疏浚泥漿沉淤過程的階段性分析試驗研究

陳 雷，李治朋，安彥勇，王春亮，陳 宇，劉崢嶸

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院有限公司，天津 300456；3.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024；4.河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210024)

隨著沿海水運設施土地用地資源短缺，港口航道的新建、拓寬和擴建等工程項目的開展，產生了大量的疏浚泥沙，其具有較高的初始含水率和高含鹽量，同時表現出高孔隙比、強壓縮性、級配不良以及流動性特點[1-2]。疏浚土吹填至納泥區后，在沉積過程中發生時空分布效應[3]，大顆粒泥沙顆粒首先沉積于下層，細土顆粒絮凝滯留于上層，需經過長時間自然沉積才能進行后續施工處理。但目前疏浚淤泥的自然沉積規律尚不完善，從而無法對淤泥淤積量預測和后續吹填施工提供理論指導，因此對于疏浚淤泥的自然沉積規律有待于進一步研究。

沉降柱室內模擬試驗是研究沉積淤泥形成與沉積固結過程最為有效的試驗研究手段。對于疏浚淤泥沉積過程影響因素的研究，詹良通等[4]利用沉降柱試驗探討泥水混合物初始濃度、海水中陽離子類型及離子濃度對淤泥自重沉積固結特性的影響；TORFS等[5]通過室內沉降柱試驗，得到不同含砂量情況下淤泥沉積層密度在沉積剖面上的分布及發展變化規律；劉瑩等[6]通過量筒沉積試驗和沉降柱試驗，研究吹填土在不同土水比及不同添加劑對沉降后淤泥的容重、孔隙比及含水量等物理指標的影響；曹玉鵬等[7]通過室內自然沉積試驗，研究疏浚淤泥在鹽水和淡水沉積環境以及初始含水率對淤泥沉積速率和沉降量的影響。

對于沉積淤泥形成過程及淤泥沉積分布規律的研究，LAWRENCE等[8]進行不同粉細顆粒含量的淤泥沉降柱試驗，研究淤泥懸濁液混合介質中不同粒徑顆粒分選沉降過程；MERCKELBACH等[9]應用沉降柱試驗裝置研究海相淤泥沉積過程中絮凝體分形維數、沉積層強度發展規律以及密度、超孔隙水壓力變化規律。

疏浚淤泥沉積規律方面雖已開展一系列基礎研究，主要以沉積過程的影響因素和物理力學指標分布發展規律為主，對淤泥沉積過程中狀態轉變及沉降階段劃分缺少深入系統的試驗研究，尚未形成較為完善的疏浚土沉積固結理論。

基于以上淤泥沉積規律的研究現狀，本文以波斯灣北端法奧港海相沉積土為研究對象，采用室內沉降柱模型試驗，通過分析疏浚淤泥沉淤過程中沉積速率和沉降量的變化規律，對淤泥沉積階段劃分和各階段沉積特點進行研究，進一步揭示疏浚淤泥在靜海水環境下的沉積規律。

表1 試驗用土的基本物理指標Tab.1 Physical indexes of dredged material

1 試驗材料及試驗方法

試驗材料是使用抓斗取自擬疏浚開挖的航道底質，基本物理指標見表1，其中液塑限試驗按照ASTM D4318-17標準使用碟式液限儀測得，顆粒分析試驗按照ASTM D422-63標準進行，顆粒級配曲線見圖1，根據ASTM D2487-17對土類定名為低液限黏土。

圖1 試樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle distribution curve圖2 沉降柱模型圖Fig.2 Settling column test apparatus

在疏浚土吹填入納泥區后，大量的細顆粒土懸浮滯留于上部，泥漿中的粗砂顆粒會迅速沉積到底部，本次研究僅對上層細顆粒土的沉積過程進行分析，所以需要篩除泥漿中的粗顆粒。將底質與取自勘測現場的海水在調配桶內充分混合，首先使用土壤篩(2 mm篩)將泥漿中的貝殼皮、粗砂等雜物去除，然后使用電動攪拌器進行混合攪拌，泥漿中的粗顆粒泥沙會在攪拌過程中沉積于桶底部，采用水力分離的方法，去掉泥漿底部的粗顆粒(>0.075 mm)，僅保留上層含有懸浮細顆粒土的泥漿。

