河湖清淤底泥處理工藝

◎劉琲 韓文杰 嘉興市世紀交通設(shè)計有限公司

1.引言

近年來，針對河湖底泥清淤的項目層出不窮[1,2]。對河湖底泥進行清淤不僅可以增加河湖容積，減少洪澇災(zāi)害，同時還可以將河湖底泥中的污染物一并清除，消除水體污染。河湖底泥清理出水后一般先置于廢棄的坑塘之中或根據(jù)底泥工程量專門配置一處納泥場用于暫時儲存，待清淤底泥中的水分下降后，再運走使用或直接就地使用[3,4]。河湖底泥因長期浸泡于水中，因此往往土體含水量大，物理力學(xué)強度低，清理出水后，多呈流塑狀，無法直接使用。因此，若要對河湖底泥進行利用，就需要采取一定的措施對底泥進行處理，以降低其含水率，提高其強度。目前工程界常用的方法有吹填后天然晾曬工藝、真空預(yù)壓處理工藝和土工管袋脫水固化工藝。上述幾種工藝各有特色，各自有各自的適用條件，因此在選取時，應(yīng)根據(jù)項目的具體情況進行甄選，文章對上述幾種工藝進行了介紹并提出其適用的條件，可為類似工程提供參考。

2.底泥處理工藝

2.1 吹填后天然晾曬工藝

天然晾曬工藝指的是將清淤出水的河湖底泥，采用管道輸送或者其他運輸方式運輸至底泥儲存場地。底泥運輸至儲存場后不進行人工干預(yù)措施，而是借助日光進行晾曬，將底泥中的水分蒸發(fā)掉，同時風(fēng)干作用也會對底泥中水分的蒸發(fā)提供助力。該種方法不需要工程投入，造價較為經(jīng)濟，且低碳環(huán)保，但是該種方法與其他措施相比，因底泥中的水分蒸發(fā)較慢，因此普遍工期較長。因底泥頂部受日光和風(fēng)干作用較大，蒸發(fā)速度較快，而下部底泥受日光和風(fēng)干作用較小，水分蒸發(fā)速度較慢，這樣處理的底泥容易形成表層硬殼，而下部仍是含水量較高的軟土。遇到雨、雪、冰雹等降水天氣，降水滲入到底泥中，底泥中的水分含量會再次上升，進而對底泥干化的進度造成影響。底泥存儲的時間過長，會長時間的占用場地，導(dǎo)致該部分場地不能用作他用，可能會對其他計劃利用該處場地的項目產(chǎn)生影響。

圖1 清淤船照片

圖2 底泥自然晾曬照片

圖3 人工插打塑料排水板照片

圖4 真空泵照片

圖5 真空預(yù)壓膜上覆水照片

圖6 土工管袋脫水照片

2.2 真空預(yù)壓處理工藝

2.2.1 真空預(yù)壓法的原理

真空預(yù)壓法處理河湖清淤底泥，是指借助真空設(shè)備產(chǎn)生的真空負壓將河湖清淤底泥中的水分抽出，使底泥發(fā)生固結(jié)硬化，提高其強度[5]。真空設(shè)備目前常采用射流泵或水汽分離罐，真空設(shè)備產(chǎn)生的真空負壓通過濾管在底泥表層進行水平傳遞，濾管管身上連接有塑料排水板，排水板插入底泥中，濾管中的真空負壓通過塑料排水板傳遞到底泥中。塑料排水板呈扁平的帶狀，由內(nèi)部的排水凹槽和外部的土工織物濾膜組成，濾膜可以起到濾土排水的作用。

為降低真空設(shè)備產(chǎn)生的真空負壓傳遞的損耗，在清淤底泥的表面鋪設(shè)有不透氣的密封膜，密封膜四周埋入清淤底泥中，這樣可以隔絕清淤底泥與大氣的交換。

