wèn)題是保證排水系統(tǒng)的有效性,這樣才能有效地降低淤泥中的水分,加速固結(jié)[5-6].國(guó)內(nèi)很多工程都采用真空排水固結(jié)類(lèi)方法,但由于疏浚淤泥的黏粒含量一般較高,進(jìn)行常規(guī)真空排水時(shí),排水通道很快會(huì)被淤堵,導(dǎo)致疏浚淤泥排水效果很差.

筆者所在的課題組進(jìn)行了2年多室內(nèi)試驗(yàn)研究[7],成功開(kāi)發(fā)出一種快速高效抽取高含水率疏浚淤泥中水的技術(shù)——透氣真空排水法[8-10],解決了高含水率、高黏粒含量的疏浚淤泥真空排水淤堵問(wèn)題,保證了排水的效果.該方法屬于真空排水固結(jié)法,其主要措施是向真空管道內(nèi)通入一定速率的氣流,降低管道中的真空度,使得濾水界面上有真空度和氣流的共同作用,以解決濾層材料的淤堵問(wèn)題.

透氣真空排水法不僅能迅速抽出大量的水分,而且可以使淤泥中的水分迅速向上排出,形成表面水層.本文進(jìn)行了相同試驗(yàn)條件下的透氣真空排水與自然靜置沉降室內(nèi)模型試驗(yàn),以考察表面水層的增厚情況,以自然靜置沉降法的表面水層厚度作為基準(zhǔn),衡量了透氣真空排水法對(duì)表面水形成的促進(jìn)效果.通過(guò)分析淤泥中固體顆粒的受力情況和絮網(wǎng)斷裂變形,解釋了表面水促進(jìn)排水作用的內(nèi)在機(jī)理.

圖1 透氣真空排水試驗(yàn)裝置全貌Fig.1 Test devices for aeration vacuum dewatering

1 透氣真空排水試驗(yàn)

采用可以同時(shí)控制真空度和透氣速率的透氣真空排水室內(nèi)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)儀器主要由模型箱、真空泵、飽和缸、流量計(jì)、電子秤和鍍鋅打孔管道構(gòu)成,如圖1所示.模型箱用來(lái)盛放疏浚淤泥試樣,真空泵、飽和缸以及鍍鋅管道之間用抗壓軟管連接,真空度通過(guò)鍍鋅打孔管道傳遞到淤泥試樣中.在鍍鋅打孔管道外側(cè)包裹一層過(guò)濾材料,保護(hù)淤泥中土顆粒不流失.飽和缸放置在電子秤上,實(shí)時(shí)對(duì)抽入到飽和缸中的物質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行稱重,在透氣球閥外側(cè)加裝可以精確控制氣流速率的玻璃轉(zhuǎn)子氣體流量計(jì).當(dāng)真空泵工作時(shí),飽和缸中的空氣被抽出,從而產(chǎn)生了真空負(fù)壓.真空負(fù)壓通過(guò)鍍鋅打孔管道傳遞到淤泥試樣中,于是淤泥中的水分被抽到飽和缸中,電子秤時(shí)刻記錄飽和缸的質(zhì)量.

試驗(yàn)淤泥試樣取自南水北調(diào)東線工程江蘇淮安白馬湖疏浚淤泥堆場(chǎng),其基本物理指標(biāo)為:初始含水率240%,液限60.8%,塑限26.8%,砂粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.05%,粉粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)58.81%,黏粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)34.14%,土粒相對(duì)密度2.56.顆粒分布曲線見(jiàn)圖2,試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 白馬湖疏浚淤泥顆分曲線Fig.2 Particle size distribution of samples from Baima Lake

表1 透氣真空排水試驗(yàn)參數(shù)及疏浚淤泥的表面排水情況Table 1 Conditions of the aeration vacuum dewatering model tests and Thickness,increase rate of the surface-water

透氣真空排水試驗(yàn)周期為7d,在試驗(yàn)過(guò)程結(jié)束后記錄模型箱內(nèi)表面水層厚度的變化,見(jiàn)表1.

2 自然靜置沉降試驗(yàn)

自然靜置沉降試驗(yàn)采用相同的模型箱和相同初始含水率的淤泥試樣進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)過(guò)7d后,測(cè)量表面水層的厚度為4.4cm,以此作為透氣真空排水試驗(yàn)下表面水層厚度的對(duì)照基準(zhǔn).透氣真空排水試驗(yàn)排出表面水的厚度均大于自然靜置沉降試驗(yàn)排出表面水的厚度,如圖3所示.各透氣真空排水試驗(yàn)表面水層厚度比自然靜置沉降試驗(yàn)厚度的提高率(指透氣真空排水試驗(yàn)表面水層厚度的提高值與自然靜置沉降試驗(yàn)表面水層厚度的比值)見(jiàn)表1.

