水力沖挖淤泥框架真空法脫水試驗研究

楊 洋，劉叢陽，武立清，邱珍鋒

(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)

0 引 言

隨著經濟的發展和社會的進步，人們對生態環境提出了更高的要求，城市黑臭水體問題現已成為現階段亟需解決的一項突出問題[1]。城市河道一般采用水力沖挖方式疏浚，但淤泥含水量高、體積大，現階段的主要疏浚淤泥脫水技術難以達到高效、經濟、環保的要求。筆者提出一種框架真空預壓法，并進行試驗研究，探究框架真空預壓法對水力沖挖淤泥脫水效果的影響因素[2]。

1 水力沖挖淤泥基本特征

淤泥在靜水和緩慢的流水環境中沉積，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5，是由有機殘片、無機顆粒、細菌菌體和膠體等組成的極其復雜的非均質體[3-6]。由于水質、河道條件、受污染程度等的不同，各地區淤泥物理性質、級配不盡相同。

試驗用淤泥來自安徽省阜陽市城區水系綜合整治(含黑臭水體治理)項目標段一中標單位治理范圍內潁東片一期工程。采用水力沖挖方式疏浚的淤泥含水率為428%。

筆者選取最具代表性的駱家溝、阜蒙河及總干渠3條河流進行研究。河道底泥基本物理性質及顆粒級配組成參數如表1、表2。

表1 河道底泥的基本物理性質Table 1 Basic physical properties of channel sediment

表2 顆粒成分組成Table 2 Particle composition

經檢測，阜陽市城區河流的河道底泥具有含水量高、密度低、孔隙比高、結構性差等特性，其淤泥土細顆粒含量豐富，但顆粒級配不良，其中粉粒的平均含量為71.6%，黏粒平均含量為26.2%。河道底泥的土呈流塑狀，為淤泥質粉質黏土?；瘜W成分分析的結果表明，淤泥重金屬濃度滿足《土壤環境質量標準》中三級標準，河道底泥無重金屬超標污染問題，各河段均符合農用土壤要求，河道淤泥經脫水處理后可作為種植土。

2 框架真空預壓法

2.1 真空預壓法

真空預壓是將保存淤泥的密封膜抽成真空，使膜內外形成氣壓差，從而使淤泥產生固結壓力，即在總應力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應力的方法[7]。

真空預壓法常用于高含水率的地基處理，通過對覆蓋在地面上的密封膜進行抽空, 使膜內外形成氣壓差, 從而使黏性土層在壓力的作用下固結起來。在實際工程中，真空預壓系統主要由抽真空系統和排水排氣系統兩部分組成。真空預壓法具有施工方便、工藝簡單、造價低廉等優點。在利用真空預壓法處理地基的時候, 不會產生土體的側向擠出變形進而破壞工程的穩定性，因此，真空預壓技術可以被廣泛地應用到各種工程地基處理當中[8]。

自從20世紀80年代真空預壓技術被提出與應用后，經過不斷改進與發展，真空預壓技術已成為軟土地基處理最為有效的方法之一。真空預壓技術已被廣泛應用于軟土地基處理與圍墾造地等工程。但由于塑料排水板淤堵、土體加固后真空度傳遞受阻等問題，產生了諸如真空預壓法后期處理效率降低、處理效果不明顯等問題[9-11]。

2.2 框架真空預壓法

根據疏浚淤泥樣本含水率測定結果可知，筆者所使用的水力沖挖疏浚淤泥的平均含水率高達428%。受重力作用影響，水力沖挖淤泥前期脫水較快。但由于淤泥黏粒小、滲透性差，在進行真空預壓脫水時，易造成排水板表面淤堵，且淤泥在試驗過程中體積變化較大，使用排水板難以維持真空密封膜內的真空度。

針對排水板效果不佳的問題，筆者設計了一種具備防淤堵能力的濾管替代排水板，濾管可預制連接為框架結構。使用框架結構替代排水板進行真空預壓脫水的方法即為框架真空預壓法。框架真空預壓能夠有效克服排水板出現的各類問題，提高疏浚淤泥的脫水效果。

