清淤工程中淤泥體積與含水率變化關(guān)系的探討

陳式華 ，馬慶宏，沈水進(jìn)

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

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清淤工程中淤泥體積與含水率變化關(guān)系的探討

陳式華1,2，馬慶宏1,2，沈水進(jìn)1

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

摘要：生態(tài)清淤技術(shù)已成為治理污水的重要手段之一。針對(duì)清淤工程所得淤泥其體積隨含水率變化的問題，進(jìn)行了不同含水率時(shí)室內(nèi)質(zhì)量密度測(cè)定，計(jì)算其對(duì)應(yīng)含水率下一定質(zhì)量干土的體積。通過(guò)理論分析并結(jié)合實(shí)踐得出，在較高含水率下淤泥的體積與含水率基本上呈線性關(guān)系，并提出該清淤土方達(dá)到可運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)的含水率和填埋場(chǎng)所需的庫(kù)容。試驗(yàn)成果可供相關(guān)管理部門和技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：河道清淤；淤泥體積；含水率；運(yùn)輸狀態(tài)

隨著“五水共治”行動(dòng)的扎實(shí)推進(jìn)，生態(tài)清淤這一近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)已成為治理污水的重要手段。它不僅能夠降低底泥中的污染物濃度，還可為水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、航行與排澇行洪的改善創(chuàng)造條件，因此在城市河道、景觀湖泊等治理工程中被廣泛使用。

由于清淤工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)環(huán)境等因素，因此要選擇適合的技術(shù)方法，并運(yùn)用科學(xué)的實(shí)施策略，才能收到良好的效果。

清淤方式一般為污泥從河道中吸出、存放于排泥場(chǎng)(待含水率減低至可運(yùn)狀態(tài))、運(yùn)輸、處理后填埋。這一過(guò)程中，淤泥的體積和含水率始終在變化著，為掌握淤泥體積與含水率的變化關(guān)系，本文通過(guò)理論分析、室內(nèi)模擬試驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)踐，提出淤泥體積與含水率的變化關(guān)系，進(jìn)而推算河道清淤時(shí)運(yùn)輸?shù)姆搅亢吞盥駡?chǎng)庫(kù)容，供相關(guān)管理部門和技術(shù)人員參考。

1試驗(yàn)原理

在淤泥處理過(guò)程中，其脫水固結(jié)的過(guò)程大致可分為：土粒沉淀排水和固結(jié)壓密兩個(gè)階段[1]。淤泥運(yùn)抵排泥場(chǎng)后，土粒在重力作用下逐漸向下沉淀，淤泥表面逐漸有水析出并沿排水溝流出。該段歷時(shí)較短，且隨著水的排出，淤泥體積迅速發(fā)生變化。隨著沉淀排水，淤泥的干密度不斷增大，在自重及滲流力的作用下產(chǎn)生壓縮固結(jié)。固結(jié)階段的歷時(shí)較長(zhǎng)，短期內(nèi)體積變化小。清淤工程施工時(shí)間較短(1～3個(gè)月)，因此排泥場(chǎng)內(nèi)的淤泥體積變化主要是由淤泥土排水沉積引起的，與其含水率變化存在一定的關(guān)聯(lián)，因此可以通過(guò)試驗(yàn)獲得兩者的變化關(guān)系，并以此推算可運(yùn)狀態(tài)下淤泥土體積及填埋場(chǎng)庫(kù)容。

(1)

式中：V原為一定質(zhì)量干土對(duì)應(yīng)濕土的體積，cm3；

md為干土質(zhì)量，g；

ρd為土的干質(zhì)量密度，g/cm3；

ω0為土的含水率，%；

ρ0為土的濕質(zhì)量密度，g/cm3；

2工程應(yīng)用

2.1工程概況

義烏江是錢塘江的一級(jí)支流，發(fā)源于磐安縣山環(huán)鄉(xiāng)龍鳥尖，主流長(zhǎng)167.5km，流域面積3 378.5km2，是省級(jí)骨干河道。近年義烏江河床淤積嚴(yán)重，致使河道斷面縮小、水生態(tài)環(huán)境較差，影響河道行洪和周邊居民的生活質(zhì)量及河道景觀，故亟需實(shí)施河道生態(tài)清淤工程。

