探討泥水分離技術(shù)在疏浚泥堆場處置工程中的應(yīng)用

薛永忠

（江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州　225002）

1　工程背景

某工程位于江蘇省境內(nèi)，工程場地由南向北存在3種地質(zhì)條件狀況，分別為淤土段、砂土段和黏土段。該工程一期工程建設(shè)時(shí)東西兩岸分別建有堆場，二期工程建設(shè)因工程棄土用地緊張，需在一期堆場上部再建設(shè)堆場，由此導(dǎo)致了排泥場排泥高度大、內(nèi)外水頭差大、部分排泥場圍堰填筑高度大且土源緊張、排泥場維護(hù)難度大以及社會(huì)矛盾突出等一系列問題，施工期排泥場圍堰的安全問題成為河道工程成敗的關(guān)鍵性問題[1]。為此，需要對(duì)泥水分離技術(shù)應(yīng)用展開研究。

2　泥水分離技術(shù)簡介

泥水分離技術(shù)源于將混合物的固液兩相分離的固液分離技術(shù)。泥水分離技術(shù)是固液分離在疏浚泥處置中應(yīng)用的具體表現(xiàn)[2-4]。我國于70年代才開始試驗(yàn)各種泥水分離機(jī)和分離技術(shù)，部分成果應(yīng)用到采礦工程礦液、城市隧道工程泥漿和城市生活糞便脫水，并開始逐漸應(yīng)用到疏浚泥堆場處置工程[5]。

本課題通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場模擬試驗(yàn)研究，提出采用垂直排水系統(tǒng)與水平排水系統(tǒng)組合的泥水分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高含水量高粘粒含量疏浚淤泥的快速泥水分離，有效解決了淤泥排水通道淤堵的技術(shù)難題，為高含水量疏浚淤泥快速處理提供了新的途徑。

3　模型試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)示意圖和試驗(yàn)方案如圖1和表1所示。

圖1　模型試驗(yàn)示意圖

（1）模型存泥裝置：圓柱形，作為模型試驗(yàn)的存儲(chǔ)容器，直徑80 cm，高度110 cm，且各組試驗(yàn)的模型容器大小一致；

（2）反濾材料： 聚酰胺纖維濾布，為確定其最佳排水效果，選取4種目數(shù)的孔徑：80目，100目，120目，160目。

（3）盲溝：直徑5 cm，為工程中使用的盲溝直徑的1/4，模型和實(shí)際工程的比率是1∶4；

（4）模擬間距：模型模擬盲溝的間距是盲溝直徑的16倍，即徑距比為1∶16；

（5）泥漿初始狀態(tài)和制漿：初始密度控制在1.65 g/cm3左右，泥漿初始高度0.9 m，每組模型試驗(yàn)初始參數(shù)如表2所示。

3.2　排水方法

泥水分離技術(shù)是利用水壓差連續(xù)不斷的排出盲溝內(nèi)的水，是一個(gè)連續(xù)排水過程，為了滿足技術(shù)連續(xù)排水的條件，試驗(yàn)中采用連續(xù)吸氣的方式排水，吸出的水分直接存于集水缸內(nèi)，并實(shí)時(shí)測試出水質(zhì)量。

3.3　測試內(nèi)容

①不同時(shí)間的排水量；②不同時(shí)間的泥面和水面高度；③距離盲溝不同水平距離的水位高度變化，距離盲溝5 cm、15 cm、25 cm、35 cm位置布設(shè)水位管，水位管布置如圖2所示。

圖2　水位管布置照片

表1　試驗(yàn)方案

表2　各組模型試驗(yàn)配制的泥漿初始狀態(tài)

