南水北調(diào)東線工程3個(gè)疏浚泥堆場(chǎng)踏勘調(diào)查及試驗(yàn)

吳學(xué)春,孫衣春,丁建文,吉 鋒

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210029;2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096)

南水北調(diào)工程是緩解我國(guó)北方地區(qū)水資源短缺、實(shí)現(xiàn)水資源合理配置的重大基礎(chǔ)設(shè)施工程,河道疏浚在南水北調(diào)東線工程中占有很大比例。內(nèi)陸河道中疏浚泥的處理通常是沿線征用土地,修筑圍堰,將疏浚泥排放到堆場(chǎng)(亦稱(chēng)排泥場(chǎng))中。據(jù)南水北調(diào)東線一期工程可行性研究報(bào)告,東線江蘇段土方開(kāi)挖達(dá)20334.85萬(wàn)m3,棄土所需的永久性占地達(dá)1467hm2[1]。目前,不少學(xué)者對(duì)疏浚淤泥的資源化處理[2-5]和堆場(chǎng)的防滲環(huán)保[6-7]進(jìn)行了研究,但對(duì)疏浚泥堆場(chǎng)工程性狀的調(diào)查研究較少。對(duì)已有疏浚泥堆場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查是了解現(xiàn)有堆場(chǎng)處置技術(shù)和施工方法優(yōu)缺點(diǎn)的重要手段,也是開(kāi)發(fā)堆場(chǎng)處置新技術(shù)和盡快復(fù)墾利用堆場(chǎng)的重要基礎(chǔ)。為掌握疏浚泥堆場(chǎng)的現(xiàn)狀和工程特性,為后期堆場(chǎng)的處置利用提供參考,本文對(duì)南水北調(diào)東線工程江蘇段3個(gè)疏浚泥堆場(chǎng)進(jìn)行踏勘調(diào)查、原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn),分別是江都東西閘之間河道疏浚泥堆場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)江都堆場(chǎng)),高郵三陽(yáng)河河道工程Ⅴ標(biāo)、Ⅵ標(biāo)、Ⅶ標(biāo)疏浚泥堆場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三陽(yáng)河堆場(chǎng))和淮安四站輸水河道白馬湖穿湖段3號(hào)疏浚泥堆場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)白馬湖堆場(chǎng))。

1 江都堆場(chǎng)踏勘調(diào)查與試驗(yàn)

1.1 堆場(chǎng)概況

江都東西閘之間河道疏浚工程位于江都市新通揚(yáng)運(yùn)河河口,是南水北調(diào)東線江都站改造工程的一個(gè)子項(xiàng)目。堆場(chǎng)布置在河道南岸,主要利用已有溝塘來(lái)儲(chǔ)存疏浚土,堆場(chǎng)東西向長(zhǎng)度約為850m,寬度為90～140m,容積為70萬(wàn)m3。堆場(chǎng)圍堰土質(zhì)為砂性土,滲透系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10-4cm/s,為防止?jié)B透破壞,在堆場(chǎng)圍堰內(nèi)坡側(cè)面鋪設(shè)1層防滲膜,泥面吹到1 m左右后在底部增設(shè)1層防滲膜。河道疏浚采用絞吸式挖泥船施工,疏浚土方共計(jì)56萬(wàn)m3左右,2007年1月河道疏浚施工結(jié)束。

1.2 堆場(chǎng)踏勘調(diào)查與試驗(yàn)

1.2.1 踏勘調(diào)查

疏浚施工結(jié)束10個(gè)月后通過(guò)對(duì)江都堆場(chǎng)的踏勘調(diào)查發(fā)現(xiàn):由于在吹填過(guò)程中粗顆粒在吹泥口附近堆積,因此堆場(chǎng)形成了西高東低的總體地形特征。堆場(chǎng)東部疏浚土含水率相對(duì)較高,雜草叢生,表層強(qiáng)度很低,如圖1(a)所示;而堆場(chǎng)西部疏浚土含水率相對(duì)較低,地基承載力相對(duì)較高,大多已被附近居民開(kāi)墾為農(nóng)田,如圖1(b)所示。整個(gè)堆場(chǎng)局部洼地有積水現(xiàn)象。另外,現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖探坑發(fā)現(xiàn),江都堆場(chǎng)疏浚土的成分較復(fù)雜,以黏性土為主,夾有不少粉土和粉砂,且土性分層分塊現(xiàn)象比較明顯。

