真空負(fù)載方式對(duì)疏浚淤泥脫水過程中脫水規(guī)律的影響

浩 婷，王 曦，周 顏，吳 燕

（天津科技大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457）

1 引 言

我國進(jìn)行的滇池、巢湖、太湖等大型湖泊的疏浚工程，淤泥大多采用堆場存放，自然干化的方法[1]。疏浚淤泥沉降性能差，存放一兩年后，表面雖然干化，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然呈水性膠狀，無法開展有益利用[2]。因此，亟待開發(fā)適合我國內(nèi)陸湖泊疏浚工程需求的疏浚淤泥堆場快速脫水技術(shù)，為此，探究脫水過程中水分在淤泥多孔介質(zhì)中的遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常重要。

疏浚淤泥脫水過程可以概念化為水分在淤泥顆粒間的遷移和運(yùn)動(dòng)過程，其驅(qū)動(dòng)力就是滲流[3]，各國學(xué)者在有關(guān)多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)規(guī)律方面做了大量研究[4-8]，研究結(jié)果都表明，在孔隙層次上多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)特性符合經(jīng)典流體力學(xué)理論。此外，葉正強(qiáng)等[9]結(jié)合實(shí)際工程，研究了不同負(fù)壓條件下原狀土和擊實(shí)土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。歐孝奪等[10]將采用逐級(jí)加垂直壓力方式進(jìn)行滲壓試驗(yàn)，模擬試樣在不同壓力狀態(tài)的滲透系數(shù)。董志良等[11]研究真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對(duì)固結(jié)的影響，證明了前期固結(jié)壓力對(duì)固結(jié)的影響。

淤泥脫水工程中，真空負(fù)載的利用已不罕見，但負(fù)載方式對(duì)淤泥脫水性能的影響研究極少，武亞軍等[12]驗(yàn)證了真空加載方式對(duì)吹填流泥土顆粒移動(dòng)具有一定的影響。本文進(jìn)一步探討不同負(fù)載方式如負(fù)載時(shí)間及負(fù)載壓力梯度變化對(duì)淤泥脫水過程滲流規(guī)律的影響，為實(shí)際工程提供了可靠的優(yōu)化和設(shè)計(jì)參數(shù)，也為滲流模型的建立和改進(jìn)提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試淤泥沿用取自云南滇池外海北部，物化性質(zhì)為：含水率為48.13%，相對(duì)密度為2.59 g/cm3，pH值為6.8，有機(jī)物9.09 %，孔隙率為55.49%，比阻為13.25×1012/m·kg-1，比阻為淤泥過濾特性的綜合性指標(biāo)，其物理意義是：單位質(zhì)量的淤泥在一定壓力下過濾時(shí)，在單位過濾面積上的阻力。試驗(yàn)所用為原水，在試驗(yàn)前用抽氣法或煮沸法進(jìn)行脫氣，試驗(yàn)時(shí)室溫為21.5℃，水溫高于室溫3～4℃。由于疏浚淤泥經(jīng)管道送入堆場初始含水率在85%左右，為模擬實(shí)際堆場淤泥脫水規(guī)律，試驗(yàn)所用淤泥含水率均配制為85%。

2.2 滲透試驗(yàn)

圖1 淤泥滲透裝置示意圖Fig.1 Schematic of testing device for dredged sludge seepage

試驗(yàn)裝置為按變水頭滲透原理自制的滲透裝置，主要由儲(chǔ)水瓶、帶刻度變水頭管（刻度精確至1 mm）、滲透儀、緩沖瓶及真空泵組成，如圖1 所示。滲透儀為TST-55 型土壤滲透儀（滲透容器為圓柱形，截面積為30.08 cm2，高度L=4.0 cm），真空負(fù)載時(shí)，將滲透儀底部一個(gè)出水口封閉，另一出水口通過帶刻度緩沖瓶（容量100 ml，精度1 ml）連接真空泵。試驗(yàn)時(shí)預(yù)先配制含水率為85%的泥漿，配制方法為將供試淤泥加水后使用強(qiáng)力攪拌機(jī)攪拌均勻，待泥漿無塊狀后立即轉(zhuǎn)至滲透儀容器，按照變壓頭滲透原理調(diào)試裝置，并旋緊螺母密封至不漏水、不漏氣。