3 透氣真空作用下的顆粒受力分析

圖3 透氣真空試驗(yàn)與自然靜置沉降試驗(yàn)表面水層厚度比較Fig.3 Comparison of surface-water thickness between aeration vacuum dewatering and natural sediment tests

自然靜置沉降試驗(yàn)中模型箱四周及底面均不設(shè)置排水系統(tǒng),土體唯一的排水邊界是頂部,水分通過(guò)淤泥層的上界面向土體外滲流,淤泥和清水界面逐漸下降,土體被壓密固結(jié).透氣真空排水試驗(yàn)中模型箱底部設(shè)置透氣真空排水管,土體有上下2個(gè)排水面,除了淤泥層頂部排水以外,可以通過(guò)帶有真空排水管的負(fù)壓層排水,加上滲流路徑縮短,致使淤泥中的水分迅速排出,土體被壓密固結(jié).

透氣真空排水試驗(yàn)中,淤泥中的水分會(huì)向下移動(dòng),被很快抽出到真空排水管中.淤泥中的水分與淤泥固體顆粒之間存在強(qiáng)烈的滲流作用,如圖4所示,固液兩相之間存在較大的相對(duì)速度,根據(jù)二相流體理論,兩者之間會(huì)產(chǎn)生較大的作用力,稱為拖拽力.

在模型箱底部,土顆粒較為密集,移動(dòng)變形困難,水分向下滲流速度大于土顆粒下沉速度,因而土顆粒受到的拖拽力方向向下,同時(shí)兩者相對(duì)速度較大,拖拽力大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小成正比,因此拖拽力也較大;在頂部,水分向下滲流速度較小,土顆粒較為稀疏,自重作用下的沉降速度較快,土顆粒下沉速度大于水分向下滲流速度,因而土顆粒受到的拖拽力方向向上,同時(shí)兩者相對(duì)速度較小,因此拖拽力也較小.

由此可以看出,透氣真空排水試驗(yàn)中淤泥水分滲流速度下大上小,土顆粒下沉速度下小上大,必然存在一個(gè)平面,該平面上的水分向下滲流速度等于土顆粒下沉速度,兩者之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng),不存在拖拽力,稱之為等速界面.在等速界面之上,拖拽力方向向上;等速界面之下,拖拽力方向向下.拖拽力的大小與相對(duì)滲流速度成正比,等速界面附近的拖拽力很小,遠(yuǎn)離等速界面后,拖拽力逐漸變大.

圖4 土顆?？紫端鄬?duì)滲流方向與拖拽力方向Fig.4 Pore water in soil particles against directions of relative seepage and drag force

3.1 自然靜置沉降試驗(yàn)中土顆粒的受力分析

在自然靜置沉降過(guò)程中土顆粒之間的距離較大,因此可以忽略土顆粒之間的相互作用,理論上土顆粒只受自重和浮力的作用;由于向下運(yùn)動(dòng),土顆粒還會(huì)受到液體的黏滯力以及向上滲流拖拽力的阻礙作用,如圖5(a)所示.

圖5 土顆粒的受力分析Fig.5 Stresses acting on soil particles for natural sediment and aeration vacuum dewatering tests

3.2 透氣真空作用下沉降過(guò)程中土顆粒的受力分析

透氣真空排水過(guò)程中土顆粒除了同樣受到自然靜置沉降中土顆粒所受的作用之外,在等速界面以下,由于運(yùn)移速度小于水分滲流速度,因而受到向下滲流拖拽力的作用.拖拽力是促進(jìn)土顆粒沉降的推動(dòng)力,如圖5(b)所示.

