水力沖挖淤泥水平電滲聯合堆載預壓法脫水試驗研究

楊 洋，陳人瑗，邱珍鋒，武立清

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.重慶交通大學 重慶市高校水工建筑物健康診斷技術與設備工程研究中心,重慶 400074)

水力沖挖淤泥含水率高達400%，且淤泥質顆粒小、沉淀慢，滲透性差、泥水自然分離時間長，傳統的脫水方法存在局限性，迫切需要開展淤泥的泥水快速分離方法的研究。

Casagrande在1939年首次將電滲應用于巖土工程當中[1]，并在此后將該方法應用于軟土加固中。1967年Gray和Mitchell闡明了電滲效率的理論[2]。1968 年，Esrig 提出了一維電滲固結理論，用于解釋電滲過程中孔隙水壓力的增長和消散現象[3]。Wan 和Mitchell于1976年在Esrig 理論的基礎上提出電滲聯合堆載預壓的一維固結理論[4]。Shang將一維固結理論擴展到二維空間，分析了軟土地基中電滲法運用的工程案例，取得了不錯的效果[5]。張雷等[6]采用不同材料電極進行電滲排水固結試驗，研究了不同電極材料對電滲加固軟粘土效果的影響，論證了新型復合電極的優越性。在地基處理工程中，電滲固結技術能有效提高軟土的固結度、縮短固結時間[7-9]，解決低滲透性地基排水固結問題；在排澇降水工程當中，采用電滲和井點降水結合的方法，取得了很好的效果[10]。但是水力沖挖淤泥中，由于含水率遠遠超過軟土中的含水率，利用電滲聯合真空方法對河道底泥進行脫水處理的研究[11-13]尚不清楚。

傳統電滲聯合真空方法[14]中，電極往往是豎直布置，處理后的電極之間產生自上而下的貫穿裂縫，這種縱向裂縫直接阻斷了陰陽極之間的通路，使得土體電阻增大，電流降低，嚴重影響電滲效果，根據李一雯等[15]試驗結果，裂縫分布見圖1。本文使用的水平電滲法電極為水平布置，陰極布置于淤泥底部，陽極布置于淤泥表面。淤泥自重以及上部荷載可以有效抑制陰陽極之間的裂縫開展，另外，陽極位置隨淤泥沉降而降低，陰陽極距離不斷減小，電勢梯度不斷增大，有利于提升電滲脫水效果。

圖1 電極豎直布置裂縫分布示意

筆者設計了水平電滲法處理水力沖挖淤泥的模型試驗，采用水平電滲聯合堆載預壓的方法對水力沖挖淤泥進行脫水處理，驗證了電滲法用于淤泥脫水處理的可行性，論證了水平電滲法的優勢，揭示了堆載作用對水平電滲法處理水力沖挖淤泥效果的影響。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

本次試驗選取阜陽市駱家溝清淤工程中水力沖挖疏浚淤泥作為試驗樣品，樣品見圖2。通過含水率試驗測試，采用水力沖挖方式疏浚的新鮮淤泥初始含水率為442%。采用等離子體發射光譜儀對河道底泥試樣的主要化學成分進行測定，知其有機質含量為87.1 g/kg。對駱家溝淤泥處理池取樣，測得淤泥顆粒級配見表1。

圖2 淤泥試樣

表1 淤泥顆粒級配

1.2 試驗裝置及試驗準備

模型試驗采用塑料淤泥試驗槽，尺寸為50 cm(長)×40 cm(寬)×30 cm(高)。陰極和陽極采用帶孔鐵板，排水結構采用直徑8 mm帶孔塑料管組裝而成(圖3)。陰極和排水結構布置于試驗槽底部，陽極布置于淤泥表面(圖4)。排水結構與真空泵相連。試驗過程中，水由陽極向陰極移動，最終通過陰極底部的排水結構排出。真空泵采用750 W無油真空泵，用于抽取空氣，抽出陰極匯集的水。水氣分離罐為不銹鋼材質，一端與真空泵連接，一端與底部排水結構連接，試驗過程中罐內保持一定負壓，抽出并暫時貯存淤泥中的水(圖5)。

