疏浚泥漿沉淤過程的階段性分析試驗(yàn)研究

陳 雷，李治朋，安彥勇，王春亮，陳 宇，劉崢嶸

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300456；3.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；4.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210024)

隨著沿海水運(yùn)設(shè)施土地用地資源短缺，港口航道的新建、拓寬和擴(kuò)建等工程項(xiàng)目的開展，產(chǎn)生了大量的疏浚泥沙，其具有較高的初始含水率和高含鹽量，同時(shí)表現(xiàn)出高孔隙比、強(qiáng)壓縮性、級(jí)配不良以及流動(dòng)性特點(diǎn)[1-2]。疏浚土吹填至納泥區(qū)后，在沉積過程中發(fā)生時(shí)空分布效應(yīng)[3]，大顆粒泥沙顆粒首先沉積于下層，細(xì)土顆粒絮凝滯留于上層，需經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間自然沉積才能進(jìn)行后續(xù)施工處理。但目前疏浚淤泥的自然沉積規(guī)律尚不完善，從而無(wú)法對(duì)淤泥淤積量預(yù)測(cè)和后續(xù)吹填施工提供理論指導(dǎo)，因此對(duì)于疏浚淤泥的自然沉積規(guī)律有待于進(jìn)一步研究。

沉降柱室內(nèi)模擬試驗(yàn)是研究沉積淤泥形成與沉積固結(jié)過程最為有效的試驗(yàn)研究手段。對(duì)于疏浚淤泥沉積過程影響因素的研究，詹良通等[4]利用沉降柱試驗(yàn)探討泥水混合物初始濃度、海水中陽(yáng)離子類型及離子濃度對(duì)淤泥自重沉積固結(jié)特性的影響；TORFS等[5]通過室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)，得到不同含砂量情況下淤泥沉積層密度在沉積剖面上的分布及發(fā)展變化規(guī)律；劉瑩等[6]通過量筒沉積試驗(yàn)和沉降柱試驗(yàn)，研究吹填土在不同土水比及不同添加劑對(duì)沉降后淤泥的容重、孔隙比及含水量等物理指標(biāo)的影響；曹玉鵬等[7]通過室內(nèi)自然沉積試驗(yàn)，研究疏浚淤泥在鹽水和淡水沉積環(huán)境以及初始含水率對(duì)淤泥沉積速率和沉降量的影響。

對(duì)于沉積淤泥形成過程及淤泥沉積分布規(guī)律的研究，LAWRENCE等[8]進(jìn)行不同粉細(xì)顆粒含量的淤泥沉降柱試驗(yàn)，研究淤泥懸濁液混合介質(zhì)中不同粒徑顆粒分選沉降過程；MERCKELBACH等[9]應(yīng)用沉降柱試驗(yàn)裝置研究海相淤泥沉積過程中絮凝體分形維數(shù)、沉積層強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律以及密度、超孔隙水壓力變化規(guī)律。

疏浚淤泥沉積規(guī)律方面雖已開展一系列基礎(chǔ)研究，主要以沉積過程的影響因素和物理力學(xué)指標(biāo)分布發(fā)展規(guī)律為主，對(duì)淤泥沉積過程中狀態(tài)轉(zhuǎn)變及沉降階段劃分缺少深入系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，尚未形成較為完善的疏浚土沉積固結(jié)理論。

基于以上淤泥沉積規(guī)律的研究現(xiàn)狀，本文以波斯灣北端法奧港海相沉積土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)沉降柱模型試驗(yàn)，通過分析疏浚淤泥沉淤過程中沉積速率和沉降量的變化規(guī)律，對(duì)淤泥沉積階段劃分和各階段沉積特點(diǎn)進(jìn)行研究，進(jìn)一步揭示疏浚淤泥在靜海水環(huán)境下的沉積規(guī)律。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)Tab.1 Physical indexes of dredged material

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料是使用抓斗取自擬疏浚開挖的航道底質(zhì)，基本物理指標(biāo)見表1，其中液塑限試驗(yàn)按照ASTM D4318-17標(biāo)準(zhǔn)使用碟式液限儀測(cè)得，顆粒分析試驗(yàn)按照ASTM D422-63標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，顆粒級(jí)配曲線見圖1，根據(jù)ASTM D2487-17對(duì)土類定名為低液限黏土。

