水力沖挖淤泥框架真空法脫水試驗(yàn)研究

楊 洋，劉叢陽(yáng)，武立清，邱珍鋒

(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)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求，城市黑臭水體問題現(xiàn)已成為現(xiàn)階段亟需解決的一項(xiàng)突出問題[1]。城市河道一般采用水力沖挖方式疏浚，但淤泥含水量高、體積大，現(xiàn)階段的主要疏浚淤泥脫水技術(shù)難以達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求。筆者提出一種框架真空預(yù)壓法，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究框架真空預(yù)壓法對(duì)水力沖挖淤泥脫水效果的影響因素[2]。

1 水力沖挖淤泥基本特征

淤泥在靜水和緩慢的流水環(huán)境中沉積，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5，是由有機(jī)殘片、無機(jī)顆粒、細(xì)菌菌體和膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體[3-6]。由于水質(zhì)、河道條件、受污染程度等的不同，各地區(qū)淤泥物理性質(zhì)、級(jí)配不盡相同。

試驗(yàn)用淤泥來自安徽省阜陽(yáng)市城區(qū)水系綜合整治(含黑臭水體治理)項(xiàng)目標(biāo)段一中標(biāo)單位治理范圍內(nèi)潁東片一期工程。采用水力沖挖方式疏浚的淤泥含水率為428%。

筆者選取最具代表性的駱家溝、阜蒙河及總干渠3條河流進(jìn)行研究。河道底泥基本物理性質(zhì)及顆粒級(jí)配組成參數(shù)如表1、表2。

表1 河道底泥的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of channel sediment

表2 顆粒成分組成Table 2 Particle composition

經(jīng)檢測(cè)，阜陽(yáng)市城區(qū)河流的河道底泥具有含水量高、密度低、孔隙比高、結(jié)構(gòu)性差等特性，其淤泥土細(xì)顆粒含量豐富，但顆粒級(jí)配不良，其中粉粒的平均含量為71.6%，黏粒平均含量為26.2%。河道底泥的土呈流塑狀，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?；瘜W(xué)成分分析的結(jié)果表明，淤泥重金屬濃度滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，河道底泥無重金屬超標(biāo)污染問題，各河段均符合農(nóng)用土壤要求，河道淤泥經(jīng)脫水處理后可作為種植土。

2 框架真空預(yù)壓法

2.1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓是將保存淤泥的密封膜抽成真空，使膜內(nèi)外形成氣壓差，從而使淤泥產(chǎn)生固結(jié)壓力，即在總應(yīng)力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法[7]。

真空預(yù)壓法常用于高含水率的地基處理，通過對(duì)覆蓋在地面上的密封膜進(jìn)行抽空, 使膜內(nèi)外形成氣壓差, 從而使黏性土層在壓力的作用下固結(jié)起來。在實(shí)際工程中，真空預(yù)壓系統(tǒng)主要由抽真空系統(tǒng)和排水排氣系統(tǒng)兩部分組成。真空預(yù)壓法具有施工方便、工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。在利用真空預(yù)壓法處理地基的時(shí)候, 不會(huì)產(chǎn)生土體的側(cè)向擠出變形進(jìn)而破壞工程的穩(wěn)定性，因此，真空預(yù)壓技術(shù)可以被廣泛地應(yīng)用到各種工程地基處理當(dāng)中[8]。

自從20世紀(jì)80年代真空預(yù)壓技術(shù)被提出與應(yīng)用后，經(jīng)過不斷改進(jìn)與發(fā)展，真空預(yù)壓技術(shù)已成為軟土地基處理最為有效的方法之一。真空預(yù)壓技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軟土地基處理與圍墾造地等工程。但由于塑料排水板淤堵、土體加固后真空度傳遞受阻等問題，產(chǎn)生了諸如真空預(yù)壓法后期處理效率降低、處理效果不明顯等問題[9-11]。