圖1 江都堆場(chǎng)現(xiàn)狀

1.2.2 顆分試驗(yàn)

對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)疏浚土取樣進(jìn)行顆分試驗(yàn),以分析絞吸式疏浚施工對(duì)土顆粒粒度分布的影響,并為進(jìn)一步分析不同土顆粒大小對(duì)堆場(chǎng)工程特性的影響提供理論基礎(chǔ)。顆分試驗(yàn)采用英國(guó)馬爾文(Malvern)公司生產(chǎn)的Mastersizer Micro(MAF5000)激光衍射粒度儀測(cè)定,堆場(chǎng)表層土顆分曲線見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),疏浚泥堆場(chǎng)由西向東土顆?？傮w分布越來(lái)越細(xì),即顆粒大小隨著距吹泥口距離的增大而明顯減小,說(shuō)明絞吸式疏浚施工中的水力分選作用是顯著的。彭濤等[8]通過(guò)對(duì)吹填淤泥的工程地質(zhì)特性研究后指出,動(dòng)水環(huán)境下粗粒物質(zhì)多在吹淤口附近沉積,細(xì)粒物質(zhì)在遠(yuǎn)離吹淤口處沉積,與本文試驗(yàn)得出的變化規(guī)律一致。

圖2 堆場(chǎng)表層土顆分曲線

1.2.3 原位測(cè)試

疏浚施工結(jié)束1a后,為進(jìn)一步掌握江都堆場(chǎng)疏浚土的工程力學(xué)特性,在堆場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了3孔十字板剪切試驗(yàn)和8孔靜力觸探試驗(yàn)。因堆場(chǎng)東部強(qiáng)度很低,原位測(cè)試設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng),故測(cè)點(diǎn)主要分布在堆場(chǎng)中部和西部,僅在東部挑選了地勢(shì)和強(qiáng)度相對(duì)較高的一處進(jìn)行1孔十字板剪切試驗(yàn)和1孔靜力觸探試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,由表1可見(jiàn),疏浚泥堆場(chǎng)吹填土屬于中等靈敏土,疏浚土的剪切強(qiáng)度由西向東明顯降低,與顆粒分布的規(guī)律基本吻合,進(jìn)一步說(shuō)明了粗顆粒土較細(xì)顆粒土固結(jié)快、強(qiáng)度增長(zhǎng)快。

東部J2孔和西部J7孔的靜力觸探曲線(CPT曲線)分別如圖3和圖4所示(因堆場(chǎng)3～4m深處鋪有防滲膜,故圖中曲線出現(xiàn)突變)。由靜力觸探曲線可知,除表層硬殼層(自表面往下0～0.2m左右)外,新近疏浚吹填土的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于一般淤泥土,其錐尖阻力僅有 0.05～0.18 MPa,側(cè)阻力為1.0～3.5 kPa,而JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》推薦的淤泥中樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值為12～20kPa[9]。靜力觸探結(jié)果亦表明,位于西部吹泥口附近的J7孔的疏浚吹填土強(qiáng)度明顯大于位于東部的J2孔的疏浚吹填土強(qiáng)度,更進(jìn)一步說(shuō)明了吹泥口的位置對(duì)疏浚土的工程力學(xué)特性有較大影響。

表1 現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖3 東部J2孔CPT曲線

圖4 西部J7孔CPT曲線

通過(guò)對(duì)江都堆場(chǎng)的踏勘調(diào)查和試驗(yàn)可以得出:①絞吸式疏浚施工中的水力分選作用顯著,粗顆粒在吹泥口附近堆積,造成疏浚泥堆場(chǎng)在高程和承載力上均表現(xiàn)為距離吹泥口越遠(yuǎn)數(shù)值越低;②靜力觸探結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖調(diào)查表明,堆場(chǎng)表層經(jīng)自然晾曬后形成厚度為0.1～0.3m的硬殼層,具有相對(duì)較高的強(qiáng)度,為堆場(chǎng)后續(xù)處理提供了很大方便;③堆場(chǎng)東部黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的疏浚泥強(qiáng)度明顯較低。