2.2.1 負(fù)載時(shí)間

調(diào)節(jié)真空泵壓力至100 kPa，當(dāng)聯(lián)通緩沖瓶的出水口有水溢出時(shí)開始記錄變水頭管中起始水頭高度H1和起始時(shí)間t1，間隔5 min 記錄水頭變化為H2，則滲水量據(jù)式（1）計(jì)算，記錄滲透儀出水口流入緩沖瓶的液體體積即為濾液量（精確至1 ml）。測(cè)量出水溫，準(zhǔn)確至0.2℃，0～60 min 內(nèi)，計(jì)算不同負(fù)載時(shí)間下滲透系數(shù)及過濾常數(shù)。不同負(fù)載時(shí)間所得泥層平均含水率和平均孔隙率由實(shí)際測(cè)定得到。規(guī)定的負(fù)載時(shí)間結(jié)束后，將滲透儀容器中的泥層取出，測(cè)定泥層底部、中部、頂部的泥樣平均含水率和平均孔隙率。

式中：ΔH為變水頭管內(nèi)水體積變化量；H1為變水頭管起始水頭高度；H2為變水頭管終止水頭；a為變水頭管的內(nèi)徑面積（cm2）。

2.2.2 負(fù)載壓力梯度變化

負(fù)載壓力梯度變化下的滲流試驗(yàn)，需輔助緩沖裝置調(diào)節(jié)真空泵的壓力，調(diào)節(jié)方式如表1 所示，記錄不同負(fù)載方式下水頭變化，并據(jù)式（1）計(jì)算滲水量，計(jì)算不同負(fù)載方式下負(fù)載60 min 內(nèi)滲透系數(shù)及過濾常數(shù)。負(fù)載結(jié)束后，記錄緩沖瓶收集到的液體體積即為濾液量，將滲透儀容器中的泥層取出，測(cè)定泥層底部、中部、頂部的泥樣平均含水率和平均孔隙率。

表1 負(fù)載壓力的變化方式Table 1 Change patterns of load mode

2.3 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)表示流體通過孔隙骨架的難易程度，是反映流體特性和流體透過多孔介質(zhì)能力的綜合指標(biāo)。當(dāng)介質(zhì)滲透性很小時(shí)，試驗(yàn)時(shí)需施加負(fù)載壓力，此時(shí)，要把負(fù)載壓力換算成相應(yīng)的水頭[13]：

式中：h0為水頭（cm）；ρ為流體密度（g/cm3）；g為重力常數(shù)（N/kg）；p′為負(fù)載壓力（N/m2）。

再加上變水頭管的水頭高Hi即可，則滲透系數(shù)計(jì)算公式變?yōu)?/p>

式中：Kt為水溫t℃時(shí)試樣滲透系數(shù)(cm/s)，計(jì)算至3 位有效數(shù)字；2.3為ln和lg 的變換因素；L為試樣高度；t1和 t2分別為滲透開始和終了時(shí)間（s）；H1和H2為起始和終止水頭（cm）；A為試樣的過水面積（cm2）。

標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)為

式中：K20表示標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)（cm/s）；ηtη20為黏滯系數(shù)比，通過查水的黏滯系數(shù)表可知，試驗(yàn)時(shí)水溫為27.5℃，ηtη20對(duì)應(yīng)為0.841 5。

2.4 過濾常數(shù)

過濾常數(shù)是單位面積上濾液體積和時(shí)間的常數(shù)，是衡量淤泥脫水快慢的重要指標(biāo)。恒壓過濾時(shí)，其過濾常數(shù)的確定參考朱金璇[14]恒壓過濾常數(shù)測(cè)定方法，對(duì)于一定含水率泥漿懸浮液，從過濾開始到結(jié)束，過濾方程可寫成為

由恒壓過濾方程式可得：

上式表明，恒壓過濾時(shí)θ/q與q 之間為線性關(guān)系，記錄不同過濾時(shí)間θ 內(nèi)的單位面積濾液量q，將θ/q對(duì)q 作圖，可得一條直線，其斜率為1/K，而截距為2qeK 。即可求得過濾常數(shù)K。

2.5 含水率及孔隙率

疏浚淤泥負(fù)載過濾后含水率測(cè)試試驗(yàn)參見《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]?？紫堵视?jì)算參見土力學(xué)中孔隙率計(jì)算方法。

式中：n為孔隙率（%）；VV為孔隙體積（cm3）；V0為淤泥體積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 負(fù)載時(shí)間對(duì)淤泥脫水規(guī)律的影響