圖1 試樣顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle distribution curve圖2 沉降柱模型圖Fig.2 Settling column test apparatus

在疏浚土吹填入納泥區(qū)后，大量的細(xì)顆粒土懸浮滯留于上部，泥漿中的粗砂顆粒會(huì)迅速沉積到底部，本次研究?jī)H對(duì)上層細(xì)顆粒土的沉積過程進(jìn)行分析，所以需要篩除泥漿中的粗顆粒。將底質(zhì)與取自勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的海水在調(diào)配桶內(nèi)充分混合，首先使用土壤篩(2 mm篩)將泥漿中的貝殼皮、粗砂等雜物去除，然后使用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行混合攪拌，泥漿中的粗顆粒泥沙會(huì)在攪拌過程中沉積于桶底部，采用水力分離的方法，去掉泥漿底部的粗顆粒(>0.075 mm)，僅保留上層含有懸浮細(xì)顆粒土的泥漿。

表2 配置泥漿的基本物理指標(biāo)Tab.2 Physical indexes of the prepared slurry

待去除泥漿中的粗顆粒后，使用比重瓶法測(cè)試泥漿密度，使用烘干法測(cè)試泥漿的初配濃度。然后通過加水稀釋和靜置去水的方法，分別配置濃度為50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L的泥漿試樣。假定懸浮顆粒的土粒比重Gs為定值2.72，且為飽和狀態(tài)，所用海水密度為1.024 g/cm3(泥漿試樣上清液的鹽度為35 ppt)，各泥漿試樣的基本物理性質(zhì)如表2所示。

待泥漿濃度調(diào)配測(cè)定之后，倒入標(biāo)準(zhǔn)容量為4 L的亞克力量筒(直徑為8.4 cm)內(nèi)，泥漿的初始高度為715 mm，見圖2，試驗(yàn)所用的每個(gè)量筒上貼有透明塑料刻度尺(精度為1 mm)。經(jīng)攪拌均勻后即可進(jìn)行沉積試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄泥漿濁液面的下沉深度。

2 沉淤過程的階段性分析

2.1 沉降階段劃分

針對(duì)疏浚土沉降階段的劃分，郭帥杰等[10]將吹填土的沉積過程分為3個(gè)階段：細(xì)顆粒絮凝下沉階段，自重固結(jié)沉降階段和次固結(jié)階段；劉瑩等[6]認(rèn)為吹填土泥漿在靜水中的沉積過程，分為以細(xì)顆粒絮凝下沉為主的階段和泥漿自重固結(jié)階段；GORO等[11]研究表明疏浚土的自然沉積分為分散沉降、絮凝沉降、區(qū)域沉降和壓縮沉降4種類型，對(duì)沉降階段未進(jìn)行系統(tǒng)性劃分。

綜合國(guó)內(nèi)外的研究成果和本次的觀測(cè)資料，認(rèn)為疏浚泥漿在靜海水環(huán)境下的沉降過程，可分為三個(gè)階段：區(qū)域沉降階段、壓縮沉降階段和固結(jié)沉降階段。以下對(duì)泥漿的各沉積階段進(jìn)行分析。

2.2 區(qū)域沉降階段

將不同濃度的泥漿倒入沉降柱內(nèi)之后，泥漿試樣均在3～6 min內(nèi)形成泥漿濁液面。根據(jù)EM1110-2-5027規(guī)定[12]，如果泥漿在初始沉降的數(shù)小時(shí)內(nèi)形成泥漿濁液面，泥漿將發(fā)生區(qū)域沉降，在上清液中發(fā)生少量懸浮絮凝沉降，本次對(duì)上清液的絮凝沉降不做深入探討。

我是來(lái)至中國(guó)石油工程建設(shè)公司的葉樺，畢業(yè)后一直從事EPC 工程的設(shè)計(jì)和咨詢工作。眾所周知，任何涉及到石油天然氣行業(yè)的工程都是一項(xiàng)龐大而系統(tǒng)的工作，不可能由一個(gè)人或者幾個(gè)人完成，其中涉及到繁多的工作界面劃分與專業(yè)分工劃分。因此，在設(shè)計(jì)工作中不僅要處理好技術(shù)性文件和圖紙等，還會(huì)涉及到很多溝通，協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌安排的工作。

