莆田玉湖淤泥物理特性及綜合利用途徑分析

陳明霞 朱金水

摘 要：玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖而成的人工湖，本文通過地質(zhì)勘察、土工試驗(yàn)及重塑狀態(tài)裂隙形成過程對(duì)比試驗(yàn)，研究了其淤泥的物理特性，結(jié)果表明：玉湖淤泥具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、含水量高、有機(jī)質(zhì)含量高、呈流塑等物理特性，IP值高于一般的河相淤泥，為高液限黏質(zhì)土，且表現(xiàn)出遇水膨脹微弱，但失水收縮強(qiáng)烈的特點(diǎn)。結(jié)合這些性質(zhì)特點(diǎn)，本文對(duì)淤泥資源化利用進(jìn)行研究，提出了固化處理技術(shù)規(guī)程、土地利用和建筑材料利用的相關(guān)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，以期為城市河湖淤泥的資源化利用提供技術(shù)支持，為建設(shè)“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)和重要參考。

關(guān)鍵詞：木蘭溪;淤泥資源化利用;建材利用

中圖分類號(hào)：S157;X37 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2021）05-0041-05

木蘭溪流域?qū)儆谥衼啛釒ШＱ笮詼嘏瘽駶櫟募撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量約為1122mm，降水年際變化大，年最大最小降雨量相差1300mm;降水年內(nèi)分配不均，7～9月份的臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié)，降雨量占全年的45～65%，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻繁。木蘭溪下游河段河床平均比降只有0.02%，河道蜿蜒曲折，上游發(fā)生山洪暴發(fā)，加上漲潮海水的頂托作用，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。1999年莆田開始對(duì)木蘭溪進(jìn)行截彎取直和兩岸筑堤的整體治理工程，把原來16公里的行洪河道截直至8.64公里。玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖的人工湖，水域面積超過700畝，采取的是“改道不改水”的開挖方式，由于闊口橋下緊鄰該市最大商業(yè)綜合體，又有城市內(nèi)河匯入，老河道流速變緩，泥沙淤積，逐漸減少城市水域面積、降低防洪排澇能力，引發(fā)河湖富營養(yǎng)化及黑臭問題。玉湖作為莆田城區(qū)防洪排澇體系的重要組成部分，肩負(fù)著蓄淡、排澇、生態(tài)、景觀功能，無論是對(duì)城市“黑臭水體”整治，還是從淤泥資源化利用，豐富城市生態(tài)內(nèi)涵，對(duì)淤泥的處理及利用都是一項(xiàng)重要的研究課題。

目前解決泥沙淤積的主要措施[1-3]有虹吸清淤、挖泥船清淤、氣力泵清淤及振蕩脈沖射流與氣舉清淤等裝置。國外河流淤泥治理更加重視城市淤泥脫水減量處理及對(duì)脫水后淤泥的資源化利用，技術(shù)比較常用的主要有中固化處理、分級(jí)壓榨脫水、移動(dòng)式連續(xù)脫水、高壓脫水等。國內(nèi)目前對(duì)河流淤泥主要沿用傳統(tǒng)的處理技術(shù)，采取的主要是進(jìn)行填埋或運(yùn)送至堆泥場(chǎng)堆放[4]，隨著人們對(duì)環(huán)保要求的提高，淤泥處置及資源化處理利用方面的研究逐漸增加[5-7]，但仍處于起步階段，尤其是資源化利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)幾乎是空白。玉湖是老河道開挖成的湖泊，又受潮流影響，淤泥深受河相、湖相及海相的影響，本研究結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況，參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提出淤泥資源化利用的技術(shù)要求，能夠更好地為實(shí)現(xiàn)人水和諧的美麗城市提供重要參考。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)狀況

本區(qū)為海積平原地貌，地勢(shì)平坦，地質(zhì)構(gòu)造屬閩粵東南沿海新華夏構(gòu)造體系，巖性為燕山晚期花崗巖。該區(qū)地質(zhì)歷史時(shí)期由于受海水潮流、河水侵蝕及地殼升降等影響，沉積物中含泥量多，具有海陸交互相及濱海相沉積的特點(diǎn)。工程地質(zhì)狀況自上而下主要分為以下幾層：

（1）耕作層：黃褐色、褐色，混有植物根系，主要成分以粘性土為主，含少量中、粗石英砂粒，局部地段有較多碎石，磚瓦等。

（2）粉質(zhì)粘土：褐色。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=4.0～8.0擊，經(jīng)桿長修正后標(biāo)貫擊數(shù)N=4.0～7.9擊。

