疏浚淤泥中的拱架結構防淤堵機理

周 源,高玉峰,陶 輝

(河海大學a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室;b.巖土工程科學研究所,南京 210098）

中國是一個河流湖泊分布廣泛的國家,內陸江河湖泊的泥沙淤積非常嚴重[1]。為了改善水質,建設港口,浚深加寬航道,需要進行大規模的疏浚清淤作業,不可避免地產生大量的淤泥[2-4]。

目前絕大部分內陸疏浚淤泥采用堆泥場放置處理,廢棄于陸地拋填區或低洼地區,占用大量的魚塘或耕田。疏浚淤泥含水率高、強度低,很難直接對疏浚淤泥進行開發利用;疏浚淤泥粘粒含量高、透水性差,在自重作用下需要幾年甚至更長時間才能完成固結[5-9]。因此,需要快速降低疏浚淤泥的含水率,快速排出疏浚淤泥中所含大量的水,解決疏浚淤泥處置占地時間長,浪費寶貴的土地資源的問題。

采用真空抽水加速固結的方法來處理疏浚淤泥,其中關鍵的問題是保證排水系統的有效性,這樣才能有效地降低淤泥中的水分,加速固結[10-11]。國內很多工程都采用真空抽水方法[12],但是疏浚淤泥的粘粒含量一般較高,進行常規真空抽水時,排水通道很快就會被淤堵,導致常規的真空抽水方法在疏浚淤泥排水上效果很差[13-17]。

針對淤堵的問題,經過2年多的試驗研究[18],開發出了一種快速高效抽取高含水率疏浚淤泥中水的技術——透氣真空快速泥水分離技術[19-21],克服了在高含水率高粘粒含量的淤泥中抽水時存在的淤堵問題,同時能夠很快排出淤泥中的水分。

通過透氣真空快速泥水分離室內試驗與常規真空抽水室內試驗之后的取樣顆粒分析,從細顆粒流失的角度解釋了透氣真空快速泥水分離技術形成自然過濾層的機理,自然過濾層是多級顆粒拱架組成的過濾透水結構層,阻止細顆粒在濾層材料內部淤積,解決了淤堵問題。同時從微觀角度描述了透氣真空快速泥水分離技術從初始狀態開始形成過濾層的過程。

1 透氣真空技術的室內模型取樣顆分試驗

1.1 透氣真空與常規真空模型試驗

取樣顆分試驗是在模型試驗基礎上,通過在試驗結束后的模型箱內不同部位采樣進行的顆分試驗。透氣真空模型試驗采用透氣真空快速泥水分離室內模型試驗裝置,而常規真空是在上述模型試驗裝置的基礎上去除透氣系統。

模型試驗的疏浚淤泥試樣取自南水北調東線江蘇段淮安白馬湖疏浚堆場,共有2種,基本性質指標見表1。

表1 白馬湖疏浚淤泥物理性質指標

在原泥中加水,將淤泥含水率調整至目標含水率并充分攪拌均勻,進行透氣真空快速泥水分離和常規真空抽水的室內模型試驗,試驗初始條件與參數取值見表2。

表2 模型試驗初始條件與參數取值

在試驗進行過程當中,按照事先計劃好的時間間隔,測讀記錄各項數據,包括飽和缸真空度、泥漿中管道內的真空度、電子秤顯示的抽水重量、表面水的高度、淤泥泥面的高度和流量計的透氣速度。

1.2 透氣真空模型試驗結束后的顆粒分析

在透氣真空快速泥水分離模型試驗中,當試驗結束后,在透氣真空管道濾水段外部會存在一層外包泥層,如圖1所示。

圖1 外包泥層與濾管的相對位置

在上圖中,一點一點逐層削去外包泥層,在濾水段外側緊貼濾層材料的3個部位刮取適量泥樣后,將3處取得的泥樣混合,測定混合樣的顆粒分布。同時測定在飽和缸中的試驗尾水中所含顆粒的粒徑分布。將兩者的結果匯同原泥顆分結果繪成圖2-圖4,典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)對比見表3-表5,這3個典型顆粒粒徑能夠較全面反映粒徑分布中較細顆粒組、較粗顆粒組以及中等粒徑顆粒組的含量分布情況。

圖2 透氣真空試驗1不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表3 透氣真空試驗1不同部位典型顆粒粒徑對比

表4 透氣真空試驗2不同部位典型顆粒粒徑對比

圖4 透氣真空試驗3不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表5 透氣真空試驗3不同部位典型顆粒粒徑對比

