水力冲挖淤泥框架真空法脱水试验研究

杨 洋，刘丛阳，武立清，邱珍锋

(1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 重庆交通大学 重庆市高校水工建筑物健康诊断技术与设备工程研究中心, 重庆 400074)

0 引 言

随着经济的发展和社会的进步，人们对生态环境提出了更高的要求，城市黑臭水体问题现已成为现阶段亟需解决的一项突出问题[1]。城市河道一般采用水力冲挖方式疏浚，但淤泥含水量高、体积大，现阶段的主要疏浚淤泥脱水技术难以达到高效、经济、环保的要求。笔者提出一种框架真空预压法，并进行试验研究，探究框架真空预压法对水力冲挖淤泥脱水效果的影响因素[2]。

1 水力冲挖淤泥基本特征

淤泥在静水和缓慢的流水环境中沉积，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5，是由有机残片、无机颗粒、细菌菌体和胶体等组成的极其复杂的非均质体[3-6]。由于水质、河道条件、受污染程度等的不同，各地区淤泥物理性质、级配不尽相同。

试验用淤泥来自安徽省阜阳市城区水系综合整治(含黑臭水体治理)项目标段一中标单位治理范围内颍东片一期工程。采用水力冲挖方式疏浚的淤泥含水率为428%。

笔者选取最具代表性的骆家沟、阜蒙河及总干渠3条河流进行研究。河道底泥基本物理性质及颗粒级配组成参数如表1、表2。

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

表2 颗粒成分组成Table 2 Particle composition

经检测，阜阳市城区河流的河道底泥具有含水量高、密度低、孔隙比高、结构性差等特性，其淤泥土细颗粒含量丰富，但颗粒级配不良，其中粉粒的平均含量为71.6%，黏粒平均含量为26.2%。河道底泥的土呈流塑状，为淤泥质粉质黏土。化学成分分析的结果表明，淤泥重金属浓度满足《土壤环境质量标准》中三级标准，河道底泥无重金属超标污染问题，各河段均符合农用土壤要求，河道淤泥经脱水处理后可作为种植土。

2 框架真空预压法

2.1 真空预压法

真空预压是将保存淤泥的密封膜抽成真空，使膜内外形成气压差，从而使淤泥产生固结压力，即在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法[7]。

真空预压法常用于高含水率的地基处理，通过对覆盖在地面上的密封膜进行抽空, 使膜内外形成气压差, 从而使黏性土层在压力的作用下固结起来。在实际工程中，真空预压系统主要由抽真空系统和排水排气系统两部分组成。真空预压法具有施工方便、工艺简单、造价低廉等优点。在利用真空预压法处理地基的时候, 不会产生土体的侧向挤出变形进而破坏工程的稳定性，因此，真空预压技术可以被广泛地应用到各种工程地基处理当中[8]。

自从20世纪80年代真空预压技术被提出与应用后，经过不断改进与发展，真空预压技术已成为软土地基处理最为有效的方法之一。真空预压技术已被广泛应用于软土地基处理与围垦造地等工程。但由于塑料排水板淤堵、土体加固后真空度传递受阻等问题，产生了诸如真空预压法后期处理效率降低、处理效果不明显等问题[9-11]。

2.2 框架真空预压法

根据疏浚淤泥样本含水率测定结果可知，笔者所使用的水力冲挖疏浚淤泥的平均含水率高达428%。受重力作用影响，水力冲挖淤泥前期脱水较快。但由于淤泥黏粒小、渗透性差，在进行真空预压脱水时，易造成排水板表面淤堵，且淤泥在试验过程中体积变化较大，使用排水板难以维持真空密封膜内的真空度。

针对排水板效果不佳的问题，笔者设计了一种具备防淤堵能力的滤管替代排水板，滤管可预制连接为框架结构。使用框架结构替代排水板进行真空预压脱水的方法即为框架真空预压法。框架真空预压能够有效克服排水板出现的各类问题，提高疏浚淤泥的脱水效果。