泥水分離試驗(yàn)完成后的土樣基本性質(zhì)測試包括：含水率、密度、不排水強(qiáng)度，采用常規(guī)土工試驗(yàn)方法測試。

3.4　模型試驗(yàn)結(jié)論

（1）泥水分離技術(shù)能夠?qū)⒊跏紶顟B(tài)為自然沉積穩(wěn)定狀態(tài)的泥水進(jìn)行分離，泥面沉降速率6.0～8.5 cm/h；在4 h內(nèi)，淤泥體積縮減21%～24%，含水率從60%降低至33%～37%，密度從1.65g/cm3提高至1.84～1.88 g/cm3；2 d內(nèi)排水穩(wěn)定，含水率和密度達(dá)到29%～33%和1.90～1.94 g/cm3；

（2）不同孔徑的反濾材料排出的水分含泥量均低于自然沉積穩(wěn)定后表面水的含泥量，反濾材料過水阻泥性能良好；

（3）泥水分離技術(shù)能夠快速降低泥漿中的水頭高度，在初始泥漿高度0.9 m的模型試驗(yàn)條件下，在4h內(nèi)水頭高度降低0.6 m，12 h內(nèi)水頭高度降低到初始水頭的20%以下；

（4）盲溝周圍土體的含水率空間分布較為均一，其有效排水距離大于盲溝直徑的7倍；

（5）對(duì)于初始狀態(tài)為土水體積比1∶10的泥漿，泥水分離技術(shù)能夠快速排除表面水，排水速率達(dá)到1.0 cm/min，能快速排除表面水的效果。

4　工程性試驗(yàn)

4.1　試驗(yàn)方案

工程性試驗(yàn)場地選擇在泰州引江河。引江河工程的疏浚土性質(zhì)差異較大，為此選擇具有代表性的2個(gè)場地分別進(jìn)行試驗(yàn)，分別為砂土段的西9排泥場粉土試驗(yàn)和黏土段的西18排泥場黏土試驗(yàn)。

試驗(yàn)坑設(shè)置：試驗(yàn)坑四周的圍堰依據(jù)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行填筑，填筑的土源采用前期工程的疏浚土，圍堰填筑高度為4 m，內(nèi)邊坡1∶2，外邊坡1∶3，頂寬2 m，底寬22.0 m，試驗(yàn)坑底長22.0 m，底寬6.0 m。

排水系統(tǒng)的設(shè)置：排水系統(tǒng)設(shè)置沿著試驗(yàn)坑長度方向布設(shè)3排盲溝，排間距為3.0 m，每排5根盲溝，互相的間距分別為3.0 m、3.0 m、4.0 m和5.0 m；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，盲溝外套一層100目的聚酰胺纖維濾布，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管在排水末端和穿過坑底延伸至集水坑的主管連接。排水系統(tǒng)布置平面示意圖見圖3。

4.2　試驗(yàn)結(jié)論

（1）砂性土試驗(yàn)主要結(jié)論：①采用泥水分離技術(shù)處理引江河工程砂土段的疏浚土，松散系數(shù)可以降低至1.06；②在吹填過程中和吹填后場地內(nèi)不會(huì)形成表面水；③泥水分離技術(shù)處理引江河工程砂土段的疏浚土，垂直盲溝排水對(duì)3.0 m范圍的土體最能發(fā)揮排水效果，實(shí)際工程中的盲溝布設(shè)間距建議不超過6.0 m。

（2）黏性土試驗(yàn)主要結(jié)論：①在圍堰邊上布設(shè)盲溝排水系統(tǒng)為3.0 m間距時(shí)，吹填過程中圍堰內(nèi)的最高水位為1.3 m，滿足圍堰防滲的安全水位高度要低于1.5 m的要求，當(dāng)不采取排水措施時(shí)，圍堰內(nèi)的最高水位2.7 m；②對(duì)于引江河黏土段的疏浚土，盲溝最優(yōu)的排水距離是1.5 m，在此范圍內(nèi)的吹填土水位高度上升最為緩慢、高度也最低，建議工程實(shí)施時(shí)盲溝間距不宜超過3.0 m；③吹填工期對(duì)泥水分離技術(shù)處理黏土段疏浚土的效果有很大影響；試驗(yàn)中，在吹填后20 d，盲溝布設(shè)3.0 m間距的吹填土松散系數(shù)從吹填結(jié)束時(shí)的1.34降低至1.03，而不布設(shè)盲溝區(qū)域的松散系數(shù)仍是高達(dá)1.23。

