高含水率疏浚淤泥透氣真空防淤堵模型

吉 鋒，鄧東升，洪振舜，李 輝，別學清，丁建文

（1.南水北調東線江蘇水源有限公司，南京 210029；2.東南大學 交通學院，南京 210096；3.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225002）

中國內陸河湖的清淤以及港口、航道的建設工程中，每年都要產生大量的疏浚淤泥。由于疏浚淤泥往往具有含水率高、細顆粒含量高、排水性能差等特點，疏浚淤泥在固結過程中要長時間占用大量的土地資源［1－3］。因而，如何對疏浚淤泥進行快速固結處理成為實際工程的迫切需要解決的問題。

由于疏浚淤泥強度低，傳統的堆載預壓處理方法的荷載難以施加，目前針對疏浚淤泥這種超軟土地基主要采用真空加載的方式進行處理，然而淤堵問題一直以來是真空方法處理高含水率疏浚淤泥的主要技術障礙。如在溫州新近吹填淤泥真空預壓處理過程中，發生了排水板淤堵，具體表現為在排水板周圍形成一個個10～20cm土柱，土柱內強度較高，而土柱外幾乎為稀泥狀［4］；在天津、連云港及溫州等地區的真空預壓處理新近吹填淤泥的工程實踐中，加固場地均出現了土柱現象，導致排水板周圍土體強度很不均勻［5］。為了解決淤堵問題，國內外學者從不同方面進行了研究，目前多數學者致力于研究具有高效濾水性能的土工織物來克服濾水通道的淤堵問題［6－9］，為此很多學者提出了土工織物反濾設計的準則。據Palmeira［9］的統計，僅1972年～1999年不同學者提出的反濾準則就高達近30種，由此可見，通過土工織物防淤堵目前并沒有明確的統一認識。此外，還有學者從修復淤堵層的角度來探尋解決淤堵問題的途徑，如在杭州西湖疏浚底泥的真空排水工程實踐中，工程人員試圖通過反復抽真空和吸氣的方式來沖開濾水管道的淤堵層，但是效果并不理想［10］；Koerner等［11］研究了反復用水沖洗的方法來修復淤堵層，但是這種方法僅在初期起到短暫的促進排水效果，長期防堵效果并不顯著。

為了解決淤堵問題，課題組經過多年研究提出了一種新的真空處理技術——透氣真空技術［12］，該技術的處理效果和防淤堵的有效性已經得到系列模型試驗的驗證［13－14］，新技術的提出為真空方法更有效的應用于高含水率疏浚泥的加固處理奠定了基礎。目前對透氣真空防堵的認識更多的是建立在試驗的抽水效果的分析之上，然而抽水效果不可避免的要受到試驗條件的影響，如排水管道布設密度、試驗尺度等因素，因此高含水率疏浚淤泥透氣真空排水技術需要對應的理論作為支撐。為了給透氣真空防淤堵控制提供理論上的分析方法，進而為實際工程中的防堵設計提供理論依據，本文在Ruth濾水理論的基礎上推導了高含水率疏浚淤泥徑向排水模型，并借助透氣真空抽水試驗結果驗證了模型用于高含水率淤泥透氣真空抽水防堵分析的有效性。

1 Ruth濾水理論

高含水率淤泥在排水過程中，淤泥中的水分在壓差作用下向濾水通道處流動，形成的水流將懸浮于淤泥中的土顆粒拖拽至濾水通道表面，并在表面逐漸形成一層淤泥排水層（如圖1所示）。在排水過程中淤泥排水層的邊界逐漸向遠處擴展，淤泥排水層的厚度不斷增大，進而逐步實現對高含水率淤泥由近及遠的排水。在整個排水過程中，淤泥排水層一方面是泥水分離的產物，更重要的是，它同時也扮演著外圍懸浮泥漿排水濾層的角色。因此，其孔隙結構、滲透性能等物理力學性質是關系到整個排水系統是否有效的關鍵。然而通過試驗手段很難獲取淤泥排水層的性質在整個試驗過程中的變化規律。Ruth［15］基于達西定律提出了著名的Ruth模型（如式（1）所示），為研究淤泥排水層的性質提供了一個很好的途徑，通過分析模型參數平均比阻αav在抽水過程中的變化，可以了解在整個抽水過程中淤泥排水層濾水性能的變化。Ruth平均比阻的概念長期以來一直是固液分離理論和試驗工作的發展以及相關的工程設計等的理論基礎［16－19］，在Ruth理論之后Tosun等［20］又提出了多相過濾理論，但相比較而言，Ruth理論的分析方法更為簡單實用，實際應用也最為廣泛。滯系數；c為初始淤泥中單位體積的水含有的干土質量；Rm為濾材滲流阻力；αav＝為淤泥排水層平均比阻，ρs為土顆粒的相對體積質量，k為淤泥排水層滲透系數，C為淤泥排水層干土體積和總體積之比。