1.3 常規真空淤堵模型試驗結束后的顆粒分析

在常規真空快速泥水分離模型試驗中,在很短的時間內就會發生淤堵,真空抽水作用無法進行下去。當發生淤堵試驗停止后,在管道濾水段外部會存在一層較薄的外包泥層,一點一點逐層削去外包泥層,在濾水段外側緊貼濾層材料的3個部位刮取適量泥樣后,將3處取得的泥樣混合,測定混合樣的顆粒分布。同時測定在飽和缸中的試驗尾水中所含顆粒的粒徑分布。將兩者的結果匯同原泥顆分結果繪成圖5-圖6,典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)對比見表6-表7。

圖5 常規真空試驗1不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表6 常規真空試驗1不同部位典型顆粒粒徑對比

圖6 常規真空試驗2不同部位顆分曲線與顆粒頻率曲線

表7 常規真空試驗2不同部位典型顆粒粒徑對比

1.4 顆粒流失分析

從上述5次試驗之后的顆分數據可以看出在3次透氣真空快速泥水分離試驗中,濾管邊緣和尾水中的顆粒分布曲線相應于原泥發生了較大的改變,尾水典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)相應于原泥有明顯減小,濾管邊緣處的泥樣典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)相應于原泥均有增大,這表明在透氣真空技術中原泥中的細顆粒逐漸轉移到了尾水中,而粗顆粒留在濾層材料邊緣形成粗顆粒富集層。

而在2次常規真空試驗中,發生了淤堵,濾管邊緣與尾水中的顆粒分布曲線相應于原泥沒有發生較大變化,尾水、原泥、濾管邊緣處的泥樣典型顆粒粒徑(d10,d50,d90)基本不變化,沒有發生顆粒分選作用。

從3次透氣真空快速泥水分離試驗的顆粒頻率曲線可以看出濾管邊緣和尾水中的各粒徑組顆粒含量相應于原泥發生了較大的偏移,濾管邊緣主要的顆粒為大顆粒,細粒組的顆粒含量很低;而尾水中的顆粒多為細顆粒,粗顆粒基本缺失。

從2次常規真空試驗中的顆粒頻率曲線可以看出濾管邊緣和尾水中的各粒徑組顆粒含量相應于原泥未發生明顯變化。

上述現象表明在透氣真空快速泥水分離方法中,濾層材料內外會發生顆粒分選作用,靠近濾層材料的土體中細顆粒流失,粗顆粒富集;而發生淤堵的常規真空方法中,濾層材料附近的土體中不會發生顆粒分選流失,粒徑變化不明顯。由此可見,淤堵發生的與否與細顆粒流失,粗顆粒富集有著直接的關系。

2 透氣真空技術中拱架結構防淤堵的機理

2.1 顆粒流失的意義——形成拱架結構

當含有細顆粒的不穩定土體與濾層材料接觸時,濾層材料的特征孔徑大于土體中的某一細粒組顆粒直徑,這些細顆粒就可以在滲透水流的作用下穿越濾層材料,被帶出體系之外,這個過程稱之為細顆粒的流失。細顆粒在多孔介質中的遷移決定著土木工程中各種下部結構物的特性,比如以土工織物作為上部或者下部地基襯墊的工程中的淤堵問題。不僅細顆粒的流失十分重要,而且細顆粒隨后的遷移停滯位置也有重要的研究意義[22]。

細顆粒流失后,原本占據的位置被空出來,土體形成疏松的結構,與土工濾層材料緊鄰的土體中的細顆粒流失最為嚴重,流失后的土體中剩下較粗的顆粒,由于上部荷載產生拱效應,這些粗顆?；ハ啻罱有纬傻囊粋€拱架結構,這些相對較大的顆粒將同樣截留比自身稍小一點的顆粒,稍小一點的顆粒同樣形成拱架結構,并且繼續截留更小一級的顆粒,從而在與土工織物相鄰的土體中形成了一個粒徑逐步減小的多級拱架結構,這種結構疏松多孔,使得透水性增強。形成這樣多級結構之后,能夠繼續再隨著動態水流移動穿越濾層材料的顆粒就會越來越少[23],降低了濾層材料被細顆粒淤堵的可能性。

由于力學中的拱效應,能夠承擔一定的壓力,因此這些顆粒并不會被完全壓密,繼而保留了相當一部分過水空隙,這樣既保證了土體的穩定性,又不至于造成濾層的淤堵失效。

透氣真空作用提供了一種動態的水流作用,在土工織物濾層界面上出現水力梯度方向周期性的變化,使得濾層界面附近的滲透水流也呈現周期性的往復流動。這種特殊的水動力條件使得濾層附近淤泥土體中的細顆粒更容易被水流帶出,剩下的粗顆粒形成良好的拱架結構。

2.2 拱架結構防淤堵的作用

工程中常用的過濾材料主要分為2類,一類是土工合成材料,一類是天然散粒體材料。散粒體材料過濾層是粒徑漸次變化的多層散粒體材料構成的過濾防滲透破壞結構,它依靠最內層的細粒層來阻擋被保護土體中顆粒的流失,同時向外逐漸變粗的顆粒層又提供了良好的排水通道。