本次清淤屬義烏江城區(qū)段，清淤河段長(zhǎng)度6.668km，完成清淤總量190 129m3，工期為100d。采用4 010型環(huán)保絞吸式挖泥船方式清淤，由全封閉排泥管道(直徑Φ414mm)將淤泥輸送至指定排泥場(chǎng)。由于從河道中清出的淤泥其含水率很高，無(wú)法直接運(yùn)輸，故在排泥場(chǎng)內(nèi)采取開挖排水溝及翻曬等措施以加快排水，待其通過(guò)蒸發(fā)、排水、固結(jié)減低含水率，以達(dá)到外運(yùn)至永久堆放場(chǎng)的要求。

2.2試驗(yàn)方案

2.2.1原狀土質(zhì)量密度測(cè)定

采用水下真空取土器沿義烏江城區(qū)段流域采集水下淤泥原狀土試樣共17只，采集樣品見圖1?，F(xiàn)場(chǎng)采集的原狀土樣仍保持原有的結(jié)構(gòu)和形狀，用環(huán)刀法(體積為120cm3)測(cè)定原狀土的質(zhì)量密度。試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237—1999)》[3]中的規(guī)定操作。

圖1　水下采集原狀土樣

2.2.2擾動(dòng)土不同含水率制備及相對(duì)密度測(cè)定

在排泥場(chǎng)采集擾動(dòng)樣5只。將采集的土樣風(fēng)干、碾壓、拌合、分份、稱量(以100g干土為1份)。在每份土樣中加入定量的水，拌合均勻，使得每個(gè)試樣含水率從50%開始大致呈5%的階梯遞增到100%，當(dāng)含水率大于100%時(shí)以50%階梯遞增。制備的土樣靜置24h。

調(diào)制的土樣結(jié)構(gòu)完全破壞，狀態(tài)從糊狀至流動(dòng)狀漸變，采用泥漿相對(duì)密度計(jì)測(cè)定漿液相對(duì)密度。試驗(yàn)按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范(DL/T5148—2012)》[4]進(jìn)行操作。

2.2.3含水率的測(cè)定

依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL237—1999)》[3]中的規(guī)定，測(cè)定原狀土及制備土樣的含水率?？紤]土樣含有有機(jī)質(zhì)成分，烘土溫度控制在65℃～70℃。

3試驗(yàn)資料及成果分析

3.1土的基本物理性質(zhì)

對(duì)2個(gè)排泥場(chǎng)取樣5只進(jìn)行基本物理性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：土樣的相對(duì)密度為2.70～2.72；顆粒組成中砂粒(0.075～2mm)含量占4.7%～16.1%，粉粒(0.005～0.075mm)含量占大部分為50.7%～75.6%，而黏粒(<0.005mm)含量為20.0%～28.3%；液限含水率為36.4%～49.2%，塑限含水率為18.8%～25.2%，塑性指數(shù)為17.6～24.0，土的定名為低液限黏土[3]。

3.2室內(nèi)不同含水率試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢璧哪酀{隨著含水率的增大其狀態(tài)逐漸由軟塑變?yōu)榱魉茏罱K變?yōu)榱鲃?dòng)狀態(tài)，不同含水率下土樣的狀態(tài)見圖2。

圖2　不同含水率下土樣的狀態(tài)圖

當(dāng)含水率達(dá)到50%～60%時(shí)，為灰黃色，糊狀，黏滯性強(qiáng)，攪拌有阻力，吸附性強(qiáng)，刀切痕跡明顯且不易恢復(fù)。

當(dāng)含水率達(dá)到65%～75%時(shí)，為灰黃色，糊狀，有輕微流動(dòng)性，黏滯性較強(qiáng)，攪拌稍有阻力，吸附性較強(qiáng)，刀切痕跡明顯，輕微震動(dòng)變形，油脂光澤。

當(dāng)含水率達(dá)到80%～90%時(shí)，為灰黃色，稀粥狀，呈流動(dòng)性，有少量黏滯與吸附性，搖晃可起浪，刀切無(wú)痕跡，稍有水析出。

