淤泥固化-微地形構建在河湖治理工程中的應用

李世汩 陳文峰 王龍濤 羅偉

摘要： 受污染河湖淤泥大規(guī)模處理處置一直是河湖治理工程的重難點，近年來興起的淤泥固化技術在規(guī)?；幚硎芪廴居倌嘀械墓こ虘檬呛雍卫砉こ剃P注焦點。根據固化淤泥重塑土的性質，淤泥固化-微地形構建技術將淤泥的改性固化與土地利用相結合，在符合土壤環(huán)境質量標準的前提下，使淤泥固化中拌和、悶料養(yǎng)護等環(huán)節(jié)與微地形構建協(xié)同，種植林木，增強了區(qū)域的水土保持與碳中和能力。提出了河湖淤泥大規(guī)模處理處置的新途徑，相關指標可為今后同類工程提供參考。

關鍵詞：淤泥固化;河湖治理;微地形構造;二次重塑

中圖法分類號：X171.4 文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.006

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0032 - 06

0 引 言

淤泥處理處置是河湖治理工程的重要環(huán)節(jié)，沉積于江河湖海及城鎮(zhèn)溝渠底部的淤泥，是水體主要內源污染源[1]。淤泥固化處理通過向淤泥中加入適量的固化材料，改善淤泥理化性質和力學性能，將其轉變成滿足一定承載力與環(huán)境要求的土體，是淤泥資源化利用的有效方式。近年來，國內外學者對淤泥固化展開了一系列研究[2-4]。

將淤泥就近改性固化，使其符合土壤環(huán)境質量標準，就近堆筑微地形進行水土保持建設，可減少和避免清淤淤泥、固化淤泥轉運，避免填埋場占用、降低工程造價，并能增加沿河固碳綠化林木，助力碳中和，將產生良好的經濟效益和環(huán)境效益，是解決淤泥污染與處理處置問題的新途徑[5-6]。本文介紹了淤泥改性固化與微地形構造技術在河道綜合治理工程中的應用與研究，探討了相關處置標準的適用性，工藝優(yōu)化與技術指標的選擇，分析了該技術的工程效益與環(huán)境效益。

1 淤泥固化-微地形構建技術

淤泥固化過程中，在早期養(yǎng)生階段的24～72 h，淤泥含水率已明顯下降，淤泥黏聚力、內摩擦角以及液塑限開始降低，可塑性顯著提高，并能滿足部分履帶式機械承載力要求。重塑的淤泥雖然強度略有折減，但對最終的強度影響有限[7-9]。桂躍等[10]對固化淤泥重塑土的研究表明，重塑前養(yǎng)護齡期、重塑后養(yǎng)護齡期、水泥摻灰比對固化淤泥重塑土的強度有顯著影響。重塑前的養(yǎng)護齡期越長，破碎過程帶來的強度折減越大;水泥摻灰比越大、強度折減越大[11-12]?；诖穗A段固化淤泥的特性，在養(yǎng)生早期進行合理的攤鋪、碾壓和重塑堆筑，形成了淤泥固化-微地形構建技術。

2 室內淤泥固化試驗

為解決場地受限條件下的荊門竹皮河河道綜合治理工程的大量污染淤泥的處理處置問題，開展了淤泥固化-微地形構建技術在該工程的應用研究。取河道淤泥最集中的K6+000處附近淤泥進行了基本性質檢測，按照GB/T 50123-1999 《土工試驗方法標準》進行固化室內試驗。主要試驗包括：固化藥劑對照試驗、無側限抗壓強度試驗以及不同齡期、摻量的對比試驗等，固化藥劑采用了HAS淤泥改性劑、32.5礦渣水泥兩種典型藥劑，以確定淤泥藥劑的類別和摻量。固化淤泥重塑試驗工況設定見表1。

檢測結果顯示，所取淤泥天然含水率61%，液限塑限分別為54.9%，28.2%，淤泥比重為16.9 kN/m3，有機質含量6.5%。淤泥抗壓強度15.3 kPa，黏聚力2 kPa，內摩擦角6°。針對該淤泥特性，根據前期經驗與調研，分別選取6%，8%兩個摻量，按表1所示工況進行試驗，攪拌方式均采用UJZ-15砂漿攪拌機機械攪拌，自然堆積和養(yǎng)護。如表2所示，攪拌后3～7 d，HAS淤泥改性劑處理的淤泥含水率下降相對略快，28 d時，兩種材料處理的淤泥含水率接近。