表2 配置泥漿的基本物理指標Tab.2 Physical indexes of the prepared slurry

待去除泥漿中的粗顆粒后，使用比重瓶法測試泥漿密度，使用烘干法測試泥漿的初配濃度。然后通過加水稀釋和靜置去水的方法，分別配置濃度為50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L的泥漿試樣。假定懸浮顆粒的土粒比重Gs為定值2.72，且為飽和狀態，所用海水密度為1.024 g/cm3(泥漿試樣上清液的鹽度為35 ppt)，各泥漿試樣的基本物理性質如表2所示。

待泥漿濃度調配測定之后，倒入標準容量為4 L的亞克力量筒(直徑為8.4 cm)內，泥漿的初始高度為715 mm，見圖2，試驗所用的每個量筒上貼有透明塑料刻度尺(精度為1 mm)。經攪拌均勻后即可進行沉積試驗，試驗過程中記錄泥漿濁液面的下沉深度。

2 沉淤過程的階段性分析

2.1 沉降階段劃分

針對疏浚土沉降階段的劃分，郭帥杰等[10]將吹填土的沉積過程分為3個階段：細顆粒絮凝下沉階段，自重固結沉降階段和次固結階段；劉瑩等[6]認為吹填土泥漿在靜水中的沉積過程，分為以細顆粒絮凝下沉為主的階段和泥漿自重固結階段；GORO等[11]研究表明疏浚土的自然沉積分為分散沉降、絮凝沉降、區域沉降和壓縮沉降4種類型，對沉降階段未進行系統性劃分。

綜合國內外的研究成果和本次的觀測資料，認為疏浚泥漿在靜海水環境下的沉降過程，可分為三個階段：區域沉降階段、壓縮沉降階段和固結沉降階段。以下對泥漿的各沉積階段進行分析。

2.2 區域沉降階段

將不同濃度的泥漿倒入沉降柱內之后，泥漿試樣均在3～6 min內形成泥漿濁液面。根據EM1110-2-5027規定[12]，如果泥漿在初始沉降的數小時內形成泥漿濁液面，泥漿將發生區域沉降，在上清液中發生少量懸浮絮凝沉降，本次對上清液的絮凝沉降不做深入探討。

我是來至中國石油工程建設公司的葉樺，畢業后一直從事EPC 工程的設計和咨詢工作。眾所周知，任何涉及到石油天然氣行業的工程都是一項龐大而系統的工作，不可能由一個人或者幾個人完成，其中涉及到繁多的工作界面劃分與專業分工劃分。因此，在設計工作中不僅要處理好技術性文件和圖紙等，還會涉及到很多溝通，協調，統籌安排的工作。

以泥漿濁液面的出現作為區域沉降階段的起點，在隨后的2 h內對泥漿濁液面下降深度進行監測，見圖3。由圖可知，在區域沉降的初期，50 g/L泥漿在泥漿濁液面形成后，迅速呈現線性下降趨勢，而另外三組泥漿初始沉降速率緩慢，在經歷短暫的緩慢期后亦呈現線性下降趨勢。在30 min之后，各試樣泥漿濁液面下沉降速率之間拉開差距，濃度越大，沉降速率越慢。

圖3 泥漿濁液面歷時曲線(0～120 min)Fig.3 Depth to interface versus time(120 min)圖4 泥漿濁液面歷時曲線(0～900 min)Fig.4 Depth to interface versus time(900 min)

在隨后的15 h內對泥漿濁液面下降深度進行記錄，見圖4。由圖可見，沉降柱內泥漿在此期間(30～300 min內)，濁液面保持恒定勻速下沉，將這段自由沉降段稱為區域沉降階段。對這一時期泥漿濁液面下沉歷時曲線進行線性擬合，擬合線的斜率即為此期間的沉降速率，50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L濃度泥漿試樣的沉降速率分別為：81.3 mm/h，76.08 mm/h，61.5 mm/h，41.7 mm/h，可知，區域沉降速率隨泥漿初始濃度增大而逐漸減小，且下降趨勢逐漸增大。

在區域沉降階段，在海水環境下沉積，水溶液含鹽量較高，電解質濃度高，泥漿中細顆粒懸浮顆粒離子交換的能力較強，黏粒在靜電力作用下更容易再絮凝成絮團，成為更大的粒團而勻速下沉，其沉積規律符合Stokes定律。在此期間，土顆粒絮凝呈團狀，呈懸浮狀態，孔隙比很大，團狀絮凝體內土顆粒尚未相互接觸，土體骨架尚未形成。在該階段泥漿濁液面沉降量的大小基本上取決于泥漿的初始濃度，泥漿愈稀，黏粒絮凝效應發展最為充分，其沉降速率越大，沉降量也越大。