圖1 高含水率疏浚淤泥排水示意圖

Ruth研究發現，泥漿在排水過程中的排水速率是研究排水系統排水性能的重要依據，它主要受到形成的淤泥排水層的平均比阻αav的影響。同時，由于αav大小主要決定于淤泥排水層孔隙的大小，因此，αav的變化也從側面反映了淤泥排水層孔隙結構的變化。αav值的大小可以通過時間與排水量的比值t／V和排水量V的曲線關系的斜率來確定，如圖2

式中：P為施加的排水壓力；V為排出水的體積；t為排水時間；A為排水面的面積；μ為淤泥中水的粘所示，當通過試驗得到的t／V和V的關系具有線性關系時，則表明排水過程中的αav沒有發生變化，淤泥排水層孔隙結構較為穩定；若t／V和V的曲線關系的斜率不斷增大，則說明排水過程中的淤泥排水層孔隙結構逐漸被壓密，淤泥排水層的濾水性能降低。由于淤泥排水層的平均比阻不受試驗尺度的影響，通過試驗獲得的αav可以直接為實際工程的提供設計依據。雖然Ruth的平均比阻是一個平均概念，沒有闡明淤泥排水層內部結構在不同位置處的變化，但是它提供了一個從理論上研究淤泥排水層濾水性能的有效途徑。

圖2 平均比阻αav的確定方法和物理意義［15］

2 徑向排水模型

需要指出的是，Ruth理論及后來對其發展的理論研究主要基于平面排水條件［16，21］，即排水系統是一個平面，因此其理論更多的是一維排水理論，而透氣真空的排水系統則是濾水管道（如排水板，濾管等）排水，屬于徑向排水，因此，研究透氣真空淤泥排水層濾水性能，需要將Ruth理論發展成徑向排水理論。

圖3為高含水率疏浚淤泥透氣真空排水示意圖，依據達西定律有：

式中：排水面的面積A＝2πrB，B為管道長度，r為濾水管道的半徑；k為淤泥排水層的滲透系數；L為排水淤泥的厚度。

設排出水體積V和淤泥排水層體積V′具有如下關系：

圖3 高含水率疏浚淤泥透氣真空排水示意圖

這里的r＋L／2為排水淤泥的中間半徑，因此，式（4）可以寫成：

式中A′為淤泥排水層的中間面積。

將式（3）、（5）代入式（2）得到：

式（6）的積分形式：

式（8）中n＝βπB。

將式（8）代入式（7）得：

式（9）計算結果：

根據式（11）的關系，圖4顯示了D／A3和b的關系，由圖可知，式（12）可以簡化成：

將式（12）代入（11）得：

淤泥排水層的干土質量具有下面的等式關系：

圖4 D／A3和b的簡化關系

將式（14）代入式（13），則有

式（16）即為高含水率淤泥徑向排水模型。對比分析Ruth一維平面排水理論中的淤泥排水層平均比阻αav＝可以看到，αrav和αav的影響因子相同，并且主體表達形式也一致，因此αrav和αav反映的物理意義是相同的，均是表征淤泥排水層濾水性能的參數。可以稱之為淤泥排水層徑向平均比阻。通過試驗獲得t／V和V0.6曲線關系，就可以分析αrav的變化規律及其影響因素，進而了解在徑向排水條件下淤泥排水層的濾水性能的變化。

3 透氣真空淤泥排水層濾水性能分析

為了分析透氣真空下淤泥排水層的濾水性能，本文選取了課題組的2組真空抽水模型試驗數據。模型試驗示意圖如圖5所示，基本情況如表1所示，模型試驗一組為傳統真空抽水試驗，另一組為透氣真空抽水試驗。在傳統真空抽水試驗中，排水系統處于完全密閉條件下，試驗中的真空抽水壓力為95kPa；透氣真空抽水試驗中，排水系統內的透氣真空壓力可以通過透氣閥門控制在0～100kPa范圍內的任意一個壓力值，本文選擇了透氣真空壓力為40kPa這組具有代表性的試驗結果進行分析。2組模型試驗的排水系統以及試驗用泥情況均完全一致。