淤泥經兩種材料改性固化后的強度整體均呈增長趨勢，3 d前后固化淤泥已有一定強度，后續(xù)固化淤泥強度持續(xù)增長。水泥固化淤泥初期硬化速度、含水率減少速度及強度增長相比HAS淤泥改性劑略慢，HAS淤泥改性劑更有利于提高淤泥處理效率。從藥劑摻量選擇上，摻量從6%增加到8%，強度平均增長顯著，含水率平均下降2%～3%，固化淤泥重塑強度明顯提高（表3）。

選擇合適的時間重塑固化后的淤泥對于指導現(xiàn)場施工有重要意義。自然堆積條件下，強度增長太小無法填筑，太大則黏聚在一起的土壤顆粒被破壞，顆粒間黏結力大大削弱，重塑后固化淤泥土的物理與力學性能難以恢復到破碎前的程度，也不利于強度后續(xù)增長。綜合考慮相關因素后，現(xiàn)場應以8%的摻量進行固化處理，3～7 d后固化淤泥即可進行重塑填筑，具體施工則應根據淤泥含水狀態(tài)調整重塑時間。

為驗證固化淤泥進行微地形堆筑可行性，對固化淤泥進行了相關土工指標檢測，檢測結果見表4。工程施工前進行固化淤泥的肥力指標檢測及盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，固化淤泥無明顯的抑制性，試種小葉女貞可正常生長。肥力指標檢測表明，下游河道固化淤泥含鹽量1.3 mS/cm，陽離子交換量為12.9 cmol/kg，水解性氮、有效磷及速效鉀含量分別為90.4，96.7 mg/kg和114 mg/kg，可用于園林綠化。

3 工程應用

3.1 清淤范圍

荊門竹皮河河道治理前為黑臭河道，沿岸大部分截污管道為合流制管道，汛期大量污水隨雨水排入河道，形成了嚴重的溢流污染，導致河水水質處于劣Ⅴ類狀態(tài)[13-14]。河道下游的K4+500～K6+200段，地勢開闊，河道曲折，水流速變緩，大量的石油類、硫化物、重金屬等在此段淤積[15-16]。

工程實施前，在河道治理范圍選擇了7個典型點位對淤泥進行監(jiān)測，以確定河道清淤工程實施范圍。表5結果表明，該河道淤泥氮、磷污染較嚴重，累積指數(shù)法的評價結果顯示，大部分河道底泥屬于污染狀態(tài)。

采用MIKE11模型進行水動力與水質耦合模擬，預測控源截污工程實施后的水質達標情況，發(fā)現(xiàn)簡單的控源截污仍無法確保水質達到地表Ⅳ類水標準的考核要求，需實施清淤工程以清除內源污染。考慮河道行洪能力要求和水體生態(tài)安全，河道治理范圍內全部的淤泥需進行徹底清淤，清淤平均深度為0.5～1.2 m。

工程采用HAS淤泥改性劑對淤泥進行固化處理，并在擬建的河道下游兩處公園內構建微地形消納固化淤泥。工程所采用的HAS淤泥改性劑是以具有潛在活性的礦物材料為主要原材料，加入適量石膏和表面活性劑等改性劑材料磨細制成的，能顯著改善淤泥理化性質，提高其脫水性能的功能材料[17-18]。

3.2 淤泥固化處置標準

河湖清淤工程淤泥處理處置未出臺國家或行業(yè)國標。已發(fā)布的標準有團體標準T/CWEA 7-2019《河湖淤泥處理處置技術導則》，廣東省地方標準《城市河湖環(huán)保清淤及底泥處理處置技術規(guī)程》正在征求意見。2018年8月1日，GB 15618-2018《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》和GB 36600-2018《土壤環(huán)境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》開始實施。由于工程竣工驗收時間在2019年后，故參照新土壤環(huán)境質量標準作為固化淤泥處置最終的標準。