圖3 陰、陽極電極板

圖4 預制底部排水結構

圖5 試驗裝置安裝示意

陰極電極板與直流電源負極相連接，陽極電極板布置于淤泥表面與直流電源正極相連接，水氣分離罐一端與試驗槽出水管相連，一端與真空泵相連。試驗過程中，水由陽極向陰極移動，最終通過陰極底部的排水結構排出。

1.3 試驗方案

為研究堆載對水平電滲法脫水效果的影響，設置3組模型試驗，試驗方案見表2。

表2 試驗方案

持續通電和抽氣，直至水氣分離管內排水質量不再增加。試驗進行時監測淤泥排出水的質量、電流、電勢和沉降值，試驗前和結束后分別測量土體含水率，分析淤泥形變特征、能耗系數。

2 試驗結果分析

2.1 淤泥形變特征分析

試驗結束后，觀察和分析淤泥體的外觀和裂縫開展情況(圖6—8)。裂縫寬度越大，越容易阻斷電滲中的電流，不利于電滲的進行。觀察可得，不加堆載處理的淤泥裂縫最寬大。上部荷載越大，裂縫的寬度越小。這說明上部的荷載可以有效的限制裂縫的寬度，有利于抑制電阻的激增。

圖6 不加堆載處理的淤泥

圖7 施加4 kPa堆載處理后的淤泥

圖8 施加8 kPa堆載處理后的淤泥

此外，對淤泥豎直方向淤泥高度變化進行了分析。因水力沖挖淤泥固結應變可達到 40%以上，此時太沙基單向固結理論的應變假定不適用于計算該類土體固結沉降，故本試驗不使用單向固結理論對不同外載下土體沉降值進行計算。

試驗過程中取淤泥表面各位置測量淤泥高度，測量結果取平均值。初始高度減去當前高度計算淤泥表面沉降值，并繪制沉降值隨時間變化的曲線(圖9)。由不同荷載下沉降隨時間變化曲線得：上部荷載越大，淤泥的沉降越大。原因主要包括2個方面：一方面由于堆載的壓實作用，使土體排水固結引起沉降；另一方面由于荷載限制了裂縫的擴展，減緩電流的衰減，有利于淤泥脫水，間接促進了淤泥沉降。2號槽中裂縫處分布的白色物質為霉菌菌落，是由于淤泥中有機質含量豐富導致，對淤泥變形影響可以忽略。

圖9 不同荷載下沉降隨時間變化

2.2 排水量與排水速率

本次試驗荷載采用分級加載的方式，1號試驗槽不加載，2號和3號試驗槽在36 h時施加堆載4 kPa，3號試驗槽在72 h再次施加堆載4 kPa，3號試驗槽共計堆載8 kPa。

在模型試驗過程中收集水氣分離罐中的水，記錄淤泥排出的水的質量，并繪制累計排水量隨試驗時間的變化曲線圖。圖10中，36 h第一次施4 kPa加荷載后，施加荷載的2號和3號試驗槽排水量開始大于不施加荷載的1號試驗槽；72 h時在3號試驗槽第二次施加荷載，排水量出現顯著增長。試驗結果表明，上部堆載能有效增加排水量，堆載越大，排水量增加越明顯。

圖10 累計排水量變化

2.3 電流隨時間變化

試驗過程中監測陰陽極之間的電流值，繪制電流隨時間變化曲線，見圖11。從圖中可以看出，電流值隨時間增加而減小，最終穩定在0.2 A左右，不加荷載的試驗，電流值在0～45 h時快速降低；加4 kPa荷載的情況，淤泥在50～90 h快速下降，加8 kPa荷載的試驗，電流值在90～100 h之間快速下降。同時，在每次施加荷載后的一段時間內電流值略有增大。因此，淤泥表面施加堆載可以一定程度減緩電流值的衰減，有利于淤泥脫水固結。