2.3 壓縮沉降期

繼續對沉降柱內泥漿濁液面下降深度進行監測(0～4 000 min)，見圖5，由圖可見泥漿濁液面歷時曲線上有明顯的拐點，在拐點前泥漿濁液面呈勻速快速下沉，在拐點后，沉降速率阻滯衰減，拐點前后泥漿的下沉速率具有顯著差異。由圖5中該階段泥漿濁液面歷時曲線的線性擬合直線斜率對比可知，在拐點發生后泥漿濁液面沉降速率基本相當，受泥漿的初始濃度影響不大。

圖5 泥漿濁液面歷時曲線(0～4 000 min)Fig.5 Depth to interface versus time for 4 000 min

根據EM1110-2-5027規定當泥水分界面下沉歷時曲線出現明顯拐點，開始發生壓縮沉降階段，該拐點即為壓縮沉降的起始點，在拐點發生后，泥漿濁液面下降速率顯著下降，雖然很緩慢，但依然呈現線性的下降規律。由于該規范并未給出拐點的量化方法，僅為描述性定義。為了量化確定該拐點，明確劃定區域沉降和壓縮沉降期的界限，對壓縮沉降起始段進行線性擬合，見圖5，該擬合直線與區域沉降時期線性段擬合直線的交叉點，為壓縮沉降期的起點，也是區域沉降期的終點。

根據公式C0×H0=Ct×Ht及其他相關換算公式，可計算得到泥漿濁液面下沉曲線發生拐點時，各泥漿試樣的物理狀態性質參數見表3。由表可知，在拐點時刻，泥漿的濃度、密度、質量分數與初始濃度均呈正相關關系，孔隙比和含水量均有顯著的降低。

表3 發生拐點時泥漿的基本物理指標Tab.3 Physical indexes of the sediment at the break point

MONTE和KRIZEK[13]首先引入“流限”概念，將抗剪強度為零的最低含水率定義為流限含水率(wf)，相應孔隙比為流限孔隙比(ef)，在沉降柱試驗中對應于沉降高度第一個極限點“流限高度”，流限高度為自由沉降段(區域沉降段)與阻滯衰減沉降段(壓縮沉降段)分界點。CARRIER等[14]通過試驗確定的不同沉積淤泥流孔隙比在9～30，約為液限孔隙比7倍(見式1)。

ef=7GswL

(1)

(2)

wf=7wL

(3)

假定沉積土體為飽和狀態，根據式(2)可得，流限含水率為7倍液限式(3)。四種初始濃度泥漿濁液面沉降發生拐點時：ef50=12.1GswL，ef100=9.1GswL，ef150=7.5GswL，ef200=6.1GswL，wf50=12.1wL，wf100=9.1wL，wf150=7.2wL，wf200=6.1wL，試驗結果與CARRIER等[14]、王保田等[15]研究結果一致。

持續對沉降柱內泥漿濁液面進行觀測10 d，泥漿濁液面的歷時曲線見圖6，通過公式換算，得到沉降柱下部泥漿-孔隙比的歷時曲線。根據王保田，郭帥杰等研究成果找出es等值線，大概需要4～6 d時間才能達到固限孔隙比，見圖7。

綜上將泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(泥漿濁液面沉降發生拐點的時間)至達到固限孔隙比es之間的阻滯衰減沉降段，稱為壓縮沉降階段。在此期間隨著沉降柱下部懸浮土顆粒的聚集，泥漿濁液面下的濃度逐漸增大，小的土顆粒絮凝團塊逐漸凝聚成大的絮凝團塊而逐漸發生聚沉，而大的絮凝團塊依然由懸浮狀態逐漸相互接觸而堆積，土體骨架在逐漸形成，顆粒絮凝團塊因堆積而發生壓縮，尚未產生超凈孔隙水壓力(u=0)，土體自重應力逐漸開始起作用的過程。

