南水北調東線工程3個疏浚泥堆場踏勘調查及試驗

吳學春,孫衣春,丁建文,吉 鋒

(1.南水北調東線江蘇水源有限責任公司,江蘇 南京 210029;2.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096)

南水北調工程是緩解我國北方地區水資源短缺、實現水資源合理配置的重大基礎設施工程,河道疏浚在南水北調東線工程中占有很大比例。內陸河道中疏浚泥的處理通常是沿線征用土地,修筑圍堰,將疏浚泥排放到堆場(亦稱排泥場)中。據南水北調東線一期工程可行性研究報告,東線江蘇段土方開挖達20334.85萬m3,棄土所需的永久性占地達1467hm2[1]。目前,不少學者對疏浚淤泥的資源化處理[2-5]和堆場的防滲環保[6-7]進行了研究,但對疏浚泥堆場工程性狀的調查研究較少。對已有疏浚泥堆場進行調查是了解現有堆場處置技術和施工方法優缺點的重要手段,也是開發堆場處置新技術和盡快復墾利用堆場的重要基礎。為掌握疏浚泥堆場的現狀和工程特性,為后期堆場的處置利用提供參考,本文對南水北調東線工程江蘇段3個疏浚泥堆場進行踏勘調查、原位測試及室內試驗,分別是江都東西閘之間河道疏浚泥堆場(以下簡稱江都堆場),高郵三陽河河道工程Ⅴ標、Ⅵ標、Ⅶ標疏浚泥堆場(以下簡稱三陽河堆場)和淮安四站輸水河道白馬湖穿湖段3號疏浚泥堆場(以下簡稱白馬湖堆場)。

1 江都堆場踏勘調查與試驗

1.1 堆場概況

江都東西閘之間河道疏浚工程位于江都市新通揚運河河口,是南水北調東線江都站改造工程的一個子項目。堆場布置在河道南岸,主要利用已有溝塘來儲存疏浚土,堆場東西向長度約為850m,寬度為90～140m,容積為70萬m3。堆場圍堰土質為砂性土,滲透系數的數量級為10-4cm/s,為防止滲透破壞,在堆場圍堰內坡側面鋪設1層防滲膜,泥面吹到1 m左右后在底部增設1層防滲膜。河道疏浚采用絞吸式挖泥船施工,疏浚土方共計56萬m3左右,2007年1月河道疏浚施工結束。

1.2 堆場踏勘調查與試驗

1.2.1 踏勘調查

疏浚施工結束10個月后通過對江都堆場的踏勘調查發現:由于在吹填過程中粗顆粒在吹泥口附近堆積,因此堆場形成了西高東低的總體地形特征。堆場東部疏浚土含水率相對較高,雜草叢生,表層強度很低,如圖1(a)所示;而堆場西部疏浚土含水率相對較低,地基承載力相對較高,大多已被附近居民開墾為農田,如圖1(b)所示。整個堆場局部洼地有積水現象。另外,現場開挖探坑發現,江都堆場疏浚土的成分較復雜,以黏性土為主,夾有不少粉土和粉砂,且土性分層分塊現象比較明顯。

圖1 江都堆場現狀

1.2.2 顆分試驗

對堆場內疏浚土取樣進行顆分試驗,以分析絞吸式疏浚施工對土顆粒粒度分布的影響,并為進一步分析不同土顆粒大小對堆場工程特性的影響提供理論基礎。顆分試驗采用英國馬爾文(Malvern)公司生產的Mastersizer Micro(MAF5000)激光衍射粒度儀測定,堆場表層土顆分曲線見圖2。由圖2可見,疏浚泥堆場由西向東土顆?？傮w分布越來越細,即顆粒大小隨著距吹泥口距離的增大而明顯減小,說明絞吸式疏浚施工中的水力分選作用是顯著的。彭濤等[8]通過對吹填淤泥的工程地質特性研究后指出,動水環境下粗粒物質多在吹淤口附近沉積,細粒物質在遠離吹淤口處沉積,與本文試驗得出的變化規律一致。

