真空預(yù)壓處理廢棄泥漿淤堵區(qū)滲透試驗(yàn)研究

馬群超 馬泉 廖乾凱 崔允亮

（浙大城市學(xué)院，浙江杭州 310015）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，基礎(chǔ)工程施工過程中會產(chǎn)生大量廢棄泥漿，由于廢棄泥漿的產(chǎn)量大且固液分離難度大，廢棄泥漿的處置成為工程施工的一項(xiàng)重大難題，若未經(jīng)處理直接排放會對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成污染［1-2］。因此，探索有效處理廢棄泥漿的方法具有重要的社會意義。真空預(yù)壓法最早由W Kjellman 教授提出，但限于當(dāng)時(shí)材料技術(shù)的不成熟，此工法并沒有在當(dāng)時(shí)廣泛應(yīng)用，直至1958 年，真空預(yù)壓處理技術(shù)才第一次被真正應(yīng)用于實(shí)際工程中［3］。隨著各國學(xué)者不斷地深入研究，真空預(yù)壓技術(shù)逐步成熟，并且通過聯(lián)合堆載、電滲、加熱等其他技術(shù)，提升了處理效果。但不論通過何種方法，如何緩解排水板附近的淤堵是真空預(yù)壓處理過程中始終繞不開的難題。

針對真空預(yù)壓技術(shù)中的淤堵現(xiàn)象，Mc Gown 等在1978 年就給出了相關(guān)解釋，淤泥中的小顆粒會隨著脫水過程不斷積聚在濾膜孔口周邊，進(jìn)而導(dǎo)致滲透系數(shù)的降低［4］。蔡袁強(qiáng)［5］等通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，揭示了淤泥液限和初始含水率影響淤泥屈服應(yīng)力的作用規(guī)律，并基于粒子圖像測速（PIV）和粒子追蹤測速（PTV）技術(shù)，揭示了真空預(yù)壓狀態(tài)下淤泥固結(jié)的機(jī)理，提出了分級、增壓式、絮凝—真空預(yù)壓等多種防淤堵的淤泥處理技術(shù)。李晗峰等［6］通過室內(nèi)真空預(yù)壓處理淤泥的對比試驗(yàn)，揭示了淤泥的顆粒級配是影響排水板淤堵的重要因素。武亞軍等［7］通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)證明了添加陰離子聚丙烯酰胺（APAM）等絮凝劑可有效緩解排水區(qū)淤堵的問題。劉景錦等［8］結(jié)合不同真空度條件下的室內(nèi)模擬試驗(yàn)，揭示了真空預(yù)壓處理過程中土顆粒內(nèi)部的滲透路徑隨著大顆粒的遷移而逐漸變窄的形成機(jī)理。徐鍇等［9］通過不同的真空加載方式進(jìn)行真空預(yù)壓淤泥處理室內(nèi)試驗(yàn)，提出了分級加載且加載梯度較小的真空處理可有效緩解排水區(qū)淤堵的施工建議。

本研究為了進(jìn)一步提升真空預(yù)壓處理技術(shù)的排水效果，通過真空預(yù)壓處理泥漿室內(nèi)試驗(yàn)測得不同真空度下的廢棄泥漿的排水量，并通過滲透試驗(yàn)測得相應(yīng)真空度下淤堵區(qū)的滲透系數(shù)，對比判斷真空預(yù)壓脫水過程中合理的真空度范圍和脫水處理時(shí)長，為工程施工提供參考。

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 抽濾試驗(yàn)

首先配置干土∶水為3∶5 的淤泥混合液，通過攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杌旌弦?，倒入無蓋試驗(yàn)桶內(nèi)即可進(jìn)行抽濾試驗(yàn)。無蓋試驗(yàn)桶的過濾裝置由雙層鐵絲網(wǎng)和單層濾膜組成，無蓋試驗(yàn)桶下部裝備閥門控制試驗(yàn)開始和結(jié)束，其余各裝置的連接見圖1。本次抽濾試驗(yàn)共分為4 組，分別在60，70，80，90 kPa 真空度條件下進(jìn)行，并且通過電子天平實(shí)時(shí)監(jiān)測抽濾情況，記錄其排水量，計(jì)算相應(yīng)排水速率。

圖1 抽濾試驗(yàn)裝置

2.2 滲透試驗(yàn)