2.2 框架真空預(yù)壓法

根據(jù)疏浚淤泥樣本含水率測(cè)定結(jié)果可知，筆者所使用的水力沖挖疏浚淤泥的平均含水率高達(dá)428%。受重力作用影響，水力沖挖淤泥前期脫水較快。但由于淤泥黏粒小、滲透性差，在進(jìn)行真空預(yù)壓脫水時(shí)，易造成排水板表面淤堵，且淤泥在試驗(yàn)過程中體積變化較大，使用排水板難以維持真空密封膜內(nèi)的真空度。

針對(duì)排水板效果不佳的問題，筆者設(shè)計(jì)了一種具備防淤堵能力的濾管替代排水板，濾管可預(yù)制連接為框架結(jié)構(gòu)。使用框架結(jié)構(gòu)替代排水板進(jìn)行真空預(yù)壓脫水的方法即為框架真空預(yù)壓法。框架真空預(yù)壓能夠有效克服排水板出現(xiàn)的各類問題，提高疏浚淤泥的脫水效果。

框架結(jié)構(gòu)由濾管連接而成。濾管為PPR材質(zhì)水管，管外圍使用手鉆打孔，管外包覆無紡?fù)凉げ迹瑹o紡?fù)凉げ纪ㄟ^電工膠帶固定。濾管可由熱熔焊接成為框架，框架頂部引出一條出水管連，出水管接至水汽交換灌?？蚣苷婵疹A(yù)壓裝置如圖1。

圖1 框架真空預(yù)壓裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of frame vacuum preloading device

3 試驗(yàn)裝置及方案

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)槽、真空泵、水汽交換罐、大尺寸框架真空預(yù)壓裝置、底部排水裝置、SZB-1型便攜式十字板剪切儀。

3.1.1 試驗(yàn)槽

大尺寸試驗(yàn)槽尺寸為1 000 mm×600 mm×700 mm，壁厚10 mm，其材質(zhì)為定制亞克力有機(jī)玻璃。試驗(yàn)槽兩側(cè)下部中間位置開孔，底部排水結(jié)構(gòu)引出管道可由此處引出。小尺寸試驗(yàn)槽尺寸為500 mm×400 mm×300 mm，壁厚5 mm，為塑料材質(zhì)。

3.1.2 真空泵

真空泵額定電壓為220 V/50 Hz, 負(fù)壓為-93 kPa, 最大啟動(dòng)負(fù)壓為 -85 kPa。

3.1.3 水汽交換罐

水汽交換罐容積為20 L，附水管、氣管。其底部為圓柱形鋼桶，頂部為亞克力材質(zhì)透明蓋板。蓋板上開孔3個(gè)，分別安裝連接氣管、水管的閥門及真空表，真空表量程為 -1～0個(gè)大氣壓。

3.1.4 大尺寸框架真空預(yù)壓裝置

使用20寸PPR材質(zhì)管材，PPR管材縱向每間隔1 cm使用手電鉆打孔，孔直徑為2 mm，沿PPR管壁每根管打4排孔；管外包覆2層無紡?fù)凉げ迹瑹o紡?fù)凉げ纪ㄟ^電工膠帶固定?？蚣芙Y(jié)構(gòu)共3層。PPR管通過PPR接頭熱熔連接；出水管與框架出水口通過轉(zhuǎn)接頭連接。出水管由槽頂部引出，與底部排水結(jié)構(gòu)的出水管連接后連接至水汽交換罐。

3.1.5 小尺寸框架真空預(yù)壓裝置

使用5寸PV材質(zhì)管材，PV管縱向每間隔1 cm使用手電鉆打孔，孔直徑為1 mm；沿PV管壁每根管打4排孔。管外包覆2層無紡?fù)凉げ?，無紡?fù)凉げ纪ㄟ^電工膠帶固定。