圖2 堆場表層土顆分曲線

1.2.3 原位測試

疏浚施工結束1a后,為進一步掌握江都堆場疏浚土的工程力學特性,在堆場內進行了3孔十字板剪切試驗和8孔靜力觸探試驗。因堆場東部強度很低,原位測試設備無法進場,故測點主要分布在堆場中部和西部,僅在東部挑選了地勢和強度相對較高的一處進行1孔十字板剪切試驗和1孔靜力觸探試驗。現場十字板剪切試驗結果如表1所示,由表1可見,疏浚泥堆場吹填土屬于中等靈敏土,疏浚土的剪切強度由西向東明顯降低,與顆粒分布的規律基本吻合,進一步說明了粗顆粒土較細顆粒土固結快、強度增長快。

東部J2孔和西部J7孔的靜力觸探曲線(CPT曲線)分別如圖3和圖4所示(因堆場3～4m深處鋪有防滲膜,故圖中曲線出現突變)。由靜力觸探曲線可知,除表層硬殼層(自表面往下0～0.2m左右)外,新近疏浚吹填土的強度遠低于一般淤泥土,其錐尖阻力僅有 0.05～0.18 MPa,側阻力為1.0～3.5 kPa,而JGJ94—2008《建筑樁基技術規范》推薦的淤泥中樁的極限側阻力標準值為12～20kPa[9]。靜力觸探結果亦表明,位于西部吹泥口附近的J7孔的疏浚吹填土強度明顯大于位于東部的J2孔的疏浚吹填土強度,更進一步說明了吹泥口的位置對疏浚土的工程力學特性有較大影響。

表1 現場十字板剪切試驗結果

圖3 東部J2孔CPT曲線

圖4 西部J7孔CPT曲線

通過對江都堆場的踏勘調查和試驗可以得出:①絞吸式疏浚施工中的水力分選作用顯著,粗顆粒在吹泥口附近堆積,造成疏浚泥堆場在高程和承載力上均表現為距離吹泥口越遠數值越低;②靜力觸探結果和現場開挖調查表明,堆場表層經自然晾曬后形成厚度為0.1～0.3m的硬殼層,具有相對較高的強度,為堆場后續處理提供了很大方便;③堆場東部黏粒質量分數較高的疏浚泥強度明顯較低。

2 三陽河堆場踏勘調查

2.1 堆場概況

三陽河河道拓浚是南水北調東線工程江蘇段第一批開工項目,工程位于江蘇省高郵市境內里下河地區,疏浚施工集中在三陽河Ⅴ標、Ⅵ標和Ⅶ標,棄土沿河道東岸呈條帶狀布置,2005年3月疏浚施工結束。

2.2 踏勘調查

疏浚施工結束2.5 a后2次到現場進行踏勘調查。調查發現,綿延近8km長的三陽河堆場雖然存在局部低洼積水和表層松軟現象,但總體上地勢較高,遠高出周圍地面和路面,且絕大部分場地已經過初步整平并進行植樹綠化,表層相對比較干燥,調查后認為堆場強度總體較高,不僅人可以在上面行走,而且小型輕型機械也能在其上施工,采用干法施工后三陽河堆場現狀如圖5(a)所示。調查過程中亦遇到少量水下方疏浚情況,雖然經過幾年的沉積,但還只是在表層形成厚度約為0.2m的硬殼層,人勉強可以在上面行走,但施工機械無法進入,絞吸式疏浚施工后三陽河堆場如圖5(b)所示。分析認為,三陽河堆場工程性質總體較好,主要是有以下3個方面的原因:①堆場形成時間較長,長期自然蒸發和土體自重固結作用使堆場表層具有相對較高的強度;②疏浚方式以陸上開挖、干法施工為主,水下絞吸式疏浚施工相對較少;③堆場管理到位,綠化及時,有利于疏浚泥堆場的盡快復墾利用。