框架结构由滤管连接而成。滤管为PPR材质水管，管外围使用手钻打孔，管外包覆无纺土工布，无纺土工布通过电工胶带固定。滤管可由热熔焊接成为框架，框架顶部引出一条出水管连，出水管接至水汽交换灌。框架真空预压装置如图1。

图1 框架真空预压装置示意Fig. 1 Schematic diagram of frame vacuum preloading device

3 试验装置及方案

3.1 试验设备

试验设备包括试验槽、真空泵、水汽交换罐、大尺寸框架真空预压装置、底部排水装置、SZB-1型便携式十字板剪切仪。

3.1.1 试验槽

大尺寸试验槽尺寸为1 000 mm×600 mm×700 mm，壁厚10 mm，其材质为定制亚克力有机玻璃。试验槽两侧下部中间位置开孔，底部排水结构引出管道可由此处引出。小尺寸试验槽尺寸为500 mm×400 mm×300 mm，壁厚5 mm，为塑料材质。

3.1.2 真空泵

真空泵额定电压为220 V/50 Hz, 负压为-93 kPa, 最大启动负压为 -85 kPa。

3.1.3 水汽交换罐

水汽交换罐容积为20 L，附水管、气管。其底部为圆柱形钢桶，顶部为亚克力材质透明盖板。盖板上开孔3个，分别安装连接气管、水管的阀门及真空表，真空表量程为 -1～0个大气压。

3.1.4 大尺寸框架真空预压装置

使用20寸PPR材质管材，PPR管材纵向每间隔1 cm使用手电钻打孔，孔直径为2 mm，沿PPR管壁每根管打4排孔；管外包覆2层无纺土工布，无纺土工布通过电工胶带固定。框架结构共3层。PPR管通过PPR接头热熔连接；出水管与框架出水口通过转接头连接。出水管由槽顶部引出，与底部排水结构的出水管连接后连接至水汽交换罐。

3.1.5 小尺寸框架真空预压装置

使用5寸PV材质管材，PV管纵向每间隔1 cm使用手电钻打孔，孔直径为1 mm；沿PV管壁每根管打4排孔。管外包覆2层无纺土工布，无纺土工布通过电工胶带固定。

3.2 试验方案

笔者共进行2组试验，分别探究滤管间距对脱水效果的影响和模型尺寸对脱水效果的影响。其中，试验组Ⅰ使用大尺寸试验槽，3组对照试验仅框架内部每层的滤管间距不同，以探究滤管间距对疏浚淤泥脱水效果的影响；试验组 Ⅱ 分别采用大尺寸模型和小尺寸模型进行试验，试验组Ⅱ大尺寸模型试验方案与试验组Ⅰ中滤管间距为15 cm的试验组相同，以探究模型尺寸对疏浚淤泥脱水效果的影响。试验方案如表3。

表3 试验方案Table 3 Test scheme

试验过程如下：

1)将疏浚淤泥泵入试验槽，静置一天后淤泥表面析出大量水。抽出表面水，记录各试验槽内淤泥初始高度，并分别取样测定初始含水率。

2)分别预制4组框架，滤管打4排孔，外包覆2层无纺土工布。大尺寸框架每层高度间隔为10 cm，框架每层沿滤管方向长80 cm，三组框架每层滤管间隔分别为20、15、10 cm；小尺寸框架按比例缩尺，每层高度间隔为5 cm，每层滤管长35 cm，每层滤管间隔为7.5 cm(图2)。

3)将框架结构的出水管接入水汽交换罐顶部入水孔。水汽交换罐抽气孔接气管并连接至真空泵(图1)。

4)开启真空泵，水汽交换罐中保持真空度为0.8。试验过程中记录水汽交换灌质量的增加及淤泥表面平均高度的变化。

图2 框架结构Fig. 2 Frame structure

5)待水汽交换罐质量不再增加时，试验结束。在各试验槽中设置取样点，进行十字板剪切强度试验并测定其含水率。

4 试验结果及分析

4.1 淤泥形变特征分析

淤泥平均高度变化反应淤泥在实验过程中的体积变化，将淤泥平均高度的变化转换为由淤泥平均高度占初始高度百分比变化的曲线更为直观。淤泥平均高度占初始高度百分比变化曲线如图3。