（3）淤泥？譹？訛：灰色或深灰色，有少量有機(jī)質(zhì)，實(shí)測(cè)含水率>60%。

（4）中砂：黃色、灰黃色，飽和，成分以石英砂為主。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)N=6.0～13.0擊，經(jīng)桿長修正后標(biāo)貫擊數(shù)N=5.1～10.5擊。

（5）淤泥？譺？訛：灰色或深灰色，質(zhì)地細(xì)膩，實(shí)測(cè)含水率>60%。

（6）砂礫卵石層：黃褐色或褐色，其間充填中砂。承載力基本容許值為180-350KPa。

（7）殘積土層：全風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖及強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖等，工程力學(xué)性能較好，未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面軟弱巖層，承載力基本容許值為450-3000KPa。主要由第四紀(jì)覆蓋土層及花崗巖基巖組成。

從各巖土層空間分布特征看，縱剖面上各土層及風(fēng)化巖層厚度變化大，各風(fēng)化巖層的力學(xué)強(qiáng)度、性狀特征存在一定程度的差異，其中（6）（7）承載力基本容許值較高，可作為工程建設(shè)的樁基持力層。

2 研究區(qū)淤泥特性

淤泥試樣取自莆田市玉湖兩館一宮至玉湖路地段，取樣深度為湖底0-0.8m。

2.1 淤泥特征

淤泥呈深灰色至黑色，飽和，呈流塑或流動(dòng)狀態(tài)，具有緊實(shí)黏重特性[8]。淤泥包含生活垃圾及植物根系等腐殖質(zhì)，有腥臭味，可見少量貝殼碎屑，稍有砂感。干強(qiáng)度中等，韌性中等，光澤反應(yīng)有光澤。

2.2 基本物理性質(zhì)

該段湖泊淤積深度約0-0.8m。根據(jù)GB/T50123 -1999土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法[9]，對(duì)淤泥的基本物理性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示。

玉湖的淤泥中性到偏堿性，含水量高、重度低、孔隙比高，其中Il>1，說明淤泥為流塑狀態(tài)，IP>17，屬高液限黏質(zhì)土。淤泥質(zhì)地黏細(xì)是有顆粒組成決定的，從表2可以看出，淤泥顆粒直徑d<1mm占到98%以上，質(zhì)地黏細(xì)。

表3為不同河湖淤泥物理性質(zhì)比照表[10-13]，由表可知，在重度上除白馬湖未查看到相關(guān)資料外，其余三個(gè)地區(qū)的淤泥值均較小，說明淤泥高含水量，天然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低;不同河湖淤泥含水率都很高，故淤泥在固化前要先進(jìn)行脫水處理，減少固化材料的使用，提高固化效果;從塑性指數(shù)的角度來看，除秦淮河是粉質(zhì)黏土外，其余為黏土，玉湖和秦淮河均屬于河相沉積，玉湖IP大于秦淮河，與玉湖是人工湖的原因有關(guān)，但其值又比湖相白馬湖、五里湖和海相大亞灣值要小得多，與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關(guān)，說明河相比湖相淤泥顆粒比表面積更小，顆粒吸附能力更低，表現(xiàn)為土壤顆粒間粘結(jié)力較差，表明淤泥固化處理上河相淤泥比湖相、海相淤泥更難處理。有機(jī)質(zhì)含量上可以看出，河相淤泥>湖相>海相，據(jù)范昭平研究，4.3%是有機(jī)質(zhì)含量極限值，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量不超4.3%時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量越高，越有利于固化[12]，玉湖淤泥有機(jī)質(zhì)含量只比海相大亞灣略高，固化處理難度大。

2.3 重塑土裂隙實(shí)驗(yàn)

本研究的重塑土指的是土樣取回經(jīng)實(shí)驗(yàn)室后自然風(fēng)干后粉碎，并過1mm銅篩。在處理上將重塑土放置于鋁盤上，加足夠蒸餾水?dāng)嚢杈鶆蚰ㄆ奖砻婧笊w上保鮮膜靜置24小時(shí)，確保其含水量超過90%，觀察其在室溫下土體水分蒸發(fā)裂隙形成的過程。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，重塑土裂隙形成及發(fā)展主要有四個(gè)階段（見圖2），即裂隙始成期、形成期、發(fā)展期及穩(wěn)定期。

