水力沖挖淤泥水平電滲聯(lián)合堆載預(yù)壓法脫水試驗(yàn)研究

楊 洋，陳人瑗，邱珍鋒，武立清

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.重慶交通大學(xué) 重慶市高校水工建筑物健康診斷技術(shù)與設(shè)備工程研究中心,重慶 400074)

水力沖挖淤泥含水率高達(dá)400%，且淤泥質(zhì)顆粒小、沉淀慢，滲透性差、泥水自然分離時(shí)間長(zhǎng)，傳統(tǒng)的脫水方法存在局限性，迫切需要開(kāi)展淤泥的泥水快速分離方法的研究。

Casagrande在1939年首次將電滲應(yīng)用于巖土工程當(dāng)中[1]，并在此后將該方法應(yīng)用于軟土加固中。1967年Gray和Mitchell闡明了電滲效率的理論[2]。1968 年，Esrig 提出了一維電滲固結(jié)理論，用于解釋電滲過(guò)程中孔隙水壓力的增長(zhǎng)和消散現(xiàn)象[3]。Wan 和Mitchell于1976年在Esrig 理論的基礎(chǔ)上提出電滲聯(lián)合堆載預(yù)壓的一維固結(jié)理論[4]。Shang將一維固結(jié)理論擴(kuò)展到二維空間，分析了軟土地基中電滲法運(yùn)用的工程案例，取得了不錯(cuò)的效果[5]。張雷等[6]采用不同材料電極進(jìn)行電滲排水固結(jié)試驗(yàn)，研究了不同電極材料對(duì)電滲加固軟粘土效果的影響，論證了新型復(fù)合電極的優(yōu)越性。在地基處理工程中，電滲固結(jié)技術(shù)能有效提高軟土的固結(jié)度、縮短固結(jié)時(shí)間[7-9]，解決低滲透性地基排水固結(jié)問(wèn)題；在排澇降水工程當(dāng)中，采用電滲和井點(diǎn)降水結(jié)合的方法，取得了很好的效果[10]。但是水力沖挖淤泥中，由于含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)軟土中的含水率，利用電滲聯(lián)合真空方法對(duì)河道底泥進(jìn)行脫水處理的研究[11-13]尚不清楚。

傳統(tǒng)電滲聯(lián)合真空方法[14]中，電極往往是豎直布置，處理后的電極之間產(chǎn)生自上而下的貫穿裂縫，這種縱向裂縫直接阻斷了陰陽(yáng)極之間的通路，使得土體電阻增大，電流降低，嚴(yán)重影響電滲效果，根據(jù)李一雯等[15]試驗(yàn)結(jié)果，裂縫分布見(jiàn)圖1。本文使用的水平電滲法電極為水平布置，陰極布置于淤泥底部，陽(yáng)極布置于淤泥表面。淤泥自重以及上部荷載可以有效抑制陰陽(yáng)極之間的裂縫開(kāi)展，另外，陽(yáng)極位置隨淤泥沉降而降低，陰陽(yáng)極距離不斷減小，電勢(shì)梯度不斷增大，有利于提升電滲脫水效果。

圖1 電極豎直布置裂縫分布示意

筆者設(shè)計(jì)了水平電滲法處理水力沖挖淤泥的模型試驗(yàn)，采用水平電滲聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法對(duì)水力沖挖淤泥進(jìn)行脫水處理，驗(yàn)證了電滲法用于淤泥脫水處理的可行性，論證了水平電滲法的優(yōu)勢(shì)，揭示了堆載作用對(duì)水平電滲法處理水力沖挖淤泥效果的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本次試驗(yàn)選取阜陽(yáng)市駱家溝清淤工程中水力沖挖疏浚淤泥作為試驗(yàn)樣品，樣品見(jiàn)圖2。通過(guò)含水率試驗(yàn)測(cè)試，采用水力沖挖方式疏浚的新鮮淤泥初始含水率為442%。采用等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)河道底泥試樣的主要化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)定，知其有機(jī)質(zhì)含量為87.1 g/kg。對(duì)駱家溝淤泥處理池取樣，測(cè)得淤泥顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。