4 透氣真空排水法促排作用機(jī)理分析

4.1 “絮凝-斷裂”壓縮過(guò)程

高含水率淤泥中含有大量的細(xì)顆粒,在很短的時(shí)間內(nèi)多個(gè)細(xì)顆粒會(huì)連結(jié)在一起形成絮團(tuán)[11-12].絮團(tuán)是不穩(wěn)定的,絮團(tuán)中的細(xì)顆粒會(huì)斷裂分離出去,也會(huì)有新的細(xì)顆粒連結(jié)進(jìn)來(lái).大小不同的絮團(tuán)在下沉過(guò)程中不斷調(diào)整自身大小和沉降速度,最終會(huì)趨于一個(gè)相近的大小和相近的沉降速度,也就是說(shuō)絮團(tuán)與絮團(tuán)之間幾乎沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng).因此在沉降作用開(kāi)始一段時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)清晰的泥水分界面[13],界面之下的絮團(tuán)沉降速度相同.如若淤泥中顆粒濃度足夠高,絮團(tuán)就會(huì)進(jìn)一步連結(jié)形成絮網(wǎng).絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)非常脆弱.含有細(xì)顆粒的淤泥在形成絡(luò)合絮凝結(jié)構(gòu)后,絮凝體按著同一個(gè)速度整體下沉壓密.

雖然土顆粒間形成了一定的連接形式[14-15],但是在擾動(dòng)作用力以及自重作用下,這些連接關(guān)系可能被打破[16-17],也可能再連接.因此在額外拖拽力的作用下,這些軟弱的連接仍然可能斷裂成單個(gè)的顆?；蛘咝跄瑪?單個(gè)顆?？梢岳^續(xù)自由沉降運(yùn)動(dòng),選擇一個(gè)更為穩(wěn)定致密的位置沉積下來(lái);而絮凝片斷會(huì)尋找一個(gè)更加穩(wěn)定位置形成新的絮網(wǎng)連接.絮網(wǎng)在不斷的“斷裂-連結(jié)”過(guò)程中體積逐步減小,絮網(wǎng)的這種運(yùn)動(dòng)變形過(guò)程其實(shí)是壓密的過(guò)程,其中的水分從泥水分界面析出.

顯而易見(jiàn),透氣真空排水法中額外的拖拽力造成了絡(luò)合絮凝結(jié)構(gòu)某些顆?；蛘咂瑪嗟臄嗔衙撾x,使得土顆粒更加迅速地下沉,孔隙水更加暢通地運(yùn)移,因此排水過(guò)程包含“斷裂-膠結(jié)”的骨架壓密運(yùn)動(dòng),相同時(shí)間達(dá)到的沉降量必然大于自然靜置沉降試驗(yàn)中單純的整體骨架壓密引起的沉降量.

4.2 透氣真空排水試驗(yàn)淤泥層下部的“抽空”效應(yīng)

透氣真空排水試驗(yàn)中等速界面之下的土體由于受到更大的拖拽力的作用,土體中的孔隙水被很快抽出而發(fā)生固結(jié),所以該層淤泥體積減小很快.該層之上的淤泥層由于下部支撐層的體積減小而迅速下沉.在形成整體絮凝骨架的淤泥層中,由于下部孔隙水、土顆粒被抽出,原本的支撐結(jié)構(gòu)變得疏松脆弱,空隙增大,已經(jīng)不能再繼續(xù)維持原來(lái)的承載能力,上部淤泥骨架在重力作用下會(huì)很快下沉.

而在自然靜置沉降試驗(yàn)中,下部的孔隙水以及土顆粒濃度只會(huì)越來(lái)越高,上部絮凝結(jié)構(gòu)下降的阻力會(huì)越來(lái)越大.因此在透氣真空排水試驗(yàn)中,土體骨架下沉的速度遠(yuǎn)大于自然靜置沉降試驗(yàn)土體骨架沉降速度.

綜上所述,透氣真空排水試驗(yàn)淤泥層沉降速度快于自然靜置沉降試驗(yàn)中的速度,雖然土體中的水也向下滲透排出,但是由于額外的拖拽力作用,土體骨架向下體積壓密變形的速度大于所含水分體積抽出速度,因此這部分差額體積水分通過(guò)上排水面排出土體,土體骨架下降壓縮的體積總是大于被真空吸力抽排出來(lái)的水的體積.雖然水的總體趨勢(shì)是向下移動(dòng),但是由于固相液相速度的差異,宏觀上看來(lái)表面水層厚度是增加的.

5 結(jié) 語(yǔ)

透氣真空排水試驗(yàn)表面水層加厚速度大于自然靜置沉降試驗(yàn)表面水層加厚速度,試驗(yàn)結(jié)束時(shí),透氣真空排水試驗(yàn)表面水層的厚度要大于自然靜置沉降試驗(yàn)表面水層的厚度,這稱為表面水促排作用.表面水促排作用有利于縮短淤泥的排水固結(jié)過(guò)程.