以泥漿濁液面的出現(xiàn)作為區(qū)域沉降階段的起點(diǎn)，在隨后的2 h內(nèi)對(duì)泥漿濁液面下降深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖3。由圖可知，在區(qū)域沉降的初期，50 g/L泥漿在泥漿濁液面形成后，迅速呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，而另外三組泥漿初始沉降速率緩慢，在經(jīng)歷短暫的緩慢期后亦呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)。在30 min之后，各試樣泥漿濁液面下沉降速率之間拉開差距，濃度越大，沉降速率越慢。

圖3 泥漿濁液面歷時(shí)曲線(0～120 min)Fig.3 Depth to interface versus time(120 min)圖4 泥漿濁液面歷時(shí)曲線(0～900 min)Fig.4 Depth to interface versus time(900 min)

在隨后的15 h內(nèi)對(duì)泥漿濁液面下降深度進(jìn)行記錄，見圖4。由圖可見，沉降柱內(nèi)泥漿在此期間(30～300 min內(nèi))，濁液面保持恒定勻速下沉，將這段自由沉降段稱為區(qū)域沉降階段。對(duì)這一時(shí)期泥漿濁液面下沉歷時(shí)曲線進(jìn)行線性擬合，擬合線的斜率即為此期間的沉降速率，50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L濃度泥漿試樣的沉降速率分別為：81.3 mm/h，76.08 mm/h，61.5 mm/h，41.7 mm/h，可知，區(qū)域沉降速率隨泥漿初始濃度增大而逐漸減小，且下降趨勢(shì)逐漸增大。

在區(qū)域沉降階段，在海水環(huán)境下沉積，水溶液含鹽量較高，電解質(zhì)濃度高，泥漿中細(xì)顆粒懸浮顆粒離子交換的能力較強(qiáng)，黏粒在靜電力作用下更容易再絮凝成絮團(tuán)，成為更大的粒團(tuán)而勻速下沉，其沉積規(guī)律符合Stokes定律。在此期間，土顆粒絮凝呈團(tuán)狀，呈懸浮狀態(tài)，孔隙比很大，團(tuán)狀絮凝體內(nèi)土顆粒尚未相互接觸，土體骨架尚未形成。在該階段泥漿濁液面沉降量的大小基本上取決于泥漿的初始濃度，泥漿愈稀，黏粒絮凝效應(yīng)發(fā)展最為充分，其沉降速率越大，沉降量也越大。

2.3 壓縮沉降期

繼續(xù)對(duì)沉降柱內(nèi)泥漿濁液面下降深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)(0～4 000 min)，見圖5，由圖可見泥漿濁液面歷時(shí)曲線上有明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)前泥漿濁液面呈勻速快速下沉，在拐點(diǎn)后，沉降速率阻滯衰減，拐點(diǎn)前后泥漿的下沉速率具有顯著差異。由圖5中該階段泥漿濁液面歷時(shí)曲線的線性擬合直線斜率對(duì)比可知，在拐點(diǎn)發(fā)生后泥漿濁液面沉降速率基本相當(dāng)，受泥漿的初始濃度影響不大。

圖5 泥漿濁液面歷時(shí)曲線(0～4 000 min)Fig.5 Depth to interface versus time for 4 000 min

根據(jù)EM1110-2-5027規(guī)定當(dāng)泥水分界面下沉歷時(shí)曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，開始發(fā)生壓縮沉降階段，該拐點(diǎn)即為壓縮沉降的起始點(diǎn)，在拐點(diǎn)發(fā)生后，泥漿濁液面下降速率顯著下降，雖然很緩慢，但依然呈現(xiàn)線性的下降規(guī)律。由于該規(guī)范并未給出拐點(diǎn)的量化方法，僅為描述性定義。為了量化確定該拐點(diǎn)，明確劃定區(qū)域沉降和壓縮沉降期的界限，對(duì)壓縮沉降起始段進(jìn)行線性擬合，見圖5，該擬合直線與區(qū)域沉降時(shí)期線性段擬合直線的交叉點(diǎn)，為壓縮沉降期的起點(diǎn)，也是區(qū)域沉降期的終點(diǎn)。