3.3 微地形設計

根據工程地質資料，微地形構建區(qū)域的地基承載力大于100 kPa，滲透系數(shù)小于1×10-5? cm/s，該區(qū)域從上至下底質情況分別為：第一層，素填土層，厚度0.5 m;第二層，粉質黏土，厚度2.7 m;第三層，粉砂層，厚度0.9 m;第四層，高程59.27 m以下為中等風化泥質粉砂巖。

為確保微地形構建工程的穩(wěn)定性，工程實施時基礎采用土壤固化劑進行了強化處理，控制微地形高度不高于7 m，最陡部位邊坡坡度不大于1∶5，遠高于DB42/T 159-2012《基坑工程技術規(guī)程》及GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術規(guī)范》自穩(wěn)邊坡控制要求。結合公園地形，建設集水渠和沉淀池，坡面導排的水通過集水渠進入沉淀池，經過池內植物的凈化后，再排至河道。微地形的覆綠植物，優(yōu)選了狗牙根、黑麥草、紫花苜蓿作為種植面積最大的地被植物，并適量種植樹木及竹林（圖1）。

3.4 淤泥固化

3.4.1 堆泥瀝水

轉運至集中處置區(qū)域的淤泥，依次填入堆泥瀝水網格分區(qū)瀝水，瀝水時間約24 h。各網格分區(qū)中瀝出的明水由圍堰外側排水溝收集，通過導流溝渠匯集至尾水沉淀池。在沉淀池中尾水投加PAM（聚丙烯酰胺），SS值降低至70 mg/L后排回河道。

3.4.2淤泥改性固化

對完成達到瀝水時間的淤泥，使用反鏟挖掘機，按照堆泥瀝水順序，將瀝水后的淤泥轉運至對應的固化區(qū)域，就地在固化區(qū)進行淤泥改性劑均勻布料與拌和。在集中固化場采取多臺挖掘機多點固化的方式，分區(qū)域用挖掘機沿區(qū)域一側或周邊開始，逐步向另一側推進，直至該區(qū)域全部拌和完成。改性藥劑按7%～8%摻量進行固化藥劑布料、拌和，順序按淤泥瀝水與固化轉運先后，從一側開始，逐步向另一側推進。完成一個網格布料拌和操作后，依次進行下一網格淤泥轉運與布料拌和。

將拌和的混合料靜置堆放，進行24～48 h的初次悶料，使固化淤泥無側限抗壓強度達到60～80 kPa，以滿足履帶式推土機行走要求。同時，每批次的改性淤泥符合GB 36600-2018《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》（試行）后，進行二次悶料。

采用推土機將完成初級悶料的固化淤泥由外側向內側推進、轉運至堆筑區(qū)，按水平層次從最低處開始進行攤鋪作業(yè)、翻曬悶料。轉運改性淤泥攤鋪時保證整體略有坡度，便于悶料瀝水。然后，按改性固化處理的網格順序，依次進行下一塊網格區(qū)域改性固化土的二次攤鋪，直至所有淤泥固化區(qū)域淤泥均完成處理。二次悶料的淤泥固化土無臭味、呈硬塑狀，遇水不泥化。養(yǎng)護后的淤泥固化土符合表6要求，即達到最終的回填土要求，可以滿足后續(xù)景觀微地形堆筑的需求。淤泥固化-微地形構建工藝流程見圖2。

3.4.3 質量控制

為確定固化淤泥用于堆筑景觀山體是否符合環(huán)境管理要求及相關法律法規(guī)要求，對固化淤泥的重金屬含量進行了檢測。檢測過程邀請了環(huán)境保護主管部門進行了見證，并對整體的施工方案組織了專家評審。因堆山造景地塊屬于郊野公園，土地類型屬于GB 36600-2018《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準》（試行）中第二類用地中的綠地及廣場用地。對照相應限值，固化淤泥中重金屬銅、鉛、鎘、鉻（六價）、鎳、汞及砷的濃度遠低于管制值的要求，更低于篩選值要求，重金屬的污染風險可以忽略。

3.5 微地形構建

固化淤泥滿足上述標準后，固化淤泥悶料與土方填筑過程同步進行，分層攤鋪，自下而上分層堆填。為確保壓實度與二次悶料效果，每層的鋪料厚度控制在30 cm左右。一層攤鋪完成后，用推土機低速碾壓4～5遍，使表面平實、均勻。經檢測符合要求的二次悶料分區(qū)，采用挖掘機/推土機等履帶式機械進行碾壓，控制填土壓實達到85%以上。