為了區(qū)分淤泥與工程膨脹土、紅黏土（土樣來自福建莆田）性質(zhì)上的差別，工程膨脹土與紅黏土重塑土處理上參考淤泥，觀測(cè)其裂隙變化。在裂隙始成期（見圖3），工程膨脹土裂隙形成是先從鋁盤中間部位形成[8]，原因是工程膨脹土遇水膨脹后向鋁盤四周擠壓的同時(shí)，受到來自鋁盤邊緣的“反箍”作用力，整個(gè)土體只好向中間“隆起”，所以中間部分水分蒸發(fā)快，裂隙最先形成。淤泥及紅黏土裂隙是從鋁盤四周開始形成，說明這兩種土體遇水膨脹微弱。

在裂隙穩(wěn)定時(shí)期，這三種土體都表現(xiàn)出強(qiáng)烈收縮，收縮能力表現(xiàn)為紅黏土>變性土>淤泥，說明在失水收縮中，淤泥體積減少最為劇烈，所以在淤泥綜合運(yùn)用上應(yīng)先進(jìn)行脫水，有效減少體積有利于運(yùn)輸處理。

3 淤泥的資源化利用

在全國不少地區(qū)，清淤主要以政府為投資主體，通常在每年冬春季節(jié)圍堰抽水，由于未對(duì)淤泥進(jìn)行二次利用，淤泥的運(yùn)輸及堆放一直是老大難問題，而對(duì)廢棄的淤泥通過技術(shù)處理進(jìn)行資源化利用則是解決這一問題的重要途徑。淤泥具有高含水率、高天然孔隙比、高塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量高、高靈敏度等特點(diǎn)，如果清淤問題沒有及時(shí)妥善解決，不僅會(huì)占用大量的土地，還會(huì)污染環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。依照《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》提出的對(duì)固體廢棄物控制的無害化、減量化和資源化的“三化”原則，要盡量對(duì)淤泥進(jìn)行資源化利用。

3.1 淤泥的固化處理

淤泥固化技術(shù)已在國內(nèi)外開展了許多研究，并取得一系列成果[14-18]。固化處理作為淤泥資源化利用的有效方式，主要是向淤泥中加入一定量的固化材料，改善淤泥的理化性質(zhì)和力學(xué)性能，具備符合要求的承載力，能代替砂石和土料，并在筑堤壩、堤防加固工程、路基、填方等工程中得到應(yīng)用[19]。

根據(jù)《堤防施工規(guī)范》（中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL260-98）[20]要求，淤泥不適宜用于筑堤，若需采用時(shí)，需具備較為寬敞的場(chǎng)地或淤泥池，用于晾曬或者是預(yù)先拌合，在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。木蘭溪利用在截彎取直工程中產(chǎn)生的大量淤泥筑堤，經(jīng)過必要的技術(shù)處理，制定土堤型式施工技術(shù)，利用新挖河道的淤泥用于堤防填筑[21-22]，通過在河道淤泥上打沙井，使淤泥中的水分充分排干，再經(jīng)過晾曬使之硬化，成為地基，壩體也是利用層層晾干后的淤泥砌筑而成，最后用繩索、土工布和混凝土塊等加固封壩體，這樣一方面可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約土地資源又可以實(shí)現(xiàn)土方平衡、減少工程投資。

玉湖新城正處在建設(shè)開發(fā)時(shí)期，大量道路還未布設(shè)，用淤泥填筑路基，可以就地取材，在填筑時(shí)，首先要使其含水率降到適宜路基壓實(shí)的含水量水平。石灰在降低含水率方面作用突出，但成本高，經(jīng)濟(jì)適用性差。石灰粉煤灰含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等成分，但粉煤灰在長途運(yùn)輸過程中含水率可以達(dá)到20%，在降低淤泥含水量作用上不大理想。莆田秀嶼城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的爐渣成分和粉煤灰類似，處理上可以將爐渣與石灰混合含水量高的淤泥，使?fàn)t渣與淤泥同時(shí)得到資源化利用，又能解決路基來土問題。

3.2 淤泥的土地利用

淤泥的土地利用主要是將經(jīng)過處理的污泥用于園林綠化、農(nóng)業(yè)填肥等方面，是實(shí)現(xiàn)污泥的資源化和循環(huán)利用的有效途徑，可以用作栽培介質(zhì)土或土壤改良材料，改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力，為植物提供營養(yǎng)元素。

在城建快速擴(kuò)張過程中，由于缺乏整體性的考慮，場(chǎng)地“三通一平”前的優(yōu)質(zhì)土壤沒有得到有效的利用，且土壤中混雜越來越多建筑垃圾，導(dǎo)致城市園林綠化無土可用，而經(jīng)過處理改良后的淤泥可以滿足需要。目前我國園林綠化行業(yè)可操作的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不夠健全，園林綠化用淤泥準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)可以參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（CJ248-2007）[23]（見表3）。園林綠化用淤泥一般用作栽培介質(zhì)土或土壤改良材料，也可作為制作有機(jī)肥的原料。要求淤泥比較疏松，無明顯腥臭味。淤泥施用時(shí)間最佳季節(jié)為9月份至次年的5月份，喜鹽堿的植物可以增加淤泥用量。

