河湖清淤底泥處理工藝

◎劉琲 韓文杰 嘉興市世紀交通設計有限公司

1.引言

近年來，針對河湖底泥清淤的項目層出不窮[1,2]。對河湖底泥進行清淤不僅可以增加河湖容積，減少洪澇災害，同時還可以將河湖底泥中的污染物一并清除，消除水體污染。河湖底泥清理出水后一般先置于廢棄的坑塘之中或根據(jù)底泥工程量專門配置一處納泥場用于暫時儲存，待清淤底泥中的水分下降后，再運走使用或直接就地使用[3,4]。河湖底泥因長期浸泡于水中，因此往往土體含水量大，物理力學強度低，清理出水后，多呈流塑狀，無法直接使用。因此，若要對河湖底泥進行利用，就需要采取一定的措施對底泥進行處理，以降低其含水率，提高其強度。目前工程界常用的方法有吹填后天然晾曬工藝、真空預壓處理工藝和土工管袋脫水固化工藝。上述幾種工藝各有特色，各自有各自的適用條件，因此在選取時，應根據(jù)項目的具體情況進行甄選，文章對上述幾種工藝進行了介紹并提出其適用的條件，可為類似工程提供參考。

2.底泥處理工藝

2.1 吹填后天然晾曬工藝

天然晾曬工藝指的是將清淤出水的河湖底泥，采用管道輸送或者其他運輸方式運輸至底泥儲存場地。底泥運輸至儲存場后不進行人工干預措施，而是借助日光進行晾曬，將底泥中的水分蒸發(fā)掉，同時風干作用也會對底泥中水分的蒸發(fā)提供助力。該種方法不需要工程投入，造價較為經(jīng)濟，且低碳環(huán)保，但是該種方法與其他措施相比，因底泥中的水分蒸發(fā)較慢，因此普遍工期較長。因底泥頂部受日光和風干作用較大，蒸發(fā)速度較快，而下部底泥受日光和風干作用較小，水分蒸發(fā)速度較慢，這樣處理的底泥容易形成表層硬殼，而下部仍是含水量較高的軟土。遇到雨、雪、冰雹等降水天氣，降水滲入到底泥中，底泥中的水分含量會再次上升，進而對底泥干化的進度造成影響。底泥存儲的時間過長，會長時間的占用場地，導致該部分場地不能用作他用，可能會對其他計劃利用該處場地的項目產(chǎn)生影響。

圖1 清淤船照片

圖2 底泥自然晾曬照片

圖3 人工插打塑料排水板照片

圖4 真空泵照片

圖5 真空預壓膜上覆水照片

圖6 土工管袋脫水照片

2.2 真空預壓處理工藝

2.2.1 真空預壓法的原理

真空預壓法處理河湖清淤底泥，是指借助真空設備產(chǎn)生的真空負壓將河湖清淤底泥中的水分抽出，使底泥發(fā)生固結(jié)硬化，提高其強度[5]。真空設備目前常采用射流泵或水汽分離罐，真空設備產(chǎn)生的真空負壓通過濾管在底泥表層進行水平傳遞，濾管管身上連接有塑料排水板，排水板插入底泥中，濾管中的真空負壓通過塑料排水板傳遞到底泥中。塑料排水板呈扁平的帶狀，由內(nèi)部的排水凹槽和外部的土工織物濾膜組成，濾膜可以起到濾土排水的作用。

為降低真空設備產(chǎn)生的真空負壓傳遞的損耗，在清淤底泥的表面鋪設有不透氣的密封膜，密封膜四周埋入清淤底泥中，這樣可以隔絕清淤底泥與大氣的交換。

土體是固、氣、液三相物質(zhì)，土體顆粒所受的作用力為總應力，總應力為有效應力和孔隙水壓力之和，即滿足下式要求：

σ（總應力）=σ′（有效應力）+μ（孔隙水壓力）；

不同于堆載預壓處理軟泥的原理，真空預壓法是基于有效應力原理，即土體所受的總應力不變，通過真空設備產(chǎn)生的真空負壓將土體中的孔隙水排出，從而降低其孔隙水壓力，則土體所受的有效應力相應增加。由于土體固結(jié)密實的原因使土體所受的有效應力增加，所以在真空預壓作用下，土體中增加的有效應力將促使底泥發(fā)生固結(jié)。

真空預壓法處理軟泥常用于沿海的吹填成陸工程，從問世以來已經(jīng)40余年，歷經(jīng)多年的發(fā)展，其工藝已逐漸趨于成熟并逐步應用到河湖清淤底泥的脫水處理之中。該種方法施工便捷、造價較為經(jīng)濟，且環(huán)保污染少，可以快速的對軟土進行加強，是目前應用較為廣泛的處理方法。

2.2.2 真空預壓法的技術要點

①插打塑料排水板。塑料排水板即是傳遞真空負壓的豎向通道，又是底泥中水體排出的豎向通道，對底泥處理具有至關重要的作用。塑料排水板的主要設計參數(shù)為排水板間距和插打的深度，目前塑料排水板的間距主要依據(jù)太沙基原理進行計算，常用的間距為0.8m～1.2m之間。塑料排水板的插打深度主要依據(jù)軟泥的深度確定，一般應穿透軟泥層并將塑料排水板的底端插入到不透氣土層頂面以下0.5m左右。若軟泥下部為透氣土層，則塑料排水板的底端則不打透軟泥層，而是將塑料排水板的底端高程插至軟泥層底面以上0.5m，以防止透氣。因河湖清淤底泥含水量較高，承載力較弱，無法為塑料排水板樁機提供承載力，因此多采用人工進行插打。