图3 淤泥平均高度占初始高度百分比变化Fig. 3 Percentage change of average height of sludge in initial height

试验组 Ⅰ 中，滤管间距为20、15、10 cm的试验槽初始平均高度分别为36.00、34.57、35.33 cm，则初始淤泥体积分别为0.216、0.207、0.212 m3。试验结束时淤泥的体积分别为0.158、0.129、0.114 m3，淤泥的体积缩减分别为26.85%、37.68%、46.23%，可知，随着滤管间距的减小，淤泥最终体积缩减幅度逐渐增大。

淤泥的平均高度均呈现逐渐降低的趋势，并在试验结束时趋于稳定。随着滤管间距的减小，同时间段内淤泥表面平均高度逐渐降低，即滤管间距越小，淤泥的体积缩减越大。

试验组Ⅱ中，大尺寸、小尺寸试验槽内淤泥的初始平均高度分别为34.57、19.80 cm，则初始淤泥体积分别为0.207、0.039 6 m3。试验结束时淤泥的体积分别为0.129、0.026 7 m3，则淤泥的体积缩减分别为37.68%和32.58%，小尺寸试验淤泥的体积缩减幅度小于大尺寸试验。

淤泥表面平均高度均呈现逐渐降低的趋势，并在试验结束时趋于稳定。随着模型尺寸的增大，同时间段内淤泥的体积缩减量幅度逐渐减小。

移除淤泥表面真空膜后，淤泥表面形态如图4。刮除框架顶部淤泥后，滤管周围淤泥形态如图5。受滤管内形成的真空负压影响，表面淤泥在滤管周围被吸紧，滤管间淤泥下陷。由于表面有真空膜贴附，淤泥表面十分光滑。表面淤泥颜色变浅，呈褐色。

滤管周围淤泥紧紧吸附于滤管表面，部分滤管间中央位置的淤泥形成裂缝。下部淤泥形态如图6。由图6可知，下部淤泥含水率较上部更低，呈褐色，且呈现细微的分层。随着滤管间距的减小，淤泥在滤管周围吸附得越紧密。模型尺寸越小，淤泥在框架周围吸附的越紧密。

图4 淤泥表面形态Fig. 4 Sludge surface

图5 滤管周围淤泥形态Fig. 5 Sludge morphology around the filter tube

图6 下部淤泥形态Fig. 6 Lower sludge morphology

4.2 排水量及排水速率变化分析

图7为试验组Ⅰ和试验组Ⅱ的淤泥排水量变化曲线。从图7中可以看出：

1)单位排水速率均呈现相同的两个阶段的变化趋势。第一阶段(40 h内)试验槽的初始排水速率较大，排水速率迅速降低，滤管间距为20 、15、10 cm的试验槽排水速率最大值分别为4.99、5.69、6.36 kg/h，而后排水速率急剧减小，但减小的幅度逐渐变缓。而小尺寸试验的排水速率最大值为1.5 kg/h，大尺寸试验的初始排水速率约为小尺寸试验的3.8倍。随着滤管间距的减小，淤泥内部初始排水速率逐渐增加；模型尺寸越大，初始排水速率越大。第二阶段(40 h后)试验槽的排水速率较低，并逐渐趋于零。

滤管间距的变化对排水速率的变化影响不大，但大尺寸试验的单位排水速率仍小幅高于小尺寸试验。

2)排水量随时间增加而增加，呈现相同的增长趋势：第一阶段排水量迅速增加，但增加速率逐渐变缓；第二阶段排水量持续增加，最终趋于稳定。由于初始排水速率不同，相同时间段内滤管间距越小，排水量越大。试验组Ⅰ最终排水量分别为71、74.385、79.611 kg，随着滤管间距的减小，淤泥最终排水量逐渐增加。试验组Ⅱ小尺寸试验最终排水量为19.82 kg，大尺寸试验的初始排水速率约为小尺寸试验的3.8倍。