2 三陽(yáng)河堆場(chǎng)踏勘調(diào)查

2.1 堆場(chǎng)概況

三陽(yáng)河河道拓浚是南水北調(diào)東線工程江蘇段第一批開(kāi)工項(xiàng)目,工程位于江蘇省高郵市境內(nèi)里下河地區(qū),疏浚施工集中在三陽(yáng)河Ⅴ標(biāo)、Ⅵ標(biāo)和Ⅶ標(biāo),棄土沿河道東岸呈條帶狀布置,2005年3月疏浚施工結(jié)束。

2.2 踏勘調(diào)查

疏浚施工結(jié)束2.5 a后2次到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn),綿延近8km長(zhǎng)的三陽(yáng)河堆場(chǎng)雖然存在局部低洼積水和表層松軟現(xiàn)象,但總體上地勢(shì)較高,遠(yuǎn)高出周?chē)孛婧吐访?且絕大部分場(chǎng)地已經(jīng)過(guò)初步整平并進(jìn)行植樹(shù)綠化,表層相對(duì)比較干燥,調(diào)查后認(rèn)為堆場(chǎng)強(qiáng)度總體較高,不僅人可以在上面行走,而且小型輕型機(jī)械也能在其上施工,采用干法施工后三陽(yáng)河堆場(chǎng)現(xiàn)狀如圖5(a)所示。調(diào)查過(guò)程中亦遇到少量水下方疏浚情況,雖然經(jīng)過(guò)幾年的沉積,但還只是在表層形成厚度約為0.2m的硬殼層,人勉強(qiáng)可以在上面行走,但施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)入,絞吸式疏浚施工后三陽(yáng)河堆場(chǎng)如圖5(b)所示。分析認(rèn)為,三陽(yáng)河堆場(chǎng)工程性質(zhì)總體較好,主要是有以下3個(gè)方面的原因:①堆場(chǎng)形成時(shí)間較長(zhǎng),長(zhǎng)期自然蒸發(fā)和土體自重固結(jié)作用使堆場(chǎng)表層具有相對(duì)較高的強(qiáng)度;②疏浚方式以陸上開(kāi)挖、干法施工為主,水下絞吸式疏浚施工相對(duì)較少;③堆場(chǎng)管理到位,綠化及時(shí),有利于疏浚泥堆場(chǎng)的盡快復(fù)墾利用。

圖5 三陽(yáng)河堆場(chǎng)現(xiàn)狀

3 白馬湖堆場(chǎng)踏勘調(diào)查與試驗(yàn)

3.1 堆場(chǎng)概況

淮安四站輸水河道工程位于洪澤湖下游白馬湖地區(qū),工程范圍包括淮安市楚州區(qū)、揚(yáng)州市寶應(yīng)縣及江蘇省白馬湖農(nóng)場(chǎng),是南水北調(diào)東線工程的重要組成部分。其中,白馬湖穿湖段進(jìn)行了2次湖底淤泥疏浚施工,前后相隔1a左右,均采用絞吸式挖泥船疏浚施工:第1次是湖中圍堰基礎(chǔ)及滾水堰基礎(chǔ)淤泥疏浚,于2007年4月結(jié)束;第2次是白馬湖穿湖段抽槽施工,于2008年5月疏浚施工結(jié)束。

3.2 踏勘調(diào)查

疏浚施工結(jié)束8個(gè)月后現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn),整個(gè)堆場(chǎng)高程相差極大,在吹泥口由于粗顆粒迅速沉淀,形成小土丘,遠(yuǎn)高于堆場(chǎng)圍堰和周?chē)访?人可以在上面行走,但遠(yuǎn)離吹泥口處高程和強(qiáng)度急劇降低,處于水面以下,形成一片汪洋。這與彭濤等[8]提出的吹填分選使造陸區(qū)形成了2個(gè)不同的沉積單元(微三角洲形吹填砂區(qū)和吹填淤泥區(qū))的結(jié)論十分類(lèi)似。白馬湖堆場(chǎng)現(xiàn)狀見(jiàn)圖6。