圖2 淤泥試樣

表1 淤泥顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)準(zhǔn)備

模型試驗(yàn)采用塑料淤泥試驗(yàn)槽，尺寸為50 cm(長(zhǎng))×40 cm(寬)×30 cm(高)。陰極和陽(yáng)極采用帶孔鐵板，排水結(jié)構(gòu)采用直徑8 mm帶孔塑料管組裝而成(圖3)。陰極和排水結(jié)構(gòu)布置于試驗(yàn)槽底部，陽(yáng)極布置于淤泥表面(圖4)。排水結(jié)構(gòu)與真空泵相連。試驗(yàn)過(guò)程中，水由陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，最終通過(guò)陰極底部的排水結(jié)構(gòu)排出。真空泵采用750 W無(wú)油真空泵，用于抽取空氣，抽出陰極匯集的水。水氣分離罐為不銹鋼材質(zhì)，一端與真空泵連接，一端與底部排水結(jié)構(gòu)連接，試驗(yàn)過(guò)程中罐內(nèi)保持一定負(fù)壓，抽出并暫時(shí)貯存淤泥中的水(圖5)。

圖3 陰、陽(yáng)極電極板

圖4 預(yù)制底部排水結(jié)構(gòu)

圖5 試驗(yàn)裝置安裝示意

陰極電極板與直流電源負(fù)極相連接，陽(yáng)極電極板布置于淤泥表面與直流電源正極相連接，水氣分離罐一端與試驗(yàn)槽出水管相連，一端與真空泵相連。試驗(yàn)過(guò)程中，水由陽(yáng)極向陰極移動(dòng)，最終通過(guò)陰極底部的排水結(jié)構(gòu)排出。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究堆載對(duì)水平電滲法脫水效果的影響，設(shè)置3組模型試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

持續(xù)通電和抽氣，直至水氣分離管內(nèi)排水質(zhì)量不再增加。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)監(jiān)測(cè)淤泥排出水的質(zhì)量、電流、電勢(shì)和沉降值，試驗(yàn)前和結(jié)束后分別測(cè)量土體含水率，分析淤泥形變特征、能耗系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 淤泥形變特征分析

試驗(yàn)結(jié)束后，觀察和分析淤泥體的外觀和裂縫開(kāi)展情況(圖6—8)。裂縫寬度越大，越容易阻斷電滲中的電流，不利于電滲的進(jìn)行。觀察可得，不加堆載處理的淤泥裂縫最寬大。上部荷載越大，裂縫的寬度越小。這說(shuō)明上部的荷載可以有效的限制裂縫的寬度，有利于抑制電阻的激增。

圖6 不加堆載處理的淤泥

圖7 施加4 kPa堆載處理后的淤泥

圖8 施加8 kPa堆載處理后的淤泥

此外，對(duì)淤泥豎直方向淤泥高度變化進(jìn)行了分析。因水力沖挖淤泥固結(jié)應(yīng)變可達(dá)到 40%以上，此時(shí)太沙基單向固結(jié)理論的應(yīng)變假定不適用于計(jì)算該類土體固結(jié)沉降，故本試驗(yàn)不使用單向固結(jié)理論對(duì)不同外載下土體沉降值進(jìn)行計(jì)算。