連接變水頭滲透裝置，檢查裝置氣密性以及是否漏水；接著通過環(huán)刀取抽濾后的土堆底層中部的泥漿，放入滲透試驗(yàn)裝置底座，依次安放濾紙、透水石等裝置，靜置待出水口有水溢出即開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)持續(xù)3 h，每隔1 min 讀取1 次水頭數(shù)據(jù)并記錄。

根據(jù)讀取后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算變水頭滲透系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，KT為變水頭滲透系數(shù)，cm/s；a 為變水頭管的斷面面積，cm2；2.3 為ln 和log 的變換因數(shù)；L 為滲徑，即試樣高度，cm；t1，t2分別為測試水頭的起始和終止時(shí)間，s；H1，H2分別為起始和終止水頭，cm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 排水量和排水速率分析

真空預(yù)壓過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測排水量，分別繪制在60，70，80，90 kPa 真空度條件下排水量及排水速率隨時(shí)間變化曲線，如圖2 所示。

圖2 不同真空度下排水量和排水速率隨時(shí)間變化曲線

由圖2 可見，在同一真空度下，真空預(yù)壓排水速率整體上先增大再減小，初期排水速率存在突增趨勢，在2 min 左右時(shí)，排水速率達(dá)到最大值，主要是因?yàn)槌跗跒V膜孔口無淤堵，排水通道暢通；但隨著自由水快速流動，泥漿中顆粒物質(zhì)飛快涌向?yàn)V膜孔口，造成排水通道的淤堵，排水速率發(fā)生突降；30 min 后排水速率呈緩慢下降的趨勢，主要原因是濾膜頂部泥漿不斷堆積，廢水只能通過堆積泥層中的孔隙中透過，排水速率變慢；且隨著濾膜頂部的泥漿不斷堆積，在重力作用下，泥層不斷密實(shí)，滲透路徑逐漸狹窄，導(dǎo)致排水速率緩慢減小。不同真空度作用下，排水速率達(dá)到最大值的時(shí)間略有不同，其中90 kPa作用下最先達(dá)到最大值，其原因主要為真空度越大，自由水流動的速度越快，淤堵層堆積的速度也就越快。

3.2 滲透系數(shù)分析

根據(jù)上述變水頭滲透系數(shù)計(jì)算公式，依次計(jì)算出各個(gè)真空度下不同時(shí)間點(diǎn)的滲透系數(shù)，選取部分時(shí)間點(diǎn)制得滲透系數(shù)隨時(shí)間變化表。

60 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化見表1。

表1 60 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化

70 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化見表2。

表2 70 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化

80 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化見表3。

表3 80 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化

90 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化見表4。

表4 90 kPa 真空度下滲透系數(shù)隨時(shí)間變化

由表1～4 可見，在同一真空度作用下，滲透系數(shù)隨時(shí)間增加而逐漸減小，其原因主要為在重力作用下，泥漿不斷堆積，密實(shí)度增大，滲透路徑減小，相應(yīng)的滲透系數(shù)也就變??；通過對比60，70，80 kPa 真空度處理下相同時(shí)間點(diǎn)的滲透系數(shù)可知，滲透系數(shù)隨著真空度的增大略微增大，其原因主要是真空度越大，泥漿兩端壓力差越大，滲透系數(shù)也隨之變大；但是通過對比相同時(shí)間點(diǎn)90 kPa 和其他真空度下的滲透系數(shù)可知，真空度越大，滲透系數(shù)反而越小，其主要是過大的真空度會導(dǎo)致自由水的快速流動，并且?guī)油令w粒不斷積聚濾膜孔口，從而使得排水通道變窄，因此，工程上不宜直接采用90 kPa 的真空度。

4 結(jié)論

（1）在采用真空預(yù)壓處理泥漿的過程中，真空度是影響淤堵區(qū)滲透系數(shù)的重要因素之一，過大的真空度會加快淤堵層的形成積聚，因此，在施工開始時(shí)不宜采用過大真空度，建議采用逐級增加真空度的方法。

（2）當(dāng)真空度保持一致時(shí)，排水區(qū)滲透系數(shù)在0～20 min 內(nèi)較大，20 min 后則保持較小數(shù)值，工程施工過程中，長時(shí)間真空預(yù)壓容易造成淤堵，滲透系數(shù)下降，建議采用間歇施工，有利于保持良好的滲透性。

（3）真空預(yù)壓處理過程中，自由水的排出主要集中在真空預(yù)壓初期，排水板附近土顆粒隨著自由水快速流動，不斷積聚在排水板孔口，造成排水通道越來越窄，排水效率降低。