3.2 試驗(yàn)方案

筆者共進(jìn)行2組試驗(yàn)，分別探究濾管間距對(duì)脫水效果的影響和模型尺寸對(duì)脫水效果的影響。其中，試驗(yàn)組Ⅰ使用大尺寸試驗(yàn)槽，3組對(duì)照試驗(yàn)僅框架內(nèi)部每層的濾管間距不同，以探究濾管間距對(duì)疏浚淤泥脫水效果的影響；試驗(yàn)組 Ⅱ 分別采用大尺寸模型和小尺寸模型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)組Ⅱ大尺寸模型試驗(yàn)方案與試驗(yàn)組Ⅰ中濾管間距為15 cm的試驗(yàn)組相同，以探究模型尺寸對(duì)疏浚淤泥脫水效果的影響。試驗(yàn)方案如表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test scheme

試驗(yàn)過程如下：

1)將疏浚淤泥泵入試驗(yàn)槽，靜置一天后淤泥表面析出大量水。抽出表面水，記錄各試驗(yàn)槽內(nèi)淤泥初始高度，并分別取樣測(cè)定初始含水率。

2)分別預(yù)制4組框架，濾管打4排孔，外包覆2層無紡?fù)凉げ?。大尺寸框架每層高度間隔為10 cm，框架每層沿濾管方向長(zhǎng)80 cm，三組框架每層濾管間隔分別為20、15、10 cm；小尺寸框架按比例縮尺，每層高度間隔為5 cm，每層濾管長(zhǎng)35 cm，每層濾管間隔為7.5 cm(圖2)。

3)將框架結(jié)構(gòu)的出水管接入水汽交換罐頂部入水孔。水汽交換罐抽氣孔接氣管并連接至真空泵(圖1)。

4)開啟真空泵，水汽交換罐中保持真空度為0.8。試驗(yàn)過程中記錄水汽交換灌質(zhì)量的增加及淤泥表面平均高度的變化。

圖2 框架結(jié)構(gòu)Fig. 2 Frame structure

5)待水汽交換罐質(zhì)量不再增加時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。在各試驗(yàn)槽中設(shè)置取樣點(diǎn)，進(jìn)行十字板剪切強(qiáng)度試驗(yàn)并測(cè)定其含水率。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 淤泥形變特征分析

淤泥平均高度變化反應(yīng)淤泥在實(shí)驗(yàn)過程中的體積變化，將淤泥平均高度的變化轉(zhuǎn)換為由淤泥平均高度占初始高度百分比變化的曲線更為直觀。淤泥平均高度占初始高度百分比變化曲線如圖3。

圖3 淤泥平均高度占初始高度百分比變化Fig. 3 Percentage change of average height of sludge in initial height

試驗(yàn)組 Ⅰ 中，濾管間距為20、15、10 cm的試驗(yàn)槽初始平均高度分別為36.00、34.57、35.33 cm，則初始淤泥體積分別為0.216、0.207、0.212 m3。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)淤泥的體積分別為0.158、0.129、0.114 m3，淤泥的體積縮減分別為26.85%、37.68%、46.23%，可知，隨著濾管間距的減小，淤泥最終體積縮減幅度逐漸增大。

淤泥的平均高度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，并在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)趨于穩(wěn)定。隨著濾管間距的減小，同時(shí)間段內(nèi)淤泥表面平均高度逐漸降低，即濾管間距越小，淤泥的體積縮減越大。

試驗(yàn)組Ⅱ中，大尺寸、小尺寸試驗(yàn)槽內(nèi)淤泥的初始平均高度分別為34.57、19.80 cm，則初始淤泥體積分別為0.207、0.039 6 m3。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)淤泥的體積分別為0.129、0.026 7 m3，則淤泥的體積縮減分別為37.68%和32.58%，小尺寸試驗(yàn)淤泥的體積縮減幅度小于大尺寸試驗(yàn)。

淤泥表面平均高度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，并在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)趨于穩(wěn)定。隨著模型尺寸的增大，同時(shí)間段內(nèi)淤泥的體積縮減量幅度逐漸減小。

移除淤泥表面真空膜后，淤泥表面形態(tài)如圖4。刮除框架頂部淤泥后，濾管周圍淤泥形態(tài)如圖5。受濾管內(nèi)形成的真空負(fù)壓影響，表面淤泥在濾管周圍被吸緊，濾管間淤泥下陷。由于表面有真空膜貼附，淤泥表面十分光滑。表面淤泥顏色變淺，呈褐色。

