疏浚淤泥脫水筑堤技術(shù)應(yīng)用研究

陳 通，何華軍，姚永新

（1.嘉善縣太浦河紅旗塘管理所，浙江 嘉善 314100；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

河道和湖泊是水資源的載體、行洪的通道、生態(tài)環(huán)境的組成部分，是人類生存、生活和生產(chǎn)的一種最基本自然資源，同時(shí)是水生物、陸生物相互依賴的紐帶，是自然景觀的依托。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動導(dǎo)致河湖淤積較嚴(yán)重，而且表層多為高含水量、低強(qiáng)度的淤泥，無法直接用于工程建設(shè)，就地堆放需占用大量土地和影響周邊環(huán)境，不符合“綠色發(fā)展的理念”。為有效解決上述矛盾，提出河湖疏浚淤泥筑堤技術(shù)研究，研究成果可為類似工程提供設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理參考依據(jù)。

1 工程概況

為改善區(qū)域水環(huán)境、提高防洪排澇能力，嘉善縣組織實(shí)施嘉興市北部湖蕩整治及河湖連通工程（嘉善片），工程概算總投資10.38億元，主要建設(shè)內(nèi)容包括堤防（護(hù)岸）加高加固、清淤疏浚、閘站建設(shè)、防汛道路建設(shè)和岸坡綠化等，工程建成后使嘉善縣所屬的骨干河道（結(jié)合航道和圩區(qū)整治工程）防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20 a一遇，并改善河湖自然環(huán)境。

工程實(shí)施過程中，待清的河湖底泥方量高達(dá)600多萬m3。因河湖底泥成分復(fù)雜、含水率高、體積大、可能含有害物質(zhì)等不利因素[1]，導(dǎo)致其資源化利用率低，處置消納難度大；與此同時(shí)，該工程的堤防（護(hù)岸）加高加固建設(shè)需大量土方，但因疏浚底泥工程力學(xué)性狀差，不能直接用于筑堤，堤防建設(shè)所需土方需長距離從外運(yùn)進(jìn)。為解決淤泥堆放和運(yùn)輸問題，本工程提出淤泥固化筑堤技術(shù)設(shè)想，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場示范工程驗(yàn)證了技術(shù)的可靠性和成熟度。

2 化學(xué)固化試驗(yàn)

河湖庫塘底泥含水率高，將其用于堤防建筑材料時(shí)，需將其脫水擊實(shí)或化學(xué)固化壓密，同時(shí)淤泥固化后是一種典型的結(jié)構(gòu)性土，存在明顯的固結(jié)屈服應(yīng)力，屈服前后固化淤泥的力學(xué)性質(zhì)顯著不同[2-3]。通過大量實(shí)驗(yàn)來研究底泥擊實(shí)和化學(xué)固化規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣采用嘉興市北部湖蕩整治及河湖連通工程（嘉善片）河湖疏浚淤泥，其物理性質(zhì)見表1。底泥風(fēng)干后（含水率約5%）磨碎過5 mm篩。

表1 試驗(yàn)淤泥基本物理性質(zhì)表

為了研究含水率對固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8組不同的含水率試驗(yàn)，跨度設(shè)計(jì)為3%，分別為28%、31%、34%、37%、40%、43%、46%、49%。固化劑摻量選擇5%，對試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d，到養(yǎng)護(hù)齡期之后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。不同固化劑摻量在不同含水率下成型固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總表

2.2 試驗(yàn)流程

1）配樣：淤泥塑限34.6%，配置含水率分別為28%、31%、34%、37%、40%、43%、46%、49%的土8份，每份重約700 g。

2）養(yǎng)護(hù)：將配制好的土樣攪拌均勻，放在密封袋中養(yǎng)護(hù)12 h以上，養(yǎng)護(hù)袋上寫上編號。

3）擊實(shí)：擊實(shí)前將養(yǎng)護(hù)后的土再次攪拌均勻，每個含水率擊實(shí)3個樣，共21個樣。每次擊實(shí)前根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先完成攪拌均勻樣稱重，預(yù)先稱取合適重量（預(yù)估每層土樣重量），擊實(shí)后每層高度應(yīng)大致相等，且擊實(shí)完成后超出擊實(shí)筒頂?shù)脑嚇痈叨葢?yīng)小于4 mm。

4）稱重：每次擊實(shí)完成后，擦凈擊實(shí)設(shè)備并稱重，計(jì)算土樣容重。

5）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度：密封養(yǎng)護(hù)12 h后，在擊實(shí)筒下墊1塊透水石，慢慢推出試樣。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)前確保試樣兩端完整且平行。要記錄加載過程數(shù)據(jù)。

6）含水率：及時(shí)測無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的殘土含水率。

2.3 試驗(yàn)成果分析

養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、固化劑摻量為5%、不同含水率固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。