圖5 透氣真空抽水模型試驗示意圖

表1 模型試驗基本情況

圖6給出了2組模型試驗抽水質量隨時間變化。圖中可以看到，相比透氣真空抽水，采用傳統真空抽水方法在初期的抽水速率較快，但是抽水速率持續性較差，在1d后基本不再有明顯出水，發生了淤堵現象；而透氣真空抽水速率較為均勻，抽水持續性較好，在1d之后的抽水量就超過了傳統真空的抽水量，僅抽水2d，抽水量達到傳統真空抽水量的1.5倍。說明了在透氣真空抽水條件下，排水系統的出水效率得到了顯著提高，淤堵問題得到了有效的克服。

圖6 模型試驗抽水量隨時間的關系

圖7、8分別給出2組模型試驗的抽水時間和抽水量之比t／V與抽水量V0.6的關系。從圖7可以看到，采用95kPa的傳統真空壓力抽水時，t／V與V0.6關系曲線的斜率一直處于一個不斷增大的過程，這意味著抽水過程中形成的淤泥排水層的平均比阻αrav在不斷增大（見圖9），表明了采用傳統真空壓力抽水時，淤泥排水層的孔隙結構很不穩定，在抽水過程中不斷地被壓密，淤泥排水層的濾水性能顯著降低，導致淤泥排水層外圍懸浮泥漿的水分難以透過淤泥排水層。這就解釋了傳統真空在處理高含水率淤泥發生淤堵的原因。

然而從圖8可以看到，透氣真空壓力為40kPa的條件下，t／V與V0.6具有良好的線性關系，在抽水過程中淤泥排水層的徑向平均比阻沒有發生顯著變化（見圖9），其形成的孔隙結構較為穩定，沒有出現被顯著壓密的現象。這說明了在透氣真空壓力為40kPa的條件下，排水系統沒有發生淤堵。因此合理的真空控制方法應該是能夠使淤泥排水層形成較為穩定的孔隙結構為依據。

通過上述的分析可以看到，基于高含水率淤泥徑向排水模型可以用于透氣真空排水過程中的防淤堵分析，同時由于模型分析的關鍵參數arav不受試驗尺度的影響，在實際應用中，針對工程中要處理的淤泥，通過一些較小的模型試驗就分析得出防淤堵的主要控制因素，如真空壓力的控制、透氣速率的控制等，進而做出相應的防堵設計。

圖7 傳統真空壓力95kPa時的t／V和V0.6之間的關系

圖8 透氣真空壓力為40kPa下的t／V和V0.6之間的關系

圖9 淤泥排水層徑向平均比阻arav隨時間的變化

4 結 論

1）在Ruth濾水理論的基礎上推導了高含水率疏浚淤泥徑向排水模型，為透氣真空的防堵控制提供了一個有效的分析方法。

2）借助高含水率疏浚淤泥徑向排水模型，通過抽水時間和抽水量之比t／V與抽水量V0.6的關系曲線可以分析反映淤泥排水層濾水性能的徑向平均比阻arav在抽水過程中的變化規律。

3）通過傳統真空和透氣真空抽水模型試驗結果驗證了提出的徑向排水模型用于高含水率淤泥透氣真空抽水防堵分析的有效性。在傳統真空抽水過程中淤泥排水層的arav不斷增大，淤泥排水層的孔隙結構被顯著壓密；而透氣真空抽水可以使淤泥排水層的arav不發生明顯變化，形成較為穩定的淤泥排水層孔隙結構。

［1］Huanh Y H，Zhu W，Qian X D，et al.Change of mechanical behavior between solidified and remolded solidified dredged materials［J］.Engineering Geology.2011，119（3／4）：112－119.

［2］Xu G Z，Gao Y F，Hong Z S，et al.Sedimentation behavior of four dredged slurries in China［J］.Marine Georesources and Geotechnology，2012，30（2）：143－156.