土體是固、氣、液三相物質(zhì)，土體顆粒所受的作用力為總應(yīng)力，總應(yīng)力為有效應(yīng)力和孔隙水壓力之和，即滿足下式要求：

σ（總應(yīng)力）=σ′（有效應(yīng)力）+μ（孔隙水壓力）；

不同于堆載預(yù)壓處理軟泥的原理，真空預(yù)壓法是基于有效應(yīng)力原理，即土體所受的總應(yīng)力不變，通過真空設(shè)備產(chǎn)生的真空負壓將土體中的孔隙水排出，從而降低其孔隙水壓力，則土體所受的有效應(yīng)力相應(yīng)增加。由于土體固結(jié)密實的原因使土體所受的有效應(yīng)力增加，所以在真空預(yù)壓作用下，土體中增加的有效應(yīng)力將促使底泥發(fā)生固結(jié)。

真空預(yù)壓法處理軟泥常用于沿海的吹填成陸工程，從問世以來已經(jīng)40余年，歷經(jīng)多年的發(fā)展，其工藝已逐漸趨于成熟并逐步應(yīng)用到河湖清淤底泥的脫水處理之中。該種方法施工便捷、造價較為經(jīng)濟，且環(huán)保污染少，可以快速的對軟土進行加強，是目前應(yīng)用較為廣泛的處理方法。

2.2.2 真空預(yù)壓法的技術(shù)要點

①插打塑料排水板。塑料排水板即是傳遞真空負壓的豎向通道，又是底泥中水體排出的豎向通道，對底泥處理具有至關(guān)重要的作用。塑料排水板的主要設(shè)計參數(shù)為排水板間距和插打的深度，目前塑料排水板的間距主要依據(jù)太沙基原理進行計算，常用的間距為0.8m～1.2m之間。塑料排水板的插打深度主要依據(jù)軟泥的深度確定，一般應(yīng)穿透軟泥層并將塑料排水板的底端插入到不透氣土層頂面以下0.5m左右。若軟泥下部為透氣土層，則塑料排水板的底端則不打透軟泥層，而是將塑料排水板的底端高程插至軟泥層底面以上0.5m，以防止透氣。因河湖清淤底泥含水量較高，承載力較弱，無法為塑料排水板樁機提供承載力，因此多采用人工進行插打。

②真空系統(tǒng)安裝。鋪設(shè)濾管，將濾管與排水板連接并確保濾管平順。濾管與出膜管等管路視情況采用二通、三通和四通進行連接。開挖壓膜溝進行邊界密封，壓膜溝底部應(yīng)挖至不透氣土層頂面以下至少0.5m。安裝射流泵（約每1000平方米布置一臺泵），將出膜管與射流泵連接。射流泵的功率應(yīng)不小于7.5kW，揚程不小于26.0m，安裝后的射流泵應(yīng)能形成不小于96kpa的真空壓力。正式抽氣前應(yīng)進行試抽氣，要求分3批循環(huán)開啟真空泵，每批試抽氣時間為3天，試抽氣總時間不少于9天。試抽氣期間應(yīng)對密封膜的密封性進行檢查，發(fā)現(xiàn)漏氣情況及時處理。全部真空泵開啟后膜下真空壓力不小于85kPa。

③膜上覆水。開始抽真空且膜下真空度達到85kPa后，可在膜上進行覆水。膜上覆水深度0.2～0.3m為宜。因真空預(yù)壓抽氣時間多在3個月以上，在此期間，密封膜很容易受到太陽光紫外線和風(fēng)化作用的損害而產(chǎn)生漏洞，進而產(chǎn)生漏氣，影響真空預(yù)壓處理效果，膜上覆水可以對密封膜起到保護作用。

2.2.3 真空預(yù)壓法的適用范圍

真空預(yù)壓法適用于處理的底泥土質(zhì)主要是軟弱粘性土、淤泥等，不適用于處理滲透性較大的砂性土。同時真空預(yù)壓工藝一般加固脫水深度可達15～20m，適用于處理深度比較大的底泥軟土。