3.1.1 對(duì)滲透系數(shù)及過濾常數(shù)的影響

滲透系數(shù)和過濾常數(shù)是衡量淤泥脫水快慢的重要指標(biāo)，不同負(fù)載時(shí)間所得過濾常數(shù)與滲透系數(shù)如圖2 所示。研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)間對(duì)淤泥脫水過程中過濾常數(shù)和滲透系數(shù)的影響很小，60 min 內(nèi)過濾常數(shù)和滲透系數(shù)分別在11.1～11.85×10-5m2·s-1和0.95～2.94×10-5cm·s-1范圍。負(fù)載前期0～40 min，淤泥脫水過程過濾常數(shù)出現(xiàn)緩慢增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)榧?xì)小淤泥顆粒的黏附水在重力和負(fù)載壓力下連續(xù)釋放所致，負(fù)載后期40～60 min，過濾常數(shù)逐漸降低，這是因?yàn)殡S著負(fù)載時(shí)間的延長，濾餅層增厚，顆粒結(jié)構(gòu)崩塌，濾液通道堵塞，淤泥發(fā)生板結(jié)，從而導(dǎo)致過濾變得更加困難。

圖2 負(fù)載時(shí)間對(duì)滲透系數(shù)及過濾常數(shù)的影響Fig.2 Effect of vacuum duration on permeability coefficient and filtration constant

整個(gè)脫水過程，滲透系數(shù)隨負(fù)載時(shí)間的延長逐漸降低，且在負(fù)載20 min 后趨于平緩，表明20 min后泥漿在負(fù)載作用下逐漸沉降，淤泥孔隙逐漸減小，淤泥骨架結(jié)構(gòu)逐漸坍塌，阻礙了水分在淤泥介質(zhì)中的滲流。因此，綜合考慮滲流及過濾效果，負(fù)載時(shí)間在40～50 min 總體上滲流及過濾系數(shù)均較大，脫水效率最高。

3.1.2 對(duì)滲水量和濾液量的影響

負(fù)載時(shí)間對(duì)滲水量和濾液量的影響如圖3 所示。在負(fù)載壓力為100 kPa 下，60 min 內(nèi)濾液量和滲水量均隨著負(fù)載時(shí)間的延長而增加，且液體體積相差不大。在負(fù)載后期液體體積增加趨勢(shì)逐漸減緩，負(fù)載時(shí)間在50～60 min，水量趨于恒定。負(fù)載時(shí)間為40 min 后，滲水量大于濾液量，滲流開始占主導(dǎo)地位。

圖3 負(fù)載時(shí)間對(duì)滲水量和濾液量的影響Fig.3 Effects of vacuum duration on volumes of seepage and filtrate

滲水量和濾液量分別為滲流過程和過濾過程所得液體體積，雖然兩過程所得液體量差別不大，但其側(cè)重點(diǎn)不同，滲流貫穿于整個(gè)脫水過程中，負(fù)載后期，即負(fù)載40 min 后，泥層在負(fù)載壓力作用下不斷壓縮，泥層體積不斷縮小，淤泥介質(zhì)孔隙非常小，微米級(jí)別的通道逐漸增加，導(dǎo)致水分透過泥餅層更加困難，因此，過濾作用逐漸減小直至消失。與此同時(shí)，由于三維空間應(yīng)力作用，加上泥層體積不斷壓縮減小，變水頭管中的液體會(huì)繼續(xù)滲入泥層孔隙中，即滲水量持續(xù)緩慢增加，而泥餅層板結(jié)程度逐漸變大，從而產(chǎn)生滲水量大于濾液量現(xiàn)象。表明負(fù)載時(shí)間在40～50 min 較理想。

3.1.3 對(duì)孔隙率及含水率的影響

負(fù)載結(jié)束后，泥層的孔隙率及含水率是表征淤泥最終脫水程度的重要指標(biāo)。不同負(fù)載時(shí)間對(duì)泥層含水率及孔隙率的影響如圖4 所示。隨著負(fù)載時(shí)間的延長，泥層含水率和孔隙率均呈下降趨勢(shì)，負(fù)載在5～50 min 范圍內(nèi)，下降趨勢(shì)最明顯。這是因?yàn)檩^短的負(fù)載時(shí)間，微小的淤泥顆粒沉降較慢，泥層板結(jié)不明顯，大孔隙的空間占有率較高，因此，水分滲透所受阻力小。過長的負(fù)載時(shí)間導(dǎo)致泥層板結(jié)，滲水通道堵塞，從而使泥層孔隙率和含水率趨于穩(wěn)定。

圖4 負(fù)載時(shí)間對(duì)泥層孔隙率及含水率的影響Fig.4 Effects of vacuum duration on void ratio and water content of mud cake