二次重塑后的固化淤泥養(yǎng)護、碾壓后，進行人工細整，使地形自然、排水通暢。去除表面的大石塊，垃圾等，進行表層種植土覆土，覆土厚度參照CJJ 82-2012《園林綠化工程施工及驗收規(guī)范》相關要求，按0.5 m厚度控制。最后對填筑微地形復綠，先種植較大喬灌木品種，再播撒用作地被草種復綠。收集瀝水的排水溝播撒草子改建為植草溝，尾水沉淀池改建后種植水生/濕生植物，收集凈化雨水。2 a后，固化淤泥堆筑成的微地形無顯著沉降，地表喬木、灌木及草本植物生長良好（圖3）。

4 工程效果分析

采用淤泥改性固化技術處理淤泥，顯著減少了淤泥體積，實現(xiàn)污染淤泥的穩(wěn)定化、減量化和無害化。固化前后淤泥體積顯著減小。釆用容重法計算淤泥固化前后體積變化值可知，相對原狀淤泥，該段河道淤泥經改性固化后體積減少約50%，效果顯著（表7）。

在城市渣土及固體廢物填埋場越來越稀缺的背景下，資源化利用是解決底泥最終去向的合理途徑。在采用淤泥改性固化-微地形構建技術處理淤泥過程中，淤泥平均運輸距離不超過2 km，淤泥的就近固化及利用，避免了固化淤泥長距離外運。以棄置場地25 km的運距測算，就近構建微地形減少固化淤泥的運輸費用超過20元/m3。

淤泥固化所采用的固化劑含有大量的粉煤灰、磷石膏等工業(yè)廢渣，消納工業(yè)固廢的同時，避免了填埋場地的占用。淤泥處理處置中轉運距離的縮短，減少了河湖治理工程渣土運輸產生的碳排放，在中國提出碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標下，具有特殊的意義。經過統(tǒng)一規(guī)劃，利用河道附近的未開發(fā)（廢棄）地構建微地形種植林木，加強了河道沿岸水土保持與二氧化碳的吸收，增加了區(qū)域碳匯。

5 結 論

（1）淤泥固化與微地形構造技術將淤泥固化、養(yǎng)護、回填碾壓與微地形構建的土方填筑工序進行工藝上的協(xié)同組合。該技術提高了處理場地的利用率與淤泥處理效率，解決了淤泥固化過程中淤泥轉運與堆放問題，有助于提高淤泥固化效率，降低工程綜合成本，進一步擴大了淤泥固化技術的工程應用范圍。

（2）在河湖治理區(qū)域結合規(guī)劃就近固化淤泥，構建微地形種植林木。在實現(xiàn)淤泥減量化的同時，避免了長距離外運-填埋模式造成的填埋場的占用，減少了工程成本。在完成河湖治理工程目標的基礎上，優(yōu)化了區(qū)域環(huán)境，增加了固碳喬木，有助于達成治理目標區(qū)域碳中和目標，為今后河湖治理工程淤泥處理處置提供了參考。

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（編輯：李 慧）

Application of silt solidification and micro-topography technology in? river and lake treatment project

LI Shimi1，2，3，4， CHEN Wenfeng1，2，3，4， WANG Longtao1，2，3，4， LUO Wei1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Company Co. Ltd.， Wuhan 430040， China;? ?2. Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology， Wuhan 430040， China;? ?3. Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure， Wuhan 430040， China;? 4. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co. Ltd.， Wuhan 430040， China）

Abstract：The large scale treatment and disposal of polluted river and lake silt has always been the key and difficult point of river and lake treatment project. The technology of silt solidification in large-scale treatment and disposal of polluted silt has become a hot issue concerned in recent years. According to the properties of the remolded soil from solidified silt， the technology of silt solidification and micro-topography combines the modification and solidification of silt with land use. On the premise of meeting the soil environmental quality standards， the silt solidification process such as mixing and curing were combined in the construction of micro-topography. Trees were planted to enhance the soil and water conservation and carbon neutrality capacity in the region. A new way of large-scale treatment and disposal of river and lake silt is put forward， and the relevant parameters can provide reference for similar projects in the future.

Key words：silt solidification;river and lake treatment ; micro-topography;remould