3)随着滤管间距的增大，滤管中间位置的淤泥距滤管的距离亦随之增大，此处的淤泥受滤管内部真空负压的影响逐渐减小。因此可知，滤管间距越小，试验槽的初始排水速率越大，但滤管间距的变化对排水速率的增减变化并无影响；随着滤管间距的减小，某时间段内淤泥的排水量逐渐增加，淤泥的最终排水量亦随之增加。

4)试验组Ⅱ中大尺寸试验的初始排水速率和最终排水量均为小尺寸试验的3.8倍，但大尺寸试验持续时间仅为小尺寸试验的1.23倍，可见相同时间内，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好。

图7 淤泥排水量变化Fig. 7 Change of sludge discharge

4.3 含水率及十字板剪切强度分析

各组试验十字板剪切强度及含水率如表4。

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

由表4可知：

1)同一深度内，框架结构内部的淤泥十字板剪切强度大于外部的淤泥，距离框架结构越远，淤泥受真空负压作用越弱，淤泥的十字板剪切强度越低；滤管间距越小，滤管间淤泥受真空负压作用越明显，十字板剪切强度越高。小尺寸试验各取样点的十字板剪切强度略高于大尺寸试验相似位置的取样点。

含水率呈现与十字板剪切强度相反的趋势，淤泥受真空负压作用越明显，含水率越低。而小尺寸试验的淤泥含水率降低幅度约为大尺寸试验的1.4倍。

2)受重力作用影响，随着淤泥深度的增加，淤泥的十字板剪切强度逐渐增大，含水率逐渐降低，但中部以下淤泥的十字板剪切强度减小幅度不明显。当滤管分布密度极大时，重力作用并不明显。由于出水管由上部引出，上部淤泥真空负压影响大于下部。随着淤泥深度的增加，十字板剪切强度逐渐减小，含水率逐渐增大。

3)由于小尺寸试验厚度较薄，淤泥的上部和下部各取样点的十字板剪切强度相差并不明显。小尺寸试验整体的十字板剪切强度约为大尺寸试验的2倍。由此可见，模型尺寸越大，淤泥的排水效果越好；体积缩减幅度越大，试验结束后淤泥的十字板剪切强度降低越明显，含水率降低幅度变缓。

5 结 论

笔者调查了阜阳市城区主要河道底泥性状，针对具有含水量高、体积大、泥水分离困难等特点的水力冲挖淤泥，提出了使用框架真空预压脱水技术，分析了阜阳市城区主要河道水力冲挖方式疏浚淤泥的脱水规律及影响因素，主要结论如下：

1)使用框架真空预压法具有良好的淤泥脱水效果。淤泥的排水规律为：第一阶段排水速率由最大值急剧减小，排水量迅速增加；第二阶段排水速率较低并缓慢趋于零，排水量持续增加并最终趋于稳定。框架结构内滤管间距越小，初始排水速率越大，同一时间段内淤泥的排水量越大，淤泥的最终排水量亦随之增加，但排水速率的变化受滤管间距的变化影响不大。随着试验模型尺寸的增大，试验槽的初始排水速率增大的幅度逐渐变大，淤泥排水量的增长幅度亦随之增大，且试验所需时间增加较少。

2)淤泥的体积在框架真空预压法的作用下缩减明显。滤管间距越小，淤泥的体积缩减幅度越大；随着模型尺寸的增大，淤泥的体积缩减幅度亦逐渐增大。

3)十字板剪切强度沿竖直方向逐渐增大，但当框架内滤管分布间距较小时，十字板剪切强度逐渐减小。框架结构滤管间距越小，淤泥内任一位置的十字板剪切强度越大；随着模型尺寸的增加，淤泥的十字板剪切强度逐渐减小。而十字板剪切强度越大处，淤泥的含水率越低。

4)淤泥堆场尺寸的大小对框架真空预压脱水的最终效果有直接影响，淤泥堆场尺寸不宜过大；框架结构的滤管间距越小，脱水效果越好，当滤管间距小于15 cm时可达到较好的脱水效果。