圖1 5%摻量固化劑在不同含水率下應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

從圖1中可看出，8組不同含水率的固化土試樣破壞模式都很相似，應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以大致被分為3個階段，即線性增長階段、塑性變形階段和結(jié)構(gòu)破壞階段。雖然每個曲線都有這3個階段，但是每條曲線也各有不同。固化土試樣破壞應(yīng)變隨含水率的增加而增加，說明固化土含水率的增加能夠增加水泥土試樣的彈塑性變形。

隨著固化土含水率的增加，除了前面分析的破壞應(yīng)變在增加，另外應(yīng)力峰值先增大后減小，也就是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加而先增大后減小。第一階段的線性增長階段隨含水率增大，直線斜率先增大后降低。也就是線性增長階段應(yīng)力隨應(yīng)變增加的速率是先變大后變小。從圖1中還可看出，含水率從37%到43%時(shí)，第一階段曲線的斜率是變大的。當(dāng)含水率為46%~49%時(shí)，第一階段曲線斜率下降?？梢娞砑庸袒瘎┲蠊袒劣幸粋€最佳含水率，最佳含水率條件下，固化土不僅無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，線性階段的增長速率也是最大的。

通過固化劑發(fā)生效果的作用機(jī)理分析含水率造成這些影響規(guī)律的原因：固化土的結(jié)構(gòu)是由水泥膠凝材料水化產(chǎn)物包裹著土顆粒以及土顆粒之間的孔隙由具有一定剛度的水化產(chǎn)物填充。比如纖維狀的水化硅酸鈣，通過土體顆?？紫缎纬删W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠增加整體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)；或是網(wǎng)絡(luò)狀的水化硅酸鈣和另一些無固定形狀的水化硅酸鈣凝膠，通過附著在土顆粒及土顆粒團(tuán)的表面將其包裹起來。這2種作用并不是單獨(dú)作用，而是聯(lián)合作用于土顆粒間，這種聯(lián)結(jié)和包裹作用大大增大了土體的強(qiáng)度。當(dāng)固化劑摻量一定時(shí)，含水率也就成為這種作用的主要影響因素。不同固化劑摻量下破壞應(yīng)變隨含水率變化見表3。

表3 不同固化劑摻量下破壞應(yīng)變隨含水率變化表

圖2為含水率與固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖。從圖2可看出，固化劑作用下，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而先增大后減小。增大是由于含水率增加使得固化劑中水泥水化越充分，生成的水化硅酸鈣等膠凝材料裹膠結(jié)土顆粒來填充孔隙，聯(lián)結(jié)和包裹作用導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大；減小是由于含水率進(jìn)一步增大，導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙間充水，這些水分起到了潤滑、溶解作用，降低了試樣土體的內(nèi)聚力和土顆粒之間的摩擦阻力，從而降低了水泥土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著固化劑摻量的增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值的含水率也在增大，固化劑摻量越高，水泥水化所需的水分越多，所以其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值所需的含水率會增大。

圖2 含水率與固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅隨含水率的增加而先增大后減小，而且兩者能較好的滿足二次函數(shù)關(guān)系。為了驗(yàn)證這一規(guī)律，根據(jù)14%摻量固化劑的試驗(yàn)結(jié)果，得出固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和含水率二者關(guān)系的擬合曲線（見圖3）。由圖3可以看出，3 d養(yǎng)護(hù)齡期、固化劑摻量為14%的固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅隨含水率的增加而先增大后減小，而且兩者確實(shí)滿足二次函數(shù)關(guān)系。水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu與含水率w的函數(shù)關(guān)系可用式（1）表示。

圖3 14%摻量時(shí)含水率與固化土強(qiáng)度擬合曲線圖

式中：fcu為固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；w為固化土含水率，%；B1、B2、IN為擬合相關(guān)系數(shù)。

在圖3的擬合關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，B1=15 114.8，B2=-17 694.7、IN=-2 961.2。且擬合相關(guān)系數(shù)為0.979 67，顯著性很高，說明養(yǎng)護(hù)3 d、固化劑摻量為14%的條件下，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率成二次函數(shù)關(guān)系。

3 淤泥筑堤示范工程

3.1 試驗(yàn)堤段設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)堤位于嘉善縣西塘鎮(zhèn)茜墩村舜東橋西側(cè)，試驗(yàn)堤總長度約413 m，位于墳頭港西側(cè)堤岸W0+808.18~墳W1+221.66。筑堤淤泥來自疏浚淤泥。最近的淤泥堆場距離該位置約2.5 km，為北祥符蕩淤泥堆場。根據(jù)施工工藝和固化土摻量不同分3種典型斷面進(jìn)行試驗(yàn)：