框架結構由濾管連接而成。濾管為PPR材質水管，管外圍使用手鉆打孔，管外包覆無紡土工布，無紡土工布通過電工膠帶固定。濾管可由熱熔焊接成為框架，框架頂部引出一條出水管連，出水管接至水汽交換灌。框架真空預壓裝置如圖1。

圖1 框架真空預壓裝置示意Fig. 1 Schematic diagram of frame vacuum preloading device

3 試驗裝置及方案

3.1 試驗設備

試驗設備包括試驗槽、真空泵、水汽交換罐、大尺寸框架真空預壓裝置、底部排水裝置、SZB-1型便攜式十字板剪切儀。

3.1.1 試驗槽

大尺寸試驗槽尺寸為1 000 mm×600 mm×700 mm，壁厚10 mm，其材質為定制亞克力有機玻璃。試驗槽兩側下部中間位置開孔，底部排水結構引出管道可由此處引出。小尺寸試驗槽尺寸為500 mm×400 mm×300 mm，壁厚5 mm，為塑料材質。

3.1.2 真空泵

真空泵額定電壓為220 V/50 Hz, 負壓為-93 kPa, 最大啟動負壓為 -85 kPa。

3.1.3 水汽交換罐

水汽交換罐容積為20 L，附水管、氣管。其底部為圓柱形鋼桶，頂部為亞克力材質透明蓋板。蓋板上開孔3個，分別安裝連接氣管、水管的閥門及真空表，真空表量程為 -1～0個大氣壓。

3.1.4 大尺寸框架真空預壓裝置

使用20寸PPR材質管材，PPR管材縱向每間隔1 cm使用手電鉆打孔，孔直徑為2 mm，沿PPR管壁每根管打4排孔；管外包覆2層無紡土工布，無紡土工布通過電工膠帶固定?？蚣芙Y構共3層。PPR管通過PPR接頭熱熔連接；出水管與框架出水口通過轉接頭連接。出水管由槽頂部引出，與底部排水結構的出水管連接后連接至水汽交換罐。

3.1.5 小尺寸框架真空預壓裝置

使用5寸PV材質管材，PV管縱向每間隔1 cm使用手電鉆打孔，孔直徑為1 mm；沿PV管壁每根管打4排孔。管外包覆2層無紡土工布，無紡土工布通過電工膠帶固定。

3.2 試驗方案

筆者共進行2組試驗，分別探究濾管間距對脫水效果的影響和模型尺寸對脫水效果的影響。其中，試驗組Ⅰ使用大尺寸試驗槽，3組對照試驗僅框架內部每層的濾管間距不同，以探究濾管間距對疏浚淤泥脫水效果的影響；試驗組 Ⅱ 分別采用大尺寸模型和小尺寸模型進行試驗，試驗組Ⅱ大尺寸模型試驗方案與試驗組Ⅰ中濾管間距為15 cm的試驗組相同，以探究模型尺寸對疏浚淤泥脫水效果的影響。試驗方案如表3。

表3 試驗方案Table 3 Test scheme

試驗過程如下：

1)將疏浚淤泥泵入試驗槽，靜置一天后淤泥表面析出大量水。抽出表面水，記錄各試驗槽內淤泥初始高度，并分別取樣測定初始含水率。

2)分別預制4組框架，濾管打4排孔，外包覆2層無紡土工布。大尺寸框架每層高度間隔為10 cm，框架每層沿濾管方向長80 cm，三組框架每層濾管間隔分別為20、15、10 cm；小尺寸框架按比例縮尺，每層高度間隔為5 cm，每層濾管長35 cm，每層濾管間隔為7.5 cm(圖2)。

3)將框架結構的出水管接入水汽交換罐頂部入水孔。水汽交換罐抽氣孔接氣管并連接至真空泵(圖1)。

4)開啟真空泵，水汽交換罐中保持真空度為0.8。試驗過程中記錄水汽交換灌質量的增加及淤泥表面平均高度的變化。

圖2 框架結構Fig. 2 Frame structure

5)待水汽交換罐質量不再增加時，試驗結束。在各試驗槽中設置取樣點，進行十字板剪切強度試驗并測定其含水率。

4 試驗結果及分析

4.1 淤泥形變特征分析

淤泥平均高度變化反應淤泥在實驗過程中的體積變化，將淤泥平均高度的變化轉換為由淤泥平均高度占初始高度百分比變化的曲線更為直觀。淤泥平均高度占初始高度百分比變化曲線如圖3。