當(dāng)含水率達(dá)到95%以上時(shí)，為灰黃色，呈豆?jié){狀，無(wú)黏滯與吸附性，稍停即水土分離明顯。

3.3淤泥體積變化與含水率的關(guān)系

根據(jù)上述方案，河道原狀土、室內(nèi)配制土所得的體積與含水率的變化關(guān)系曲線見圖3，2條趨勢(shì)線擬合度較高，說(shuō)明土樣重復(fù)性較好。

由圖3可得，本工程的淤泥質(zhì)土在含水率大于50%的情況下，其體積的變化與含水率的變化基本成線性關(guān)系，擬合良好，且趨勢(shì)線基本平行。在相同含水率條件下，100g干土對(duì)應(yīng)原狀土的濕土體積要稍大于擾動(dòng)土的濕土體積。這是因?yàn)樵瓲钔潦亲匀怀练e而來(lái)的，具有一定的結(jié)構(gòu)且存有一定氣體，孔隙大；而調(diào)制的擾動(dòng)土是充分?jǐn)嚢璧模令w粒間的氣體被釋放，使得體積相對(duì)減小，所以出現(xiàn)圖中所示的情況。

現(xiàn)場(chǎng)清淤土樣已被擾動(dòng)，但并未充分?jǐn)嚢?，其狀態(tài)介于原狀土及調(diào)制的泥漿之間。所以，該類淤泥體積變化與含水率變化關(guān)系式的斜率、截距可取圖3中所示擾動(dòng)土、原狀土關(guān)系式的斜率、截距的平均值，見式(2)：

y=1.036 6x+36.793

(2)

式中：x為土樣含水率，%；

y為100g干土對(duì)應(yīng)濕土的體積，mL。

在清淤過(guò)程中，淤泥被攪拌擾動(dòng)，其原狀土樣可采用所取17組土樣的平均值：0.98g/cm3。所以，所清淤泥的干土質(zhì)量約為：0.98×190 129×103=186 326.42×103kg，約合186 326.42萬(wàn)份100g的干土。選定土樣目標(biāo)含水率后，本工程所清淤泥體積V=186 326.42×104y=186 326.42×104×(1.036 6x+36.793)。

4結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)土體含水率>50%時(shí)，清淤工程中所清淤泥的體積變化與其含水率變化基本呈線性關(guān)系。

2)土樣含水率為50%～75%時(shí)，隨著土樣含水率的增大，土樣的狀態(tài)逐漸由軟塑向流塑轉(zhuǎn)變；含水率大于80%時(shí)，調(diào)制的泥漿一旦靜置即有水析出。

3)在排泥場(chǎng)內(nèi)的清淤土方，其含水率降低至65%[5]以下時(shí)，可運(yùn)輸至永久填埋場(chǎng)。

4)本工程所清淤泥其永久填埋場(chǎng)的庫(kù)容需19.41萬(wàn)m3。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]唐益群, 何小軍, 楊坪,等. 沖填土固結(jié)特性與變形沉降規(guī)律研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010(18)：11-16.

[2]范利頻, 劉學(xué)芹. 淤泥含水率與體積變化關(guān)系試驗(yàn)研究[C]// 第三屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì).成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2009：610-615.

[3]南京水利科學(xué)研究院.SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

[4]中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局.DL/T5148—2012水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[5]中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)機(jī)械疏浚專業(yè)委員會(huì)，湖北長(zhǎng)江清淤疏浚工程有限公司.SL17—2014疏浚與吹填工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

收稿日期：2016-04-19

基金項(xiàng)目：浙江省科技廳公益技術(shù)社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2015C33059)；浙江省科技廳院所扶持專項(xiàng)項(xiàng)目(2015F50G5050020)

作者簡(jiǎn)介：陳式華(1962—)，女，浙江浦江人，高級(jí)工程師，從事巖土工程試驗(yàn)研究。

中圖分類號(hào)：TV851

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)07-0024-03

Discussion on the Relationship between the SludgeVolume and the Variety of Water Content Rate in Desilting Work

CHEN Shihua1，2, MA Qinghong1，2, SHEN Shuijin1