濾管周圍淤泥緊緊吸附于濾管表面，部分濾管間中央位置的淤泥形成裂縫。下部淤泥形態(tài)如圖6。由圖6可知，下部淤泥含水率較上部更低，呈褐色，且呈現(xiàn)細(xì)微的分層。隨著濾管間距的減小，淤泥在濾管周圍吸附得越緊密。模型尺寸越小，淤泥在框架周圍吸附的越緊密。

圖4 淤泥表面形態(tài)Fig. 4 Sludge surface

圖5 濾管周圍淤泥形態(tài)Fig. 5 Sludge morphology around the filter tube

圖6 下部淤泥形態(tài)Fig. 6 Lower sludge morphology

4.2 排水量及排水速率變化分析

圖7為試驗(yàn)組Ⅰ和試驗(yàn)組Ⅱ的淤泥排水量變化曲線。從圖7中可以看出：

1)單位排水速率均呈現(xiàn)相同的兩個(gè)階段的變化趨勢(shì)。第一階段(40 h內(nèi))試驗(yàn)槽的初始排水速率較大，排水速率迅速降低，濾管間距為20 、15、10 cm的試驗(yàn)槽排水速率最大值分別為4.99、5.69、6.36 kg/h，而后排水速率急劇減小，但減小的幅度逐漸變緩。而小尺寸試驗(yàn)的排水速率最大值為1.5 kg/h，大尺寸試驗(yàn)的初始排水速率約為小尺寸試驗(yàn)的3.8倍。隨著濾管間距的減小，淤泥內(nèi)部初始排水速率逐漸增加；模型尺寸越大，初始排水速率越大。第二階段(40 h后)試驗(yàn)槽的排水速率較低，并逐漸趨于零。

濾管間距的變化對(duì)排水速率的變化影響不大，但大尺寸試驗(yàn)的單位排水速率仍小幅高于小尺寸試驗(yàn)。

2)排水量隨時(shí)間增加而增加，呈現(xiàn)相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)：第一階段排水量迅速增加，但增加速率逐漸變緩；第二階段排水量持續(xù)增加，最終趨于穩(wěn)定。由于初始排水速率不同，相同時(shí)間段內(nèi)濾管間距越小，排水量越大。試驗(yàn)組Ⅰ最終排水量分別為71、74.385、79.611 kg，隨著濾管間距的減小，淤泥最終排水量逐漸增加。試驗(yàn)組Ⅱ小尺寸試驗(yàn)最終排水量為19.82 kg，大尺寸試驗(yàn)的初始排水速率約為小尺寸試驗(yàn)的3.8倍。

3)隨著濾管間距的增大，濾管中間位置的淤泥距濾管的距離亦隨之增大，此處的淤泥受濾管內(nèi)部真空負(fù)壓的影響逐漸減小。因此可知，濾管間距越小，試驗(yàn)槽的初始排水速率越大，但濾管間距的變化對(duì)排水速率的增減變化并無影響；隨著濾管間距的減小，某時(shí)間段內(nèi)淤泥的排水量逐漸增加，淤泥的最終排水量亦隨之增加。

4)試驗(yàn)組Ⅱ中大尺寸試驗(yàn)的初始排水速率和最終排水量均為小尺寸試驗(yàn)的3.8倍，但大尺寸試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間僅為小尺寸試驗(yàn)的1.23倍，可見相同時(shí)間內(nèi)，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好。

圖7 淤泥排水量變化Fig. 7 Change of sludge discharge

4.3 含水率及十字板剪切強(qiáng)度分析

各組試驗(yàn)十字板剪切強(qiáng)度及含水率如表4。

表4 十字板剪切強(qiáng)度及含水率Table 4 Shear strength and moisture content of cross plate

由表4可知：

1)同一深度內(nèi)，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部的淤泥十字板剪切強(qiáng)度大于外部的淤泥，距離框架結(jié)構(gòu)越遠(yuǎn)，淤泥受真空負(fù)壓作用越弱，淤泥的十字板剪切強(qiáng)度越低；濾管間距越小，濾管間淤泥受真空負(fù)壓作用越明顯，十字板剪切強(qiáng)度越高。小尺寸試驗(yàn)各取樣點(diǎn)的十字板剪切強(qiáng)度略高于大尺寸試驗(yàn)相似位置的取樣點(diǎn)。