［3］張和慶，謝健，朱偉.疏浚物傾倒現狀與轉化為再生資源的研究—中國海洋傾廢面臨的困難和對策［J］.海洋通報，2004，23（12）：54－60.Zhang H Q，Xie J，Zhu W.Present situation of dredged materials dumping and the study of transforming dredged mud into regenerative resources：Difficulties of refuses dumping in China seas and countermeasures to deal with these problems ［J］.Marine Science Bulletin，2004，23（6）：54－60.

［4］程萬釗.吹填淤泥真空預壓快速處理技術研究［D］.南京：南京水利科學研究院，2010.

［5］陳平山，董志良，張功新.新吹填淤泥淺表層加固中“土樁”形成機理及數值分析［J］.水運工程，2012，462（1）：158－163.Chen P S，Dong Z L，Zhang G X.Mechanism and numerical simulation of the“soil piles”in the fresh hydraulic mud fill treated by surface－layer improvement technique［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2012，462（1）：158－163.

［6］Huang C C，Luo S Y.Dewatering of reservoir sediment slurry using woven geotextiles.Part I：Experimental results［J］.Geosynthetics International，2007，14（5）：253－263.

［7］Benson C H，Kucukkirca I E，Scalia J.Properties of geosynthetics exhumed from a final cover at a solid waste landfill［J］.Geotextiles and Geomembranes，2010，28（6）：536－546.

［8］Quaranta J D，Tolikonda R.Design of non－woven geotextiles for coal refuse filtration［J］.Geotextiles and Geomembranes，2011，29（6）：557－566.

［9］Palmeira E M，Gardoni M G.Drainage and filtration properties of non－woven geotextiles under confinement using different experimental techniques［J］.Geotextiles and Geomembranes，2002，20（2）：97－115.

［10］俞亞南，張儀萍.杭州西湖疏浚底泥工程性質試驗研究［J］.巖土力學，2004，25（4）：579－582.Yu Y N，Zhang Y P.Test study on engineering properties of dredging soil of West lake in Hangzhou［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25（4）：579－582.

［11］Koerner G R，Koerner R M.Leachate flow rate behavior through geotextile and soil filters and possible remediation methods ［J］. Geotextiles and Geomembranes，1992，11（4／5／6）：401－430.

［12］鄧東升，洪振舜，朱偉，等.高含水率疏浚淤泥堆場透氣真空快速泥水分離方法.中國，ZL200710132092.9［P］.2007－10－13.

［13］鄧東升，洪振舜，劉傳俊，等.低濃度疏浚淤泥透氣真空泥水分離模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2003，31（2）：250－253.Deng D S，Hong Z S，Liu C J，et al.Large－scale model tests on dewater of dredged clay by use of ventilating vacuum method［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，31（2）：250－253.

［14］周源，劉傳俊，吉鋒，等.透氣真空快速泥水分離技術室內模型試驗研究［J］.真空科學與技術學報，2010，30（2）：215－220.Zhou Y，Liu C J，Ji F，et al.Lab simulation of rapid vacuum consolidated draining of aerated sludge ［J］.Chinese Journal of Vacuum Science and Technology，2010，30（2）：215－220.

［15］Ruth B F.Studies in filtration，III derivation of generalfiltration equations ［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，1935（27）；708－723.

［16］Rushton A，Ward A S，Holdich R G.Solid－Liquid filtration and separation technology［M］.［S.l.］：VCH Publishers Inc.，1996.

［17］Ying Q，Khagendra B，Andrew F A.Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties－a review［J］.Chemical Engineering Journal，2011，171：373－384.

［18］Arunangshu M.Pulse－jet filtration：an effective way to control industrial pollution Part II：process characterization and evaluation of filter media ［J］.Textile Progress，2010，42（1）：1－97.

［19］Bao N， Chulho L，Jeehee L，et al Hydraulic characteristics of bentonite cake fabricated on cutoff walls［J］.Clay Mineral Society，2012，60（1）：40－51.

［20］Tosun I， Willis M S. Making the case for the multiphase filtration theory ［J］. Filtration and Separation，1989，26（4）：295－299.

［21］Lee D J，Wang C H Theories of cake filtration and consolidation and implications to sludge dewatering［J］.Water Research，2000，34（1）：1－20.

［22］劉傳俊.白馬湖疏浚淤泥透氣真空快速泥水分離試驗研究［D］.南京：河海大學，2008.