圖6 白馬湖堆場(chǎng)現(xiàn)狀

3.3 室內(nèi)土工試驗(yàn)

從白馬湖堆場(chǎng)中取疏浚泥進(jìn)行試驗(yàn),其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:含水率 w=118.5%,液限 w L=88.0%,塑限 w p=38.0%,塑性指數(shù) I p=50.0,砂粒(＞0.074mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%,粉粒(0.005～0.074mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.2%,黏粒(＜0.005mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.3%,相對(duì)體積質(zhì)量Gs=2.65,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%。根據(jù)土的分類(lèi)方法,屬高液限黏土。白馬湖疏浚泥細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高,達(dá)到95.5%,液限高達(dá)88.0%。需要指出的是,淤泥取樣是在吹填結(jié)束后8個(gè)月進(jìn)行的,而且取自堆場(chǎng)近表層,其含水率仍然高達(dá)液限的1.35倍,說(shuō)明黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的疏浚泥排水性能差,自重固結(jié)慢,若不進(jìn)行處理將長(zhǎng)期占用堆場(chǎng)土地資源。

通過(guò)對(duì)白馬湖堆場(chǎng)的踏勘調(diào)查和室內(nèi)土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與江都堆場(chǎng)和三陽(yáng)河堆場(chǎng)顯著不同的是,白馬湖堆場(chǎng)除吹泥口外,大部分土體承載力很低,堆場(chǎng)位于水下或人無(wú)法在上面行走,強(qiáng)度相對(duì)較差。認(rèn)為主要有以下原因:①全為絞吸式疏浚施工,且土顆粒很細(xì),黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,透水性差;②堆場(chǎng)地勢(shì)很低,堆場(chǎng)原為魚(yú)塘或取土坑,圍堰內(nèi)疏浚泥泥面高程低于與之緊鄰的淮安新河水位,自然排水十分困難;③吹填時(shí)間相對(duì)較短。另外,整個(gè)堆場(chǎng)高程相差極大,絞吸式疏浚施工過(guò)程中形成的小土塊和粗顆粒在吹泥口迅速沉淀,從而形成“小土丘”,遠(yuǎn)高于圍堰和周?chē)访?排水固結(jié)相對(duì)較快;但遠(yuǎn)離吹泥口處高程和強(qiáng)度迅速降低,很快處于水面以下,處于流動(dòng)狀態(tài),在自然條件下很難固結(jié),若不進(jìn)行處理將長(zhǎng)期占用堆場(chǎng)土地。

4 結(jié) 論

a.絞吸式疏浚施工的水力分選作用十分顯著,堆場(chǎng)高程和強(qiáng)度隨著與吹泥口距離的增大而降低。

b.疏浚方式和疏浚完成時(shí)間對(duì)堆場(chǎng)工程特性影響大。三陽(yáng)河堆場(chǎng)由于形成時(shí)間較長(zhǎng)和以陸上開(kāi)挖為主,故其工程特性相對(duì)較好,承載力較高。

c.疏浚土的土性對(duì)堆場(chǎng)性狀有重要影響。江都堆場(chǎng)疏浚土中由于含有較多的粉砂和粉土,透水性較好,排水固結(jié)相對(duì)較快;而白馬湖堆場(chǎng)由于黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,透水性差,在自然條件下很難固結(jié),若不進(jìn)行處理,將長(zhǎng)期占用堆場(chǎng)土地。

d.堆場(chǎng)表層天然硬殼層的形成對(duì)堆場(chǎng)的后期處理十分有利,因此應(yīng)采取工程措施,加強(qiáng)堆場(chǎng)表面水的排除,以盡快形成表層硬殼層。

[1]中水淮河工程有限責(zé)任公司,中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,等.南水北調(diào)東線第一期工程可行性研究總報(bào)告[R].蚌埠:中水淮河工程有限責(zé)任公司,2005.

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[9]JGJ 94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].