圖5 三陽河堆場現狀

3 白馬湖堆場踏勘調查與試驗

3.1 堆場概況

淮安四站輸水河道工程位于洪澤湖下游白馬湖地區,工程范圍包括淮安市楚州區、揚州市寶應縣及江蘇省白馬湖農場,是南水北調東線工程的重要組成部分。其中,白馬湖穿湖段進行了2次湖底淤泥疏浚施工,前后相隔1a左右,均采用絞吸式挖泥船疏浚施工:第1次是湖中圍堰基礎及滾水堰基礎淤泥疏浚,于2007年4月結束;第2次是白馬湖穿湖段抽槽施工,于2008年5月疏浚施工結束。

3.2 踏勘調查

疏浚施工結束8個月后現場踏勘發現,整個堆場高程相差極大,在吹泥口由于粗顆粒迅速沉淀,形成小土丘,遠高于堆場圍堰和周圍路面,人可以在上面行走,但遠離吹泥口處高程和強度急劇降低,處于水面以下,形成一片汪洋。這與彭濤等[8]提出的吹填分選使造陸區形成了2個不同的沉積單元(微三角洲形吹填砂區和吹填淤泥區)的結論十分類似。白馬湖堆場現狀見圖6。

圖6 白馬湖堆場現狀

3.3 室內土工試驗

從白馬湖堆場中取疏浚泥進行試驗,其基本物理性質指標如下:含水率 w=118.5%,液限 w L=88.0%,塑限 w p=38.0%,塑性指數 I p=50.0,砂粒(＞0.074mm)質量分數為4.5%,粉粒(0.005～0.074mm)質量分數為51.2%,黏粒(＜0.005mm)質量分數為44.3%,相對體積質量Gs=2.65,有機質質量分數為2.8%。根據土的分類方法,屬高液限黏土。白馬湖疏浚泥細顆粒質量分數很高,達到95.5%,液限高達88.0%。需要指出的是,淤泥取樣是在吹填結束后8個月進行的,而且取自堆場近表層,其含水率仍然高達液限的1.35倍,說明黏粒質量分數高的疏浚泥排水性能差,自重固結慢,若不進行處理將長期占用堆場土地資源。

通過對白馬湖堆場的踏勘調查和室內土工試驗發現,與江都堆場和三陽河堆場顯著不同的是,白馬湖堆場除吹泥口外,大部分土體承載力很低,堆場位于水下或人無法在上面行走,強度相對較差。認為主要有以下原因:①全為絞吸式疏浚施工,且土顆粒很細,黏粒質量分數高,透水性差;②堆場地勢很低,堆場原為魚塘或取土坑,圍堰內疏浚泥泥面高程低于與之緊鄰的淮安新河水位,自然排水十分困難;③吹填時間相對較短。另外,整個堆場高程相差極大,絞吸式疏浚施工過程中形成的小土塊和粗顆粒在吹泥口迅速沉淀,從而形成“小土丘”,遠高于圍堰和周圍路面,排水固結相對較快;但遠離吹泥口處高程和強度迅速降低,很快處于水面以下,處于流動狀態,在自然條件下很難固結,若不進行處理將長期占用堆場土地。

4 結 論

a.絞吸式疏浚施工的水力分選作用十分顯著,堆場高程和強度隨著與吹泥口距離的增大而降低。

b.疏浚方式和疏浚完成時間對堆場工程特性影響大。三陽河堆場由于形成時間較長和以陸上開挖為主,故其工程特性相對較好,承載力較高。

c.疏浚土的土性對堆場性狀有重要影響。江都堆場疏浚土中由于含有較多的粉砂和粉土,透水性較好,排水固結相對較快;而白馬湖堆場由于黏粒質量分數高,透水性差,在自然條件下很難固結,若不進行處理,將長期占用堆場土地。

d.堆場表層天然硬殼層的形成對堆場的后期處理十分有利,因此應采取工程措施,加強堆場表面水的排除,以盡快形成表層硬殼層。

[1]中水淮河工程有限責任公司,中水北方勘測設計研究有限責任公司,江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,等.南水北調東線第一期工程可行性研究總報告[R].蚌埠:中水淮河工程有限責任公司,2005.

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[9]JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范[S].