2.3土工管袋脫水固化工藝

土工管袋是一種由高強度土工織物編制成的大型管袋或包裹體，其直徑可根據(jù)需要進行調(diào)整，實際應(yīng)用中最大已超過10m，長度可達數(shù)十米。土工管袋在沿海吹填成陸工程項目中可用于制作圍堰，施工效率高，且造價較為經(jīng)濟。伴隨河湖底泥清淤項目的開展，目前已經(jīng)逐步應(yīng)用于內(nèi)陸河湖清淤底泥的脫水處理中[6]。清淤底泥由清淤設(shè)備挖出后由管道進行輸送時，將一定劑量的高分子絮凝劑溶液混入到底泥輸送管道之中，混合后的絮凝劑溶液和清淤底泥泥漿一同流入到土工管袋中?；旌虾蟮臐{液在土工管袋內(nèi)部發(fā)生沉淀離析，固體顆粒在絮凝劑的作用下快速的沉淀，泥漿中的水體析出于土體的上部。析出的水體在重力作用下流出土工管袋的袋體，將底泥留置于土工管袋之內(nèi)。

土工管袋脫水固化工藝主要由清淤、輸泥、投藥、脫水、固結(jié)五個階段組成，每個階段的主要內(nèi)容如下：

1）清淤：采用挖泥船、氣動泵、挖掘機等器械實施生態(tài)清淤。

2）輸送：采用封閉式管道進行輸送，密封性好，過程中不出現(xiàn)撒漏現(xiàn)象。

3）投藥：采用投放絮凝劑的方式，提高底泥脫水的效率。

藥劑投放操作步驟：根據(jù)工程實際，確定清淤泥漿流量、濃度、最佳絮凝劑濃度和流量以及土工管袋的材質(zhì)、孔隙大小等指標(biāo)。清淤底泥進入底泥輸送管道以后，通過加藥系統(tǒng)將具有提高底泥沉淀作用的高分子絮凝劑加入底泥泥漿之中。該種工藝通常在清淤底泥輸送管路上設(shè)有底泥取樣裝置，可以及時對絮凝效果進行監(jiān)控，從而對加藥量進行動態(tài)調(diào)整。

4）脫水：在高分子絮凝劑和重力作用下，泥漿中的土體在土工管袋內(nèi)發(fā)生沉淀，泥漿中的水體析出于上表層。重力作用下，析出的水體經(jīng)土工管袋外壁的孔隙排出。排出的水體經(jīng)提前布置好的排水通道流入到余水處理系統(tǒng)中進行處理。

5）固結(jié)：隨著底泥中的水體不斷的析出，土體不斷的發(fā)生固結(jié)密實，物理力學(xué)性能得到提高。固結(jié)干化后的底泥可用于土地改良，當(dāng)作綠化農(nóng)田用土，也可以運至專業(yè)的水泥或制磚廠進行資源化再利用。

由于泥漿存儲于土工管袋的袋體中，不會產(chǎn)生流溢現(xiàn)象，因此無需新建圍堰用于擋泥，只需一處較為平整的空地作為作業(yè)場地即可。同時該種方法因采用了高分子絮凝劑加速了土體的固結(jié)速度，因此具有工期短的特點。與自然晾曬工藝相比，該種工藝受天氣的影響較小、土工管袋的占地面積可以根據(jù)工程實際情況確定，具有較強的適用性、土工管袋可以相互堆疊多層，具有節(jié)約占地面積，提高土地利用率的積極效果。

4.結(jié)論

（1）自然晾曬法處理河湖底泥所需時間較長，容易受氣候條件影響，長期占用底泥存儲場地，多適用于一些工期條件理想且土地資源較為充足的項目。

（2）真空預(yù)壓法處理軟泥具有技術(shù)成熟、施工簡單、造價經(jīng)濟等優(yōu)點。適用于底泥工程量大、底泥堆積厚度大、工期任務(wù)較為緊張的項目。

（3）土工管袋脫水工藝占用時間較短、節(jié)約占地面積，適用于土地資源緊張、工期緊張、沒有廢棄坑塘可供底泥存放使用的項目。