表面水促排作用產(chǎn)生的原因有3點(diǎn):(a)透氣真空排水法中有2個(gè)排水界面,且排水滲徑較短;(b)透氣真空排水試驗(yàn)中等速界面下的土顆粒受到向下拖拽力的作用,而自然靜置沉降試驗(yàn)淤泥層中土顆粒受到向上拖拽力的作用;(c)在向下的拖拽力的作用下,透氣真空排水試驗(yàn)中土顆粒存在“絮凝-斷裂”壓縮過(guò)程和“抽空”效應(yīng),因此透氣真空排水試驗(yàn)中土骨架向下體積壓密的速度大于自然靜置沉降試驗(yàn)土骨架向下體積壓密的速度,在宏觀上表現(xiàn)為透氣真空排水法的表面水層厚度大于自然靜置沉降法的表面水層厚度.

[1]HONG Z,LIU S,SHEN S,NEGAMI T.Comparison in undrained shear strength between undisturbed and remolded Ariake clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2006,132(2):272-275.

[2]CAR GILL K W.Prediction of consolidation of very soft soil[J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1984,10(6):775-795.

[3]ROWE R K,GNANENDRAN C T,LANDVA A O,et al.Calculated and observed behaviors of a reinforced embankment over soft compressible soil[J].Canada Geotechnical Journal,1996,32(2):324-338.

[4]DENG D.Comparison of remolded shear strengthwith intrinsic strength line for dredged deposits[J].China Ocean Engineering,2007,21(2):363-369.

[5]HAEGEMAN W,VAN IMPE W F.Filtration performance testing of geotextiles for vacuum consolidation drains[J].Geosynthetics International,1999,6(1):41-51.

[6]KOERNER G R,KOERNER R M.Leachate flow rate behavior through geotextile and soil filters and possible remediation methods[J].Geotextiles&Geomembranes,1992,11(4/6):401-430.

[7]鄧東升,洪振舜,劉傳俊,等.低濃度疏浚淤泥透氣真空泥水分離模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(2):250-253.(DENG Dong-sheng,HONG Zhen-shun,LIU Chuan-jun,et al.Large-scale model tests on dewater of dredged clay by use of ventilating vacuum method[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(2):250-253.(in Chinese))

[8]鄧東升,洪振舜,朱偉,等.高含水量疏浚淤泥堆場(chǎng)透氣真空快速泥水分離方法:中國(guó),200710132092.9[P].2007-10-13.

[9]劉傳俊.白馬湖疏浚淤泥透氣真空快速泥水分離試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),2008.

[10]劉傳俊,周源,吉鋒.高含水量疏浚淤泥快速泥水分離技術(shù)試驗(yàn)研究[EB/OL].[2008-05-17].http://www.paper.edu.cn/paper.php?serial_number.html.

[11]黃建維.黏性泥沙在靜水中沉降特性的試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,1981(2):30-41.(HUANG Jian-wei.Experimental study of settling properties of cohesive sediment in still water[J].Journal of Sediment Research,1981(2):30-41.(in Chinese))

[12]DERJAGUIN B V,LANDAU L D.Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly chargedparticles in solutions of electrolytes[J].Acta Physicochim,URSS,1941,14:633-662.

[13]CAMP T R,STEIN P C.Velocity gradients and internalwork in fluidmotion[J].Journal of Boston Society of Civil Engineering,1943,30:110-117.

[14]MERCKELBACH L M,KRANENBURG C.Determining effective stress and permeability equations for soft mud from simple laboratory experiments[J].Geotechnique,2004,54(9):581-591.

[15]EINSTEIN H A,KRONE R B.Experiment to determine modes of cohesive sediment transport in salt water[J].Journal of Geophysical Research,1962,67(4):1451-1461.

[16]楊美卿,錢(qián)寧.紊動(dòng)對(duì)細(xì)泥沙漿液絮凝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)[J].水利學(xué)報(bào),1986(8):21-30.(YANG Mei-qing,QIAN Ning.The effect of turbulence on the flocculent structure of the slurry of fine grains[J].Journal of Hydraulic Engineering,1986(8):21-30.(in Chinese))

[17]馮騫,薛朝霞,汪歲羽,等.水流剪切力對(duì)活性污泥特性影響的試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(4):374-377.(FENG Qian,XUE Zhao-xia,WANG Hui,et al.Experimental study on influence of hydrodynamic shear stress on characteristics of activated sludge[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2006,34(4):374-377.(in Chinese))