5　工程應(yīng)用

5.1　工程實(shí)施

圖3　排水系統(tǒng)布置平面示意圖

（1）砂性土段排泥場快速泥水分離排水系統(tǒng)布設(shè)

布設(shè)3排，排距4.0 m；退水口門兩側(cè)150 m范圍內(nèi)增設(shè)2排垂直排水體，排距6.0 m。垂直排水體間距3.0～4.0 m，其中排泥場圍堰內(nèi)坡腳處的1排垂直排水體間距3.0 m，其余排的垂直排水體間距4.0 m。

（2）淤土段排泥場快速泥水分離排水系統(tǒng)布設(shè)

布設(shè)2排，排距4.0 m；退水口門兩側(cè)150 m范圍內(nèi)增設(shè)2排垂直排水體，排距6.0 m。垂直排水體間距3.0～4.0 m，其中排泥場圍堰內(nèi)坡腳處的1排垂直排水體間距3.0 m，其余排的垂直排水體間距4.0 m。

（3）黏性土段排泥場快速泥水分離排水系統(tǒng)布設(shè)

背河側(cè)布設(shè)2排，垂直排水體間距3.0～4.0m，其中排泥場圍堰內(nèi)坡腳處的1排垂直排水體間距3.0 m，另1排的垂直排水體間距4.0 m。臨河側(cè)布設(shè)1排，排水體間距4.0 m；退水口門兩側(cè)150 m范圍內(nèi)增設(shè)2排垂直排水體，間距4.0 m，排距6.0 m。

5.2　實(shí)施效果

通過泥水分離系統(tǒng)實(shí)施，優(yōu)化了工程總體土方調(diào)運(yùn)方案，取消了黏性土段的二期圍堰，節(jié)約工程造價(jià)2000萬元，縮短工期6個(gè)月。在總體工程實(shí)施過程中，疏浚泥堆場未出現(xiàn)坡腳、河坡窨潮、滲流現(xiàn)象，保證工程總體安全。尤其是砂土圍堰，在高達(dá)8 m的條件下，未出現(xiàn)任何垮塌的現(xiàn)象，并且在疏浚完成后短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)排泥場移交。

6　結(jié)論

通過對(duì)泥水分離技術(shù)的理論研究和相關(guān)試驗(yàn)，確定了該技術(shù)的最佳布設(shè)方案，預(yù)測了工程效果，為技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。驗(yàn)證了泥水分離技術(shù)能夠有效排除排泥場表面水，消除了富余水深和風(fēng)浪超高，有效避免圍堰發(fā)生滲流破壞等安全隱患，提高圍堰的安全性、穩(wěn)定性，加速疏浚土的快速固結(jié)；同時(shí)，能有效提高土地資源利用率，減少工程投資，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]張國安，虞志英 . 連云港疏浚工程的環(huán)境效應(yīng)——以羊窩頭拋泥區(qū)為例 [ J ] . 黃渤海海洋，2001，19（2）：46-56 .

[ 2 ]別學(xué)清，熊佩中 . 淺析防滲排水復(fù)合體在泰州引江河二期工程砂性土段排泥場中的應(yīng)用[ J ] . 江蘇水利，2016（2）：39-41 .

[ 3 ]賴永輝，談廣鳴，等 .深圳港西部港區(qū)進(jìn)出港航道工程疏浚泥水拋泥沙輸移擴(kuò)散規(guī)律研究[ J ] .武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（3）：41-45 .

[ 4 ]周源，劉傳俊，吉鋒，等 .透氣真空快速泥水分離技術(shù)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[ J ] . 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，30（2）.

[ 5 ]朱偉，張春雷，劉漢龍，等 . 疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀 [ J ] . 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25（4）：39-41 .