高翼強和陳德鋒[24]認為采用非織造布作為過濾層時,實際上是借助于非織造布和相鄰的土層共同組成一個漸次過濾層,它在外觀結構上與傳統的多層級配粒料濾層很相似,但它是由于土工布的引入而自然形成的,無需人工去選料和進行級配,施工方便,而且是就地取材。佘巍,陳輪等[25]也認為在細顆粒流失、粗顆粒形成拱架結構的過程中,土工織物實際上起到了催化劑的作用。毛昶熙,段祥寶等[26]進一步提出了土工織物濾層的設計思想,他們認為完全保住土體的細顆粒很難做到;而允許接觸處少許細顆粒被水流帶出去,留下粗顆粒與土工織物濾層組合起來發揮濾層作用,保住更深土體內部的細顆粒的水動力穩定性的開放式濾層,更適宜在工程中應用。陳輪,易華強等[27]通過模擬試驗研究了這種土工織物過濾系統土體結構的穩定性,認為采用較大孔徑的土工織物作為過濾層,能更好地防止淤堵。

同樣的,在透氣真空快速泥水分離方法中,與土工濾層材料接觸的淤泥會形成一種類似于散粒體材料過濾層的拱架結構過濾層,這種過濾結構力學特性較為穩定,同時滲透性好,有利于防淤堵。

3 透氣真空技術中拱架結構的形成過程

從上述分析可以看出,透氣真空技術能夠防淤堵是因為在濾層邊緣部位土體中細顆粒自然流失而形成拱架結構形式的過濾層,稱為自然過濾層,其具體形成機理可以分為如下4步(圖7)。

圖7 拱架結構的形成過程

1)最靠近濾層的淤泥中細顆粒流失。在水流的帶動下,靠近濾層材料孔隙的細顆粒被沖進濾管中,然后隨著尾水流出來,這些細顆粒本來是填充著粗顆粒之間的間隙的,流失后粗顆粒之間間隙變大,原來的接觸消失了,開始在重力和水力作用下移動。

2)較大顆粒形成拱架結構。細顆粒流失后,粗顆粒之間變成了直接的接觸形式,由于拱效應的支持,粗顆粒不會移動得太劇烈,一般就在原位附近滯留搭接,形成疏松多孔的結構。同時拱效應使得這種結構可以承擔一定的荷載,這就是在一定的真空壓力下,該層結構不至于破壞,保證了這樣一種透水效率很高的結構的長效性。

3)次一級顆粒被最粗顆粒截留,形成次一級拱架結構。最初的第一級粗顆粒拱架形成以后,形成的拱架結構仍然具有較大的孔隙,在水流作用下,與其接觸的土體中細顆粒仍然繼續流失。但是由于第一級粗顆粒之間搭接后的孔隙總是小于自身特征粒徑的,因此在其上形成的次一級拱架結構,其特征粒徑要小于第一級成拱顆粒粒徑,其所能流失的細顆粒粒徑范圍縮小了,形成的拱結構也相對變小。

4)逐步形成多級拱架結構。在水流作用下,次級拱結構上又能形成更小的拱結構,能夠流失的顆粒粒徑也越來越小。就這樣,流失作用造就了一層又一層特征粒徑不同的過濾層,這些過濾層可以很好地排水,截留住細顆粒。同時,形成的拱架結構可以分擔真空壓力和來自外部的壓力,具有良好的力學穩定性。至此,這一層濾層材料外的附加過濾結構已經具有滲透排水和防止土體流失的功能,可以與原先的土工織物材料一起看作新的過濾層體系。

4 結論

1)透氣真空快速泥水分離技術能夠使得濾層材料附近的土體中細顆粒流失出來,在濾層材料保護的內側土體發生粗顆粒富集,經過濾層材料過濾的尾水中粘粒含量較高。

2)常規真空抽水方法發生淤堵時,濾層材料附近不發生顆粒流失,在濾層材料保護的內側土體不發生粗顆粒富集,尾水也與原泥的顆分沒有明顯變化。

3)適當允許細顆粒流失,剩下的粗顆粒在濾層材料內側形成自然分選的拱架結構層,拱架結構層能夠保持淤泥中的細顆粒不在濾層材料中淤積,同時保證較好的透水性,解決了淤堵的問題。

4)拱架結構形成是逐步的過程,首先形成較粗1級的拱架結構,孔隙較大,粗顆粒較多;在第1級拱架結構外面逐漸形成第2級、第3級等次級拱架結構,孔隙逐步變細,細顆粒逐步增多,直至與原泥顆粒分布相同。

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