根據(jù)公式C0×H0=Ct×Ht及其他相關(guān)換算公式，可計(jì)算得到泥漿濁液面下沉曲線發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)，各泥漿試樣的物理狀態(tài)性質(zhì)參數(shù)見表3。由表可知，在拐點(diǎn)時(shí)刻，泥漿的濃度、密度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)與初始濃度均呈正相關(guān)關(guān)系，孔隙比和含水量均有顯著的降低。

表3 發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)泥漿的基本物理指標(biāo)Tab.3 Physical indexes of the sediment at the break point

MONTE和KRIZEK[13]首先引入“流限”概念，將抗剪強(qiáng)度為零的最低含水率定義為流限含水率(wf)，相應(yīng)孔隙比為流限孔隙比(ef)，在沉降柱試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)于沉降高度第一個(gè)極限點(diǎn)“流限高度”，流限高度為自由沉降段(區(qū)域沉降段)與阻滯衰減沉降段(壓縮沉降段)分界點(diǎn)。CARRIER等[14]通過試驗(yàn)確定的不同沉積淤泥流孔隙比在9～30，約為液限孔隙比7倍(見式1)。

ef=7GswL

(1)

(2)

wf=7wL

(3)

假定沉積土體為飽和狀態(tài)，根據(jù)式(2)可得，流限含水率為7倍液限式(3)。四種初始濃度泥漿濁液面沉降發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)：ef50=12.1GswL，ef100=9.1GswL，ef150=7.5GswL，ef200=6.1GswL，wf50=12.1wL，wf100=9.1wL，wf150=7.2wL，wf200=6.1wL，試驗(yàn)結(jié)果與CARRIER等[14]、王保田等[15]研究結(jié)果一致。

持續(xù)對(duì)沉降柱內(nèi)泥漿濁液面進(jìn)行觀測(cè)10 d，泥漿濁液面的歷時(shí)曲線見圖6，通過公式換算，得到沉降柱下部泥漿-孔隙比的歷時(shí)曲線。根據(jù)王保田，郭帥杰等研究成果找出es等值線，大概需要4～6 d時(shí)間才能達(dá)到固限孔隙比，見圖7。

綜上將泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(泥漿濁液面沉降發(fā)生拐點(diǎn)的時(shí)間)至達(dá)到固限孔隙比es之間的阻滯衰減沉降段，稱為壓縮沉降階段。在此期間隨著沉降柱下部懸浮土顆粒的聚集，泥漿濁液面下的濃度逐漸增大，小的土顆粒絮凝團(tuán)塊逐漸凝聚成大的絮凝團(tuán)塊而逐漸發(fā)生聚沉，而大的絮凝團(tuán)塊依然由懸浮狀態(tài)逐漸相互接觸而堆積，土體骨架在逐漸形成，顆粒絮凝團(tuán)塊因堆積而發(fā)生壓縮，尚未產(chǎn)生超凈孔隙水壓力(u=0)，土體自重應(yīng)力逐漸開始起作用的過程。

2.4 固結(jié)沉降階段

在壓縮沉降期后期，沉降柱內(nèi)的泥漿趨于沉降穩(wěn)定，見圖7和圖8，泥漿濁液面下沉極為緩慢，孔隙比變化曲線平緩，此時(shí)土的固體顆粒之間已開始相互接觸，形成初始連結(jié)形成骨架，傳遞土顆粒間應(yīng)力，土體顆粒開始受力，土體自重應(yīng)力起作用。由于土體顆粒在自重應(yīng)力下產(chǎn)生擠壓，使得土粒之間產(chǎn)生超靜孔隙水壓力并逐漸增大，隨著孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)，孔隙中一部分水向下排出土體而孔隙比減小，土體發(fā)生固結(jié)變形。此時(shí)固體顆粒在自重應(yīng)力作用下，進(jìn)而形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，沉降量很小，但延續(xù)時(shí)間卻很長(zhǎng)，逐漸發(fā)生主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降過程。

圖6 泥漿濁液面歷時(shí)曲線示意圖Fig.6 Depth to interface versus time圖7 沉降柱內(nèi)泥漿-孔隙比的歷時(shí)曲線(10 d)Fig.7 Depth to interface versus time for 10 d