試驗(yàn)過(guò)程中取淤泥表面各位置測(cè)量淤泥高度，測(cè)量結(jié)果取平均值。初始高度減去當(dāng)前高度計(jì)算淤泥表面沉降值，并繪制沉降值隨時(shí)間變化的曲線(圖9)。由不同荷載下沉降隨時(shí)間變化曲線得：上部荷載越大，淤泥的沉降越大。原因主要包括2個(gè)方面：一方面由于堆載的壓實(shí)作用，使土體排水固結(jié)引起沉降；另一方面由于荷載限制了裂縫的擴(kuò)展，減緩電流的衰減，有利于淤泥脫水，間接促進(jìn)了淤泥沉降。2號(hào)槽中裂縫處分布的白色物質(zhì)為霉菌菌落，是由于淤泥中有機(jī)質(zhì)含量豐富導(dǎo)致，對(duì)淤泥變形影響可以忽略。

圖9 不同荷載下沉降隨時(shí)間變化

2.2 排水量與排水速率

本次試驗(yàn)荷載采用分級(jí)加載的方式，1號(hào)試驗(yàn)槽不加載，2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)槽在36 h時(shí)施加堆載4 kPa，3號(hào)試驗(yàn)槽在72 h再次施加堆載4 kPa，3號(hào)試驗(yàn)槽共計(jì)堆載8 kPa。

在模型試驗(yàn)過(guò)程中收集水氣分離罐中的水，記錄淤泥排出的水的質(zhì)量，并繪制累計(jì)排水量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線圖。圖10中，36 h第一次施4 kPa加荷載后，施加荷載的2號(hào)和3號(hào)試驗(yàn)槽排水量開(kāi)始大于不施加荷載的1號(hào)試驗(yàn)槽；72 h時(shí)在3號(hào)試驗(yàn)槽第二次施加荷載，排水量出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上部堆載能有效增加排水量，堆載越大，排水量增加越明顯。

圖10 累計(jì)排水量變化

2.3 電流隨時(shí)間變化

試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)陰陽(yáng)極之間的電流值，繪制電流隨時(shí)間變化曲線，見(jiàn)圖11。從圖中可以看出，電流值隨時(shí)間增加而減小，最終穩(wěn)定在0.2 A左右，不加荷載的試驗(yàn)，電流值在0～45 h時(shí)快速降低；加4 kPa荷載的情況，淤泥在50～90 h快速下降，加8 kPa荷載的試驗(yàn)，電流值在90～100 h之間快速下降。同時(shí)，在每次施加荷載后的一段時(shí)間內(nèi)電流值略有增大。因此，淤泥表面施加堆載可以一定程度減緩電流值的衰減，有利于淤泥脫水固結(jié)。

圖11 電流隨時(shí)間變化

2.4 含水率變化

本次試驗(yàn)分別對(duì)試驗(yàn)槽上部、下部和整體的淤泥取樣進(jìn)行含水率測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果(表3)表明，上部靠近陽(yáng)極的淤泥含水率較低，底部靠近陰極的淤泥含水率高，這是由于水從陽(yáng)極向陰極運(yùn)移，并在陰極匯集，未來(lái)得及排出。上部加堆載后，處理效果也有明顯提升，且堆載越大，相同位置的淤泥在處理后含水率越低。在施加8 kPa荷載的試驗(yàn)方案中，上部的淤泥得到了比較充分的脫水干化，含水率僅為42.66%。

表3 含水率測(cè)試結(jié)果

2.5 有效電勢(shì)分析

由于整個(gè)電路中會(huì)產(chǎn)生熱能，會(huì)損耗部分電能，通過(guò)土樣的兩端電壓不可能是電源輸出電壓，因此為了監(jiān)測(cè)土樣中的實(shí)際電壓，分別在土樣距陰陽(yáng)兩電極10 mm 處放置直徑為1 mm 的測(cè)針；用萬(wàn)能表分別監(jiān)測(cè)了陰極與土體間的電勢(shì)降、陽(yáng)極與土體間電勢(shì)降。有效電勢(shì)定義為輸出電壓減去兩極的電勢(shì)降，可以評(píng)估通過(guò)土體中的有效電勢(shì)。