2.4 固結沉降階段

在壓縮沉降期后期，沉降柱內的泥漿趨于沉降穩定，見圖7和圖8，泥漿濁液面下沉極為緩慢，孔隙比變化曲線平緩，此時土的固體顆粒之間已開始相互接觸，形成初始連結形成骨架，傳遞土顆粒間應力，土體顆粒開始受力，土體自重應力起作用。由于土體顆粒在自重應力下產生擠壓，使得土粒之間產生超靜孔隙水壓力并逐漸增大，隨著孔隙水壓力的消散，有效應力逐漸增長，孔隙中一部分水向下排出土體而孔隙比減小，土體發生固結變形。此時固體顆粒在自重應力作用下，進而形成比較穩定的結構，沉降量很小，但延續時間卻很長，逐漸發生主固結沉降和次固結沉降過程。

圖6 泥漿濁液面歷時曲線示意圖Fig.6 Depth to interface versus time圖7 沉降柱內泥漿-孔隙比的歷時曲線(10 d)Fig.7 Depth to interface versus time for 10 d

3 分析與討論

根據觀測資料和國內外相關研究成果，將疏浚泥漿在靜水中的沉降過程，劃分為三個階段，各階段劃分及界限點如圖6所示，總結得出各沉淤階段沉降規律如下：

(1)區域沉降階段(zone settling)，是沉降初期出現濁液面沉速保持恒定的初始自由沉降段，泥漿濁液面歷時曲線的斜率即為區域沉降速率(vs)。從泥漿產生濁液面開始，發生區域沉降，土顆粒絮凝呈團狀絮凝體，整體自由下沉，泥漿濁液面受泥漿的初始濃度影響很大，沉降速率越大，沉降量也越大。

(2)壓縮沉降階段(compression settling)，是泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(τ=0)至達到固限孔隙比es(u=0)之間的阻滯衰減沉降段，從泥漿濁液面歷時曲線發生拐點起算，即區域沉降階段沉降歷時曲線線性段擬合直線與壓縮沉降階段初期沉降歷時曲線線性段擬合直線的交叉點。

圖8 泥漿濁液面歷時曲線(10 d)Fig.8 Depth to interface versus time for 10 d

在此期間隨著沉降柱下部懸浮土顆粒的聚集，顆粒絮凝團塊因堆積而發生壓縮，土體骨架在逐漸形成，開始產生有效應力，尚未產生超凈孔隙水壓力的過程。本次試驗旨在對沉積過程各階段沉積行為進行分析研究，不考慮尺寸效應對泥漿沉降的影響，未對下部沉降區內剪切強度和孔隙水壓力進行測試，有待使用大尺寸沉降柱對下沉區強度增長規律和孔隙水壓力變化規律做進一步的研究。

(3)固結沉降階段(consolidation settling)，沉降柱內的泥漿趨于沉降穩定，固體顆粒之間相互接觸，初始連結形成骨架，傳遞土顆粒間應力，使得土粒之間產生超靜孔隙水壓力并逐漸消散，在有效應力作用下土體發生固結變形，逐漸發生主固結沉降和次固結沉降。

4 結論

根據室內沉降柱試驗結果，疏浚泥漿的沉淤過程可分為區域沉降階段、壓縮沉降階段和固結沉降階段。主要得到以下結論：

(1)在靜海水環境下，泥漿懸液形成泥漿濁液面后，開始發生區域沉降階段，在此階段泥漿濁液面保持勻速整體下沉，沉降速率保持不變，泥漿的初始濃度越小，勻速的沉降速率越大。

(2)將泥漿濁液面歷時曲線的拐點作為壓縮沉降階段的起始點，本文給出量化確定拐點的方法，該階段沉降速率阻滯衰減，沉降極為緩慢，各濃度試樣的沉降速率基本相當，與初始泥漿濃度影響不大；將泥漿孔隙比由流限孔隙比ef(泥漿濁液面沉降發生拐點的時間)至達到固限孔隙比es之間的阻滯衰減沉降段，稱為壓縮沉降階段；泥漿濁液面沉降發生拐點時ef=6.1～12.1GswL。

(3)在固結沉降期，泥漿濁液面下沉極為緩慢，泥漿濁液面趨于沉降穩定，土體發生固結變形以及次固結變形。

綜上對疏浚淤泥在靜海水環境下的沉淤過程進行階段性分析，給出了各沉降階段劃分界限和劃分方法，進一步揭示疏浚泥漿各沉降階段的沉積規律，為疏浚施工和設計提供理論指導。