堆肥化是淤泥應(yīng)用在農(nóng)業(yè)的主要途徑，根據(jù)《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB4284-2018[24]的規(guī)定，生污泥必須經(jīng)過高溫堆腐處理后才能施用于農(nóng)田，可施用于大田、園林和花卉上，但不能施用于蔬菜地和當(dāng)年放牧的草地上，并且規(guī)定干污泥通常用量不超過30t/（hm2.a）。有研究資料表明[25]，堆肥能夠顯著降低底泥中的鹽分，如果淤泥的連續(xù)施用率不超過50t/（hm2.a），底泥中鹽分不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成危害。參考《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB4284-2018（見表4），可以看出，除了總養(yǎng)分要求外，其他標(biāo)準(zhǔn)與園林綠化用值差不多，其中生物學(xué)指標(biāo)與園林綠化用淤泥一致，所以淤泥應(yīng)用于園林綠化或農(nóng)業(yè)堆肥施用時(shí)先進(jìn)行脫水處理盡量以干燥形態(tài)應(yīng)用。除此之外，在淤泥的土地利用中，還需要嚴(yán)格控制淤泥中有機(jī)毒性物質(zhì)，減少其對(duì)周圍環(huán)境和人類食物鏈安全造成的影響[26]。

3.3 建筑材料利用

莆田在將淤泥作為原料生產(chǎn)建筑材料上有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。莆田于2007年引進(jìn)清淤挖泥船，并將清理的淤泥用于生產(chǎn)環(huán)保淤泥多孔磚，淤泥經(jīng)脫水破碎處理技術(shù)處理后摻合煤渣，以木屑、竹屑等為燃料，加入配方到多孔輪窯里燃燒。經(jīng)檢測(cè)，多孔磚安全、環(huán)保，達(dá)到新型墻體建筑材料要求，這樣既解決木蘭溪南北洋河道淤泥處置問題，又實(shí)現(xiàn)淤泥資源化，對(duì)改善南北洋水環(huán)境起到很大的作用。

許多研究和應(yīng)用表明，將淤泥應(yīng)用于各種類型建筑工程中使用的材料，主要包括制磚、水泥、陶粒等，產(chǎn)品都能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[27-30]。淤泥中含有豐富的蒙脫石、伊利石等黏土礦物，可以代替黏土礦物應(yīng)用于制磚和水泥。與利用耕地黏土制磚相比，淤泥制磚既解決城市河湖清淤問題，又實(shí)現(xiàn)淤泥資源化利用，對(duì)改善河湖水環(huán)境將起到很大的作用，具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。

根據(jù)《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)普通磚》GB 5101-2017[31]規(guī)范要求，規(guī)范規(guī)定制磚主要原料分為黏土磚（N）、頁巖磚（Y）、煤矸石磚（M）和粉煤灰磚（F）、建筑渣土磚（Z）、淤泥磚（U）、污泥磚（W）和固體廢棄物磚（G）。淤泥制磚時(shí)，其尺寸偏差、外觀質(zhì)量、強(qiáng)度、抗風(fēng)化性能、石灰爆裂和泛霜、放射性物質(zhì)等必須符合規(guī)范上的要求。

4 結(jié)論

（1）對(duì)比不同地區(qū)淤泥基本物理性質(zhì)，玉湖淤泥主要特征為中性到偏堿性，含水量高、重度低、孔隙比高，塑性指數(shù)IP=18.14，屬于高液限黏質(zhì)土，IP值高于一般的河相淤泥，與玉湖是人工湖的原因有關(guān);IP值又低于湖相、海相淤泥，與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關(guān)，說明玉湖淤泥固化處理難度比湖相、海相淤泥更大;除此以外，玉湖淤泥受有機(jī)質(zhì)含量低的影響，淤泥固化處理難度大。

（2）淤泥在固化前，需具備較為寬敞的場(chǎng)地或淤泥池，用于晾曬或者是預(yù)先拌合，在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。從經(jīng)濟(jì)性及適用性看，固化處理采用爐渣與石灰混合含水量高的淤泥。

（3）參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提出了土地利用和建材利用的相關(guān)準(zhǔn)入條件和技術(shù)要求，為城市河湖淤泥的資源化利用提供重要參考，為建設(shè)“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)。

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