圖11 電流隨時間變化

2.4 含水率變化

本次試驗分別對試驗槽上部、下部和整體的淤泥取樣進行含水率測試，試驗結果(表3)表明，上部靠近陽極的淤泥含水率較低，底部靠近陰極的淤泥含水率高，這是由于水從陽極向陰極運移，并在陰極匯集，未來得及排出。上部加堆載后，處理效果也有明顯提升，且堆載越大，相同位置的淤泥在處理后含水率越低。在施加8 kPa荷載的試驗方案中，上部的淤泥得到了比較充分的脫水干化，含水率僅為42.66%。

表3 含水率測試結果

2.5 有效電勢分析

由于整個電路中會產生熱能，會損耗部分電能，通過土樣的兩端電壓不可能是電源輸出電壓，因此為了監測土樣中的實際電壓，分別在土樣距陰陽兩電極10 mm 處放置直徑為1 mm 的測針；用萬能表分別監測了陰極與土體間的電勢降、陽極與土體間電勢降。有效電勢定義為輸出電壓減去兩極的電勢降，可以評估通過土體中的有效電勢。

通過監測陰極、陽極電勢降，計算得有效電勢，并繪制于有效電勢隨時間變化，見圖12。一方面，發現淤泥中的有效電勢呈現整體先增大后減小的變化規律，這與土體成分的非均質特性有關。電滲早期的試驗過程中，電流在土體中形成復雜的通路體系，形成的導電路徑越多則電路中的電流越大，此時淤泥的含水率還很高，根據歐姆定律，U=IR，因此有效電勢出現增大的趨勢。當電滲試驗進行到后期，土體含水率下降，電阻增大，電流減小，有效電勢降低。另一方面，上部施加荷載后，有效電勢降低的時間延后，更有利于電滲脫水效果。

圖12 有效電勢隨時間變化

2.6 能耗系數

李瑛等[16]為研究不同電源電壓作用下電滲的能耗水平，定義了能耗系數C，見式(1)：

(1)

式中φ——電源的輸出電壓；It——在通電后某時刻土體中的電流；Qt1—2——通電時間t1到t2時間內的電滲排水量；V——土樣的初始體積，本試驗中V等于0.02 m3。

如果t1和t2較接近，那么C就能表示電滲過程中任意時刻從單位體積土中排出單位體積水所消耗的電能。

計算不同堆載下水平電滲法能耗系數，繪制能耗系數隨時間變化的關系曲線，見圖13。由曲線圖可以看出，在電滲的前期和中期，3種方案的能耗系數均維持在較低水平，能耗系數值小于20 kW·h/(L·m3)，在100 h時上部不堆載方案的能耗系數突然快速增大，120 h時，堆載4、8 kPa方案的能耗系數也出現相同趨勢變化，且同一時刻堆載越小，能耗系數越大。這是由于在電滲末期，排水速率越來越接近0，而淤泥體中仍有一定大小的電流，導致能耗系數迅速增大。

圖13 電滲能耗系數

因此在實際應用中，并非電滲時間越長越好，電滲末期能耗高、排水少，應該在此階段前停止電滲。對于阜陽市河道底泥，在采用堆載聯合水平電滲的方法進行處理時，建議停止時間為120 h。

3 結論

本文提出了水平電滲聯合堆載預壓法，設計了模型試驗，并對水力沖挖淤泥脫水效果進行了研究，據實驗數據與結果分析，得出了以下主要結論。

a)水平電滲法能夠有效對淤泥進行脫水，縮短淤泥干化時間，解決滲透性低的淤泥的排水固結問題。電滲時間并非越長越好，應根據能耗系數隨電滲時間變化關系找出最佳電滲時間，避免電滲能耗系數額突增。

b)上部施加荷載可以限制淤泥的裂縫寬度，上部荷載越大，淤泥裂縫的寬度越小，淤泥的沉降越大；上部荷載越大，淤泥的排水量越大且處理后的含水率更低；上部施加荷載可以延遲電流的衰減，延后有效電勢的降低，有利于淤泥排水固結。

c)水平電滲與堆載預壓法結合，顯著提高淤泥土體沉降值、排水量、排水速率，增強有效電勢，延長電滲能耗系數突變時間。