圖3 淤泥平均高度占初始高度百分比變化Fig. 3 Percentage change of average height of sludge in initial height

試驗組 Ⅰ 中，濾管間距為20、15、10 cm的試驗槽初始平均高度分別為36.00、34.57、35.33 cm，則初始淤泥體積分別為0.216、0.207、0.212 m3。試驗結束時淤泥的體積分別為0.158、0.129、0.114 m3，淤泥的體積縮減分別為26.85%、37.68%、46.23%，可知，隨著濾管間距的減小，淤泥最終體積縮減幅度逐漸增大。

淤泥的平均高度均呈現逐漸降低的趨勢，并在試驗結束時趨于穩定。隨著濾管間距的減小，同時間段內淤泥表面平均高度逐漸降低，即濾管間距越小，淤泥的體積縮減越大。

試驗組Ⅱ中，大尺寸、小尺寸試驗槽內淤泥的初始平均高度分別為34.57、19.80 cm，則初始淤泥體積分別為0.207、0.039 6 m3。試驗結束時淤泥的體積分別為0.129、0.026 7 m3，則淤泥的體積縮減分別為37.68%和32.58%，小尺寸試驗淤泥的體積縮減幅度小于大尺寸試驗。

淤泥表面平均高度均呈現逐漸降低的趨勢，并在試驗結束時趨于穩定。隨著模型尺寸的增大，同時間段內淤泥的體積縮減量幅度逐漸減小。

移除淤泥表面真空膜后，淤泥表面形態如圖4。刮除框架頂部淤泥后，濾管周圍淤泥形態如圖5。受濾管內形成的真空負壓影響，表面淤泥在濾管周圍被吸緊，濾管間淤泥下陷。由于表面有真空膜貼附，淤泥表面十分光滑。表面淤泥顏色變淺，呈褐色。

濾管周圍淤泥緊緊吸附于濾管表面，部分濾管間中央位置的淤泥形成裂縫。下部淤泥形態如圖6。由圖6可知，下部淤泥含水率較上部更低，呈褐色，且呈現細微的分層。隨著濾管間距的減小，淤泥在濾管周圍吸附得越緊密。模型尺寸越小，淤泥在框架周圍吸附的越緊密。

圖4 淤泥表面形態Fig. 4 Sludge surface

圖5 濾管周圍淤泥形態Fig. 5 Sludge morphology around the filter tube

圖6 下部淤泥形態Fig. 6 Lower sludge morphology

4.2 排水量及排水速率變化分析

圖7為試驗組Ⅰ和試驗組Ⅱ的淤泥排水量變化曲線。從圖7中可以看出：

1)單位排水速率均呈現相同的兩個階段的變化趨勢。第一階段(40 h內)試驗槽的初始排水速率較大，排水速率迅速降低，濾管間距為20 、15、10 cm的試驗槽排水速率最大值分別為4.99、5.69、6.36 kg/h，而后排水速率急劇減小，但減小的幅度逐漸變緩。而小尺寸試驗的排水速率最大值為1.5 kg/h，大尺寸試驗的初始排水速率約為小尺寸試驗的3.8倍。隨著濾管間距的減小，淤泥內部初始排水速率逐漸增加；模型尺寸越大，初始排水速率越大。第二階段(40 h后)試驗槽的排水速率較低，并逐漸趨于零。

濾管間距的變化對排水速率的變化影響不大，但大尺寸試驗的單位排水速率仍小幅高于小尺寸試驗。

2)排水量隨時間增加而增加，呈現相同的增長趨勢：第一階段排水量迅速增加，但增加速率逐漸變緩；第二階段排水量持續增加，最終趨于穩定。由于初始排水速率不同，相同時間段內濾管間距越小，排水量越大。試驗組Ⅰ最終排水量分別為71、74.385、79.611 kg，隨著濾管間距的減小，淤泥最終排水量逐漸增加。試驗組Ⅱ小尺寸試驗最終排水量為19.82 kg，大尺寸試驗的初始排水速率約為小尺寸試驗的3.8倍。