3 分析與討論

根據(jù)觀測(cè)資料和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，將疏浚泥漿在靜水中的沉降過程，劃分為三個(gè)階段，各階段劃分及界限點(diǎn)如圖6所示，總結(jié)得出各沉淤階段沉降規(guī)律如下：

(1)區(qū)域沉降階段(zone settling)，是沉降初期出現(xiàn)濁液面沉速保持恒定的初始自由沉降段，泥漿濁液面歷時(shí)曲線的斜率即為區(qū)域沉降速率(vs)。從泥漿產(chǎn)生濁液面開始，發(fā)生區(qū)域沉降，土顆粒絮凝呈團(tuán)狀絮凝體，整體自由下沉，泥漿濁液面受泥漿的初始濃度影響很大，沉降速率越大，沉降量也越大。

(2)壓縮沉降階段(compression settling)，是泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(τ=0)至達(dá)到固限孔隙比es(u=0)之間的阻滯衰減沉降段，從泥漿濁液面歷時(shí)曲線發(fā)生拐點(diǎn)起算，即區(qū)域沉降階段沉降歷時(shí)曲線線性段擬合直線與壓縮沉降階段初期沉降歷時(shí)曲線線性段擬合直線的交叉點(diǎn)。

圖8 泥漿濁液面歷時(shí)曲線(10 d)Fig.8 Depth to interface versus time for 10 d

在此期間隨著沉降柱下部懸浮土顆粒的聚集，顆粒絮凝團(tuán)塊因堆積而發(fā)生壓縮，土體骨架在逐漸形成，開始產(chǎn)生有效應(yīng)力，尚未產(chǎn)生超凈孔隙水壓力的過程。本次試驗(yàn)旨在對(duì)沉積過程各階段沉積行為進(jìn)行分析研究，不考慮尺寸效應(yīng)對(duì)泥漿沉降的影響，未對(duì)下部沉降區(qū)內(nèi)剪切強(qiáng)度和孔隙水壓力進(jìn)行測(cè)試，有待使用大尺寸沉降柱對(duì)下沉區(qū)強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律和孔隙水壓力變化規(guī)律做進(jìn)一步的研究。

(3)固結(jié)沉降階段(consolidation settling)，沉降柱內(nèi)的泥漿趨于沉降穩(wěn)定，固體顆粒之間相互接觸，初始連結(jié)形成骨架，傳遞土顆粒間應(yīng)力，使得土粒之間產(chǎn)生超靜孔隙水壓力并逐漸消散，在有效應(yīng)力作用下土體發(fā)生固結(jié)變形，逐漸發(fā)生主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。

4 結(jié)論

根據(jù)室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)結(jié)果，疏浚泥漿的沉淤過程可分為區(qū)域沉降階段、壓縮沉降階段和固結(jié)沉降階段。主要得到以下結(jié)論：

(1)在靜海水環(huán)境下，泥漿懸液形成泥漿濁液面后，開始發(fā)生區(qū)域沉降階段，在此階段泥漿濁液面保持勻速整體下沉，沉降速率保持不變，泥漿的初始濃度越小，勻速的沉降速率越大。

(2)將泥漿濁液面歷時(shí)曲線的拐點(diǎn)作為壓縮沉降階段的起始點(diǎn)，本文給出量化確定拐點(diǎn)的方法，該階段沉降速率阻滯衰減，沉降極為緩慢，各濃度試樣的沉降速率基本相當(dāng)，與初始泥漿濃度影響不大；將泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(泥漿濁液面沉降發(fā)生拐點(diǎn)的時(shí)間)至達(dá)到固限孔隙比es之間的阻滯衰減沉降段，稱為壓縮沉降階段；泥漿濁液面沉降發(fā)生拐點(diǎn)時(shí)ef=6.1～12.1GswL。

(3)在固結(jié)沉降期，泥漿濁液面下沉極為緩慢，泥漿濁液面趨于沉降穩(wěn)定，土體發(fā)生固結(jié)變形以及次固結(jié)變形。

綜上對(duì)疏浚淤泥在靜海水環(huán)境下的沉淤過程進(jìn)行階段性分析，給出了各沉降階段劃分界限和劃分方法，進(jìn)一步揭示疏浚泥漿各沉降階段的沉積規(guī)律，為疏浚施工和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。