含水率呈現(xiàn)與十字板剪切強(qiáng)度相反的趨勢(shì)，淤泥受真空負(fù)壓作用越明顯，含水率越低。而小尺寸試驗(yàn)的淤泥含水率降低幅度約為大尺寸試驗(yàn)的1.4倍。

2)受重力作用影響，隨著淤泥深度的增加，淤泥的十字板剪切強(qiáng)度逐漸增大，含水率逐漸降低，但中部以下淤泥的十字板剪切強(qiáng)度減小幅度不明顯。當(dāng)濾管分布密度極大時(shí)，重力作用并不明顯。由于出水管由上部引出，上部淤泥真空負(fù)壓影響大于下部。隨著淤泥深度的增加，十字板剪切強(qiáng)度逐漸減小，含水率逐漸增大。

3)由于小尺寸試驗(yàn)厚度較薄，淤泥的上部和下部各取樣點(diǎn)的十字板剪切強(qiáng)度相差并不明顯。小尺寸試驗(yàn)整體的十字板剪切強(qiáng)度約為大尺寸試驗(yàn)的2倍。由此可見，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好；體積縮減幅度越大，試驗(yàn)結(jié)束后淤泥的十字板剪切強(qiáng)度降低越明顯，含水率降低幅度變緩。

5 結(jié) 論

筆者調(diào)查了阜陽(yáng)市城區(qū)主要河道底泥性狀，針對(duì)具有含水量高、體積大、泥水分離困難等特點(diǎn)的水力沖挖淤泥，提出了使用框架真空預(yù)壓脫水技術(shù)，分析了阜陽(yáng)市城區(qū)主要河道水力沖挖方式疏浚淤泥的脫水規(guī)律及影響因素，主要結(jié)論如下：

1)使用框架真空預(yù)壓法具有良好的淤泥脫水效果。淤泥的排水規(guī)律為：第一階段排水速率由最大值急劇減小，排水量迅速增加；第二階段排水速率較低并緩慢趨于零，排水量持續(xù)增加并最終趨于穩(wěn)定?？蚣芙Y(jié)構(gòu)內(nèi)濾管間距越小，初始排水速率越大，同一時(shí)間段內(nèi)淤泥的排水量越大，淤泥的最終排水量亦隨之增加，但排水速率的變化受濾管間距的變化影響不大。隨著試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绲脑龃螅囼?yàn)槽的初始排水速率增大的幅度逐漸變大，淤泥排水量的增長(zhǎng)幅度亦隨之增大，且試驗(yàn)所需時(shí)間增加較少。

2)淤泥的體積在框架真空預(yù)壓法的作用下縮減明顯。濾管間距越小，淤泥的體積縮減幅度越大；隨著模型尺寸的增大，淤泥的體積縮減幅度亦逐漸增大。

3)十字板剪切強(qiáng)度沿豎直方向逐漸增大，但當(dāng)框架內(nèi)濾管分布間距較小時(shí)，十字板剪切強(qiáng)度逐漸減小。框架結(jié)構(gòu)濾管間距越小，淤泥內(nèi)任一位置的十字板剪切強(qiáng)度越大；隨著模型尺寸的增加，淤泥的十字板剪切強(qiáng)度逐漸減小。而十字板剪切強(qiáng)度越大處，淤泥的含水率越低。

4)淤泥堆場(chǎng)尺寸的大小對(duì)框架真空預(yù)壓脫水的最終效果有直接影響，淤泥堆場(chǎng)尺寸不宜過大；框架結(jié)構(gòu)的濾管間距越小，脫水效果越好，當(dāng)濾管間距小于15 cm時(shí)可達(dá)到較好的脫水效果。