3)隨著濾管間距的增大，濾管中間位置的淤泥距濾管的距離亦隨之增大，此處的淤泥受濾管內部真空負壓的影響逐漸減小。因此可知，濾管間距越小，試驗槽的初始排水速率越大，但濾管間距的變化對排水速率的增減變化并無影響；隨著濾管間距的減小，某時間段內淤泥的排水量逐漸增加，淤泥的最終排水量亦隨之增加。

4)試驗組Ⅱ中大尺寸試驗的初始排水速率和最終排水量均為小尺寸試驗的3.8倍，但大尺寸試驗持續時間僅為小尺寸試驗的1.23倍，可見相同時間內，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好。

圖7 淤泥排水量變化Fig. 7 Change of sludge discharge

4.3 含水率及十字板剪切強度分析

各組試驗十字板剪切強度及含水率如表4。

表4 十字板剪切強度及含水率Table 4 Shear strength and moisture content of cross plate

由表4可知：

1)同一深度內，框架結構內部的淤泥十字板剪切強度大于外部的淤泥，距離框架結構越遠，淤泥受真空負壓作用越弱，淤泥的十字板剪切強度越低；濾管間距越小，濾管間淤泥受真空負壓作用越明顯，十字板剪切強度越高。小尺寸試驗各取樣點的十字板剪切強度略高于大尺寸試驗相似位置的取樣點。

含水率呈現與十字板剪切強度相反的趨勢，淤泥受真空負壓作用越明顯，含水率越低。而小尺寸試驗的淤泥含水率降低幅度約為大尺寸試驗的1.4倍。

2)受重力作用影響，隨著淤泥深度的增加，淤泥的十字板剪切強度逐漸增大，含水率逐漸降低，但中部以下淤泥的十字板剪切強度減小幅度不明顯。當濾管分布密度極大時，重力作用并不明顯。由于出水管由上部引出，上部淤泥真空負壓影響大于下部。隨著淤泥深度的增加，十字板剪切強度逐漸減小，含水率逐漸增大。

3)由于小尺寸試驗厚度較薄，淤泥的上部和下部各取樣點的十字板剪切強度相差并不明顯。小尺寸試驗整體的十字板剪切強度約為大尺寸試驗的2倍。由此可見，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好；體積縮減幅度越大，試驗結束后淤泥的十字板剪切強度降低越明顯，含水率降低幅度變緩。

5 結 論

筆者調查了阜陽市城區主要河道底泥性狀，針對具有含水量高、體積大、泥水分離困難等特點的水力沖挖淤泥，提出了使用框架真空預壓脫水技術，分析了阜陽市城區主要河道水力沖挖方式疏浚淤泥的脫水規律及影響因素，主要結論如下：

1)使用框架真空預壓法具有良好的淤泥脫水效果。淤泥的排水規律為：第一階段排水速率由最大值急劇減小，排水量迅速增加；第二階段排水速率較低并緩慢趨于零，排水量持續增加并最終趨于穩定?？蚣芙Y構內濾管間距越小，初始排水速率越大，同一時間段內淤泥的排水量越大，淤泥的最終排水量亦隨之增加，但排水速率的變化受濾管間距的變化影響不大。隨著試驗模型尺寸的增大，試驗槽的初始排水速率增大的幅度逐漸變大，淤泥排水量的增長幅度亦隨之增大，且試驗所需時間增加較少。

2)淤泥的體積在框架真空預壓法的作用下縮減明顯。濾管間距越小，淤泥的體積縮減幅度越大；隨著模型尺寸的增大，淤泥的體積縮減幅度亦逐漸增大。

3)十字板剪切強度沿豎直方向逐漸增大，但當框架內濾管分布間距較小時，十字板剪切強度逐漸減小?？蚣芙Y構濾管間距越小，淤泥內任一位置的十字板剪切強度越大；隨著模型尺寸的增加，淤泥的十字板剪切強度逐漸減小。而十字板剪切強度越大處，淤泥的含水率越低。

4)淤泥堆場尺寸的大小對框架真空預壓脫水的最終效果有直接影響，淤泥堆場尺寸不宜過大；框架結構的濾管間距越小，脫水效果越好，當濾管間距小于15 cm時可達到較好的脫水效果。