楊瑞敏 徐桂中 丁建文 耿 威 洪振舜

(1 東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

(2 河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，南京210098)

為改善湖泊的水質(zhì)問(wèn)題，保證河道正常的泄洪能力和內(nèi)陸航道的暢通，每年將產(chǎn)生大量疏浚泥［1-3］.由于國(guó)內(nèi)常用水力疏浚方式，導(dǎo)致產(chǎn)生的疏浚泥具有含水率高、黏粒含量高、強(qiáng)度低的特點(diǎn)［4-5］.然而工程實(shí)踐［6-7］表明，疏浚泥在吹填過(guò)程中伴隨著明顯的水力分選現(xiàn)象，導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)疏浚泥的土性具有區(qū)域分布的特點(diǎn)，故并非堆場(chǎng)內(nèi)所有區(qū)域的疏浚泥都需要處理.在國(guó)外早期的疏浚工程中，由于吹填原土相對(duì)均質(zhì)、土地資源相對(duì)充足，吹填過(guò)程中疏浚泥顆粒在堆場(chǎng)內(nèi)的分選性并未受到足夠重視，疏浚泥堆場(chǎng)顆粒分選的研究幾乎是空白［8-11］.而在土地資源日益稀缺的今天，對(duì)大面積的疏浚泥堆場(chǎng)而言，疏浚泥顆粒分選的研究顯得尤為重要，因?yàn)樗绊懙绞杩Ｄ嗵幚砻娣e的確定和處理技術(shù)的選擇.本文以泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［12-13］與高含沙水流運(yùn)動(dòng)學(xué)［14-17］為理論基礎(chǔ)，對(duì)疏浚泥顆粒分選機(jī)理進(jìn)行探討，找出影響疏浚泥顆粒分選的主要因素，為疏浚泥顆粒分選數(shù)值模型的建立提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)

研究依托南水北調(diào)東線(xiàn)江蘇段的金寶航道疏浚工程，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取樣地點(diǎn)為江蘇淮安金湖縣金寶航道的N1 疏浚泥堆場(chǎng)，其具體位置為金寶航道CS10 +250～CS11 +950 段，長(zhǎng)度約1 700 m，寬度約100～300 m，疏浚泥堆場(chǎng)容積約6.0 ×105m3.由于現(xiàn)場(chǎng)水文、地形條件的限制，課題組僅選擇了地形平坦、幾何形狀較規(guī)則的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，該區(qū)域取樣點(diǎn)布置情況如圖1所示.為了對(duì)高含水率疏浚泥堆場(chǎng)顆粒分選規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行研究，課題組對(duì)金寶航道N1 排泥場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，并利用自制的泥漿取樣對(duì)疏浚泥堆場(chǎng)進(jìn)行取樣.

圖1 取樣點(diǎn)平面布置圖

由于吹填完成一周后疏浚泥的厚度為1.0～1.2 m，故深度方向從上到下每隔40 cm 取一個(gè)點(diǎn)，即每個(gè)水平位置取3 個(gè)點(diǎn).取樣后，將泥漿樣用塑料袋封裝，然后在室內(nèi)進(jìn)行含水率、顆粒分析試驗(yàn).試驗(yàn)儀器主要包括自制泥漿取樣器、烘箱等，顆分試驗(yàn)器材按照ASTM(D422-63)規(guī)范［18］要求選擇.

2 堆場(chǎng)疏浚泥顆粒分選規(guī)律

堆場(chǎng)疏浚泥顆粒的分選性主要體現(xiàn)在水平方向和垂直方向上，顆粒分選最終將導(dǎo)致堆場(chǎng)內(nèi)淤泥土性的區(qū)域分布特性.

本文根據(jù)文獻(xiàn)［19］中的顆分?jǐn)?shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)分析顆粒分選規(guī)律及機(jī)理，以明確影響疏浚泥顆粒分選的主要因素.

圖2 距吹填口不同距離3 個(gè)深度疏浚泥顆分曲線(xiàn)［19］

從圖2可看出，隨著距吹填口距離的增大，各深度(10，50，90 cm)的堆場(chǎng)疏浚泥顆分曲線(xiàn)逐漸左移，疏浚泥顆粒平均粒徑逐漸減小.