②真空系統(tǒng)安裝。鋪設濾管，將濾管與排水板連接并確保濾管平順。濾管與出膜管等管路視情況采用二通、三通和四通進行連接。開挖壓膜溝進行邊界密封，壓膜溝底部應挖至不透氣土層頂面以下至少0.5m。安裝射流泵（約每1000平方米布置一臺泵），將出膜管與射流泵連接。射流泵的功率應不小于7.5kW，揚程不小于26.0m，安裝后的射流泵應能形成不小于96kpa的真空壓力。正式抽氣前應進行試抽氣，要求分3批循環(huán)開啟真空泵，每批試抽氣時間為3天，試抽氣總時間不少于9天。試抽氣期間應對密封膜的密封性進行檢查，發(fā)現(xiàn)漏氣情況及時處理。全部真空泵開啟后膜下真空壓力不小于85kPa。

③膜上覆水。開始抽真空且膜下真空度達到85kPa后，可在膜上進行覆水。膜上覆水深度0.2～0.3m為宜。因真空預壓抽氣時間多在3個月以上，在此期間，密封膜很容易受到太陽光紫外線和風化作用的損害而產(chǎn)生漏洞，進而產(chǎn)生漏氣，影響真空預壓處理效果，膜上覆水可以對密封膜起到保護作用。

2.2.3 真空預壓法的適用范圍

真空預壓法適用于處理的底泥土質(zhì)主要是軟弱粘性土、淤泥等，不適用于處理滲透性較大的砂性土。同時真空預壓工藝一般加固脫水深度可達15～20m，適用于處理深度比較大的底泥軟土。

2.3土工管袋脫水固化工藝

土工管袋是一種由高強度土工織物編制成的大型管袋或包裹體，其直徑可根據(jù)需要進行調(diào)整，實際應用中最大已超過10m，長度可達數(shù)十米。土工管袋在沿海吹填成陸工程項目中可用于制作圍堰，施工效率高，且造價較為經(jīng)濟。伴隨河湖底泥清淤項目的開展，目前已經(jīng)逐步應用于內(nèi)陸河湖清淤底泥的脫水處理中[6]。清淤底泥由清淤設備挖出后由管道進行輸送時，將一定劑量的高分子絮凝劑溶液混入到底泥輸送管道之中，混合后的絮凝劑溶液和清淤底泥泥漿一同流入到土工管袋中?；旌虾蟮臐{液在土工管袋內(nèi)部發(fā)生沉淀離析，固體顆粒在絮凝劑的作用下快速的沉淀，泥漿中的水體析出于土體的上部。析出的水體在重力作用下流出土工管袋的袋體，將底泥留置于土工管袋之內(nèi)。

土工管袋脫水固化工藝主要由清淤、輸泥、投藥、脫水、固結(jié)五個階段組成，每個階段的主要內(nèi)容如下：

1）清淤：采用挖泥船、氣動泵、挖掘機等器械實施生態(tài)清淤。

2）輸送：采用封閉式管道進行輸送，密封性好，過程中不出現(xiàn)撒漏現(xiàn)象。

3）投藥：采用投放絮凝劑的方式，提高底泥脫水的效率。

藥劑投放操作步驟：根據(jù)工程實際，確定清淤泥漿流量、濃度、最佳絮凝劑濃度和流量以及土工管袋的材質(zhì)、孔隙大小等指標。清淤底泥進入底泥輸送管道以后，通過加藥系統(tǒng)將具有提高底泥沉淀作用的高分子絮凝劑加入底泥泥漿之中。該種工藝通常在清淤底泥輸送管路上設有底泥取樣裝置，可以及時對絮凝效果進行監(jiān)控，從而對加藥量進行動態(tài)調(diào)整。

4）脫水：在高分子絮凝劑和重力作用下，泥漿中的土體在土工管袋內(nèi)發(fā)生沉淀，泥漿中的水體析出于上表層。重力作用下，析出的水體經(jīng)土工管袋外壁的孔隙排出。排出的水體經(jīng)提前布置好的排水通道流入到余水處理系統(tǒng)中進行處理。

5）固結(jié)：隨著底泥中的水體不斷的析出，土體不斷的發(fā)生固結(jié)密實，物理力學性能得到提高。固結(jié)干化后的底泥可用于土地改良，當作綠化農(nóng)田用土，也可以運至專業(yè)的水泥或制磚廠進行資源化再利用。

由于泥漿存儲于土工管袋的袋體中，不會產(chǎn)生流溢現(xiàn)象，因此無需新建圍堰用于擋泥，只需一處較為平整的空地作為作業(yè)場地即可。同時該種方法因采用了高分子絮凝劑加速了土體的固結(jié)速度，因此具有工期短的特點。與自然晾曬工藝相比，該種工藝受天氣的影響較小、土工管袋的占地面積可以根據(jù)工程實際情況確定，具有較強的適用性、土工管袋可以相互堆疊多層，具有節(jié)約占地面積，提高土地利用率的積極效果。

4.結(jié)論

（1）自然晾曬法處理河湖底泥所需時間較長，容易受氣候條件影響，長期占用底泥存儲場地，多適用于一些工期條件理想且土地資源較為充足的項目。

（2）真空預壓法處理軟泥具有技術成熟、施工簡單、造價經(jīng)濟等優(yōu)點。適用于底泥工程量大、底泥堆積厚度大、工期任務較為緊張的項目。

（3）土工管袋脫水工藝占用時間較短、節(jié)約占地面積，適用于土地資源緊張、工期緊張、沒有廢棄坑塘可供底泥存放使用的項目。