第一種典型斷面位于墳W0+808.18~墳W0+933.18（見圖4），主要采用淤泥固化土填筑堤身；

第二種典型斷面位于墳W0+933.18~墳W1+033.18（見圖5），進(jìn)一步采用不同配比固化土填筑堤身；

圖5 第二種典型斷面圖 單位：cm

第三種典型斷面位于墳W1+033.18~墳W1+221.66（見圖6），主要試驗(yàn)采用模袋固化土填筑堤身，同時(shí)擋墻外側(cè)填筑固化土平臺和斜坡。

圖6 第三種典型斷面圖 單位：cm

根據(jù)典型斷面和試驗(yàn)堤總長度，所需淤泥固化土約6 595 m3。

3.2 工程實(shí)施

3.2.1 固化劑配制實(shí)驗(yàn)

工程施工前淤泥取樣，測定淤泥的物理和化學(xué)性質(zhì)，如含水率、顆粒級配、有機(jī)質(zhì)含量和重金屬含量，再根據(jù)各物質(zhì)含量配制處理用固化劑。

固化劑的主要成分包括起固化劑作用的水泥（425高強(qiáng)度水泥）、生石灰（高質(zhì)量白灰）和粉煤灰（干粉煤灰）等，根據(jù)不同的配合比分別進(jìn)行制樣，測定凝固時(shí)間，制樣測定養(yǎng)護(hù)7 d、14 d和28 d的無限抗壓強(qiáng)度，按最優(yōu)性價(jià)比最終確定固化劑的摻量。經(jīng)初步試驗(yàn)，本次固化劑配比為425水泥80%，生石灰15%，其他輔劑5%。

挖泥船疏浚淤泥泵送至沉淀池初步脫水，沉淀時(shí)間3~5 d（沉淀時(shí)間可根據(jù)試驗(yàn)要求適當(dāng)調(diào)整），沉淀后淤泥含水率降至80%以下，必要時(shí)加絮凝劑。沉淀池的容量約0.4萬m3，深度約2.0 m。

3.2.2 固化土攪拌與運(yùn)輸

淤泥在沉淀池自然瀝水3~5 d后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)配比添加固化劑，固化劑采用人工和機(jī)械拋灑，攪拌采用立式攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間4~5 min。

1）泵送固化土。疏浚淤泥在沉淀池中沉淀3~5 d后，運(yùn)至攪拌池并加入固化劑，采用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。施工前根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)要求和攪拌效果確定攪拌機(jī)的攪拌參數(shù)，為較大規(guī)模施工創(chuàng)造條件。在固化劑初凝前，固化土采用吹泥泵泵送至堤身位置進(jìn)行填筑。

2）非泵送固化土。挖機(jī)（船挖機(jī)）翻挖2~3遍后悶置1~2 d（悶置時(shí)間可根據(jù)試驗(yàn)要求適當(dāng)調(diào)整），做好淤泥的覆蓋。固化淤泥外運(yùn)前，再進(jìn)行翻拌3~4遍。固化后的淤泥，采用挖機(jī)挖泥、裝車、外運(yùn)并用于回填筑堤。

3.2.3 固化土堤身填筑

1）堤身填筑采用淤泥固化土（低含水率）直接回填的，宜采用分層加載的方式進(jìn)行，分層厚度30 cm并壓實(shí)確保土體強(qiáng)度，壓實(shí)度不小于0.91，地基承載力特征值不小于80 kPa。

2）堤身填筑采用固化土（中含水率）模袋筑堤的，利用輸送管將固化土吹填進(jìn)模袋當(dāng)中。模袋采用連體式管袋，由數(shù)個單體袋組成，單個袋子寬約2 m，長約20 m。

固化土填筑現(xiàn)場見圖7。

圖7 固化土填筑圖

3.2.4 檢測數(shù)據(jù)分析成果

固化底泥現(xiàn)場十字板強(qiáng)度成果見圖8。施工30 d后已達(dá)30 kPa以上，大于一般天然土強(qiáng)度（在軟黏土地區(qū)，20 m深處天然土十字板強(qiáng)度一般小于30 kPa），強(qiáng)度增長顯著。

圖8 現(xiàn)場十字板強(qiáng)度成果圖

4 結(jié) 語

通過大量試驗(yàn)揭示了固化劑摻量、含水率、干密度和養(yǎng)護(hù)期等4方面對強(qiáng)度的影響規(guī)律，可為固化土的施工設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)；完成淤泥筑堤示范工程的方案、工藝和技術(shù)要求設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上開展淤泥填筑示范工程實(shí)施；現(xiàn)階段的非模袋堤十字板現(xiàn)場檢測表明，淤泥添加固化劑后強(qiáng)度顯著提高，基本滿足筑堤要求。