3.2 負(fù)載壓力梯度變化對(duì)淤泥脫水規(guī)律的影響

3.2.1 對(duì)滲透系數(shù)和過濾常數(shù)的影響

圖5(a)、(b)分別為1 h 內(nèi)不同壓力變化梯度對(duì)淤泥脫水過程中過濾常數(shù)和滲透系數(shù)的影響，由圖5(a)可知，不同壓力變化梯度所得過濾常數(shù)有很大差別，且壓力變化梯度越小，最終所得過濾常數(shù)越大。其中壓力梯度變化方式Ⅱ在80～100 kPa 壓力范圍過濾常數(shù)最大，為最理想負(fù)載方式。

圖5 負(fù)載方式過濾與滲透系數(shù)的影響Fig.5 Effects of vacuum duration on permeability coefficient

由圖5(b)可知，不同負(fù)載壓力變化梯度對(duì)滲透系數(shù)的影響與過濾常數(shù)相似。比較Ⅱ、Ⅴ發(fā)現(xiàn)，在相同的壓力變化區(qū)間80→100 kPa，兩種壓力梯度變化方式所引起的滲透系數(shù)并不相同，方式Ⅱ所得滲透性能更佳。比較Ⅰ和Ⅵ、Ⅳ和Ⅲ，同時(shí)得出結(jié)論，在后期脫水過程中，壓力變化梯度越小，所得滲透性能越好。

3.2.2 對(duì)滲水量和濾液量的影響

負(fù)載方式對(duì)脫水過程的濾液量和滲水量的影響如圖6 所示。整個(gè)脫水過程中，濾液量始終大于滲水量，其中在負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ條件下所得滲水量分別達(dá)到71.3 ml和71.6 ml，濾液量分別達(dá)到77.1 ml和78.5 ml。此結(jié)論與武亞軍等[12]試驗(yàn)所得初始真空荷載越小，最終的出水量越大這一規(guī)律一致。此結(jié)果進(jìn)一步表明，負(fù)載壓力梯度變化更有利于淤泥中水分的滲流，負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ為最佳負(fù)載方式。

圖6 負(fù)載方式對(duì)滲水量和濾液量的影響Fig.6 Effects of vacuum loading procedures on volumes of seepage and filtrate

3.2.3 對(duì)孔隙率和含水率影響

負(fù)載壓力梯度變化對(duì)泥餅含水率及孔隙率的影響如圖7 所示。負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ呈現(xiàn)出相對(duì)較低的含水率，分別為37.48%、37.59%，相比于方式Ⅰ所得最高含水率39.27%，分別降低4.46%、4.28%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，負(fù)載方式Ⅱ、Ⅲ對(duì)應(yīng)的泥層平均孔隙率最低，分別為49.26%、49.33%。此結(jié)論進(jìn)一步論證了壓力的梯度變化，更有利于淤泥的脫水，且負(fù)載前期負(fù)載壓力越低，最終脫水程度越大。這是因?yàn)樨?fù)載前期，介質(zhì)表面并無濾渣，猛然的加壓會(huì)使得較細(xì)的顆粒堵塞介質(zhì)而增加過濾阻力，不利于后期水分的滲流。而循序加壓起到了疏通原有過水通道的作用，因此，滲透性能得到提升。但負(fù)載壓力變化梯度并不是越小越好，實(shí)際工程中，負(fù)載壓力的頻繁變化會(huì)對(duì)負(fù)載設(shè)備的壽命造成影響，同時(shí)在工業(yè)上間斷性的操作對(duì)設(shè)備及操作控制的要求也較高。

圖7 負(fù)載方式對(duì)泥層孔隙率和含水率的影響Fig.7 Effects of different vacuum loading procedures on void ratio and water content of mud cake

4 結(jié) 論

（1）多孔介質(zhì)滲流理論在淤泥脫水過程中得到了較好的驗(yàn)證，恒壓負(fù)載下的脫水過程，過濾和滲流同時(shí)進(jìn)行，負(fù)載前期過濾占主導(dǎo)地位，負(fù)載后期滲流占主導(dǎo)作用。負(fù)載時(shí)間40～50 min為最理想負(fù)載時(shí)間，此時(shí)間段的負(fù)載過濾脫水性能較為突出。

（2）在淤泥脫水過程中，負(fù)載壓力的梯度變化更有利于淤泥脫水，且負(fù)載前期負(fù)載壓力越小，淤泥脫水程度越大。負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ為最佳負(fù)載方式。

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