通過(guò)監(jiān)測(cè)陰極、陽(yáng)極電勢(shì)降，計(jì)算得有效電勢(shì)，并繪制于有效電勢(shì)隨時(shí)間變化，見(jiàn)圖12。一方面，發(fā)現(xiàn)淤泥中的有效電勢(shì)呈現(xiàn)整體先增大后減小的變化規(guī)律，這與土體成分的非均質(zhì)特性有關(guān)。電滲早期的試驗(yàn)過(guò)程中，電流在土體中形成復(fù)雜的通路體系，形成的導(dǎo)電路徑越多則電路中的電流越大，此時(shí)淤泥的含水率還很高，根據(jù)歐姆定律，U=IR，因此有效電勢(shì)出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)電滲試驗(yàn)進(jìn)行到后期，土體含水率下降，電阻增大，電流減小，有效電勢(shì)降低。另一方面，上部施加荷載后，有效電勢(shì)降低的時(shí)間延后，更有利于電滲脫水效果。

圖12 有效電勢(shì)隨時(shí)間變化

2.6 能耗系數(shù)

李瑛等[16]為研究不同電源電壓作用下電滲的能耗水平，定義了能耗系數(shù)C，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中φ——電源的輸出電壓；It——在通電后某時(shí)刻土體中的電流；Qt1—2——通電時(shí)間t1到t2時(shí)間內(nèi)的電滲排水量；V——土樣的初始體積，本試驗(yàn)中V等于0.02 m3。

如果t1和t2較接近，那么C就能表示電滲過(guò)程中任意時(shí)刻從單位體積土中排出單位體積水所消耗的電能。

計(jì)算不同堆載下水平電滲法能耗系數(shù)，繪制能耗系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖13。由曲線圖可以看出，在電滲的前期和中期，3種方案的能耗系數(shù)均維持在較低水平，能耗系數(shù)值小于20 kW·h/(L·m3)，在100 h時(shí)上部不堆載方案的能耗系數(shù)突然快速增大，120 h時(shí)，堆載4、8 kPa方案的能耗系數(shù)也出現(xiàn)相同趨勢(shì)變化，且同一時(shí)刻堆載越小，能耗系數(shù)越大。這是由于在電滲末期，排水速率越來(lái)越接近0，而淤泥體中仍有一定大小的電流，導(dǎo)致能耗系數(shù)迅速增大。

圖13 電滲能耗系數(shù)

因此在實(shí)際應(yīng)用中，并非電滲時(shí)間越長(zhǎng)越好，電滲末期能耗高、排水少，應(yīng)該在此階段前停止電滲。對(duì)于阜陽(yáng)市河道底泥，在采用堆載聯(lián)合水平電滲的方法進(jìn)行處理時(shí)，建議停止時(shí)間為120 h。

3 結(jié)論

本文提出了水平電滲聯(lián)合堆載預(yù)壓法，設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)，并對(duì)水力沖挖淤泥脫水效果進(jìn)行了研究，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析，得出了以下主要結(jié)論。

a)水平電滲法能夠有效對(duì)淤泥進(jìn)行脫水，縮短淤泥干化時(shí)間，解決滲透性低的淤泥的排水固結(jié)問(wèn)題。電滲時(shí)間并非越長(zhǎng)越好，應(yīng)根據(jù)能耗系數(shù)隨電滲時(shí)間變化關(guān)系找出最佳電滲時(shí)間，避免電滲能耗系數(shù)額突增。

b)上部施加荷載可以限制淤泥的裂縫寬度，上部荷載越大，淤泥裂縫的寬度越小，淤泥的沉降越大；上部荷載越大，淤泥的排水量越大且處理后的含水率更低；上部施加荷載可以延遲電流的衰減，延后有效電勢(shì)的降低，有利于淤泥排水固結(jié)。

c)水平電滲與堆載預(yù)壓法結(jié)合，顯著提高淤泥土體沉降值、排水量、排水速率，增強(qiáng)有效電勢(shì)，延長(zhǎng)電滲能耗系數(shù)突變時(shí)間。