從圖2(a)可看出，堆場(chǎng)內(nèi)距離吹填口15 m 處10 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)位于最右側(cè)，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約30%;而在距離吹填口203 m 處10 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)位于最左側(cè)，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高達(dá)80%.從圖2(b)可看出，堆場(chǎng)內(nèi)距離吹填口15 m 和27 m處50 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)幾乎重合，位于最右側(cè)，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約為35%;而距離吹填口203 m 處50 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)位于最左側(cè)，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高約為75%.從圖2(c)可看出，堆場(chǎng)內(nèi)距離吹填口15 m 處90 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)位于最右側(cè)，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約為35%;而距離吹填口253 m 處90 cm 深的疏浚泥顆分曲線(xiàn)位于最左側(cè)，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高約為75%.

在泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)與高含沙運(yùn)動(dòng)學(xué)［12-15］中，將粒徑為10 μm 的顆粒作為形成絮凝的臨界粒徑，所以在對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)疏浚泥顆粒分選規(guī)律進(jìn)行分析時(shí)，將疏浚泥顆粒按照粒徑大小分為3 個(gè)粒組，即0～5μm(黏粒)、5～10 μm 和10～75 μm 三個(gè)粒組，分別繪制各粒組的顆粒含量沿程和深度變化關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3).為便于對(duì)深度方向的分選規(guī)律進(jìn)行探討，又繪制了圖4.

圖3 3 個(gè)深度的顆粒含量沿程變化關(guān)系

圖4 3 個(gè)粒組的顆粒含量沿程變化關(guān)系

從圖3可看出，在各深度(10，50，90 cm)，粒組0～5 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸增大，在靠近吹填口附近最小，在退水口附近最大;粒組5～10 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離增大基本保持不變;粒組10～75 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸減小，在靠近吹填口附近最大，在退水口附近最小.隨著距吹填口距離的增大，粒徑小于5 μm 的黏粒含量增大，大于10 μm 的顆粒含量減小，充分體現(xiàn)了吹填過(guò)程中顆粒在水平方向的分選性.從圖4可看出，在各深度，粒組0～5 μm 的顆粒含量沿程逐漸增大，在吹填口附近最小為30%左右，在退水口附近最大約為70%;粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在10%左右不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填口附近最大為60%左右，在退水口附近最小為10%左右，同時(shí)也可看出，距離吹填口不同位置的各斷面，粒組0～5 μm 以及10～75 μm 的顆粒含量是沿深度方向變化的，而粒組5～10 μm 的顆粒含量沿深度方向基本保持不變.

從圖3(a)可看出，在10 cm 深度，黏粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在吹填口附近最小約為35%，在退水口附近最大約為75%;粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填附近約為60%，在取樣區(qū)末端約為6%.

從圖3(b)可看出，在50 cm 深度，粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在靠近吹填口附近最小約為32%，在退水口附近最大約為68%.粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填口附近約為60%，在取樣區(qū)末端約為10%.

從圖3(c)可看出，在90 cm 深度，粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在靠近吹填口附近最小約為32%，在退水口附近最大約為68%.粒組0～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填附近約為55%，在取樣區(qū)末端約為8%.

在距離吹填口約100 m 的堆場(chǎng)區(qū)段內(nèi)，隨著深度的增加，粒組0～5 μm 以及5～10 μm 的顆粒含量先減小后增大，呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”的趨勢(shì);隨著深度的增加，粒組10～75 μm 的顆粒含量先增大后減小，呈現(xiàn)“兩頭小、中間大”的趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)，在深度方向顯示出一定的分選性.在距離吹填口100 m 至退水口的堆場(chǎng)區(qū)段，隨著深度的增大，粒組5～10 μm 和10～75 μm 的顆粒含量逐漸減小，而粒組0～5 μm 的顆粒含量則逐漸增大(見(jiàn)圖6).隨著深度的增加各粒組顆粒含量的變化，體現(xiàn)了疏浚顆粒在深度方向上具有一定的分選性，但分選規(guī)律不如水平方向明顯.

圖5 距吹填口100 m 內(nèi)顆粒含量沿深度變化關(guān)系

圖6 距吹填口100～253 m 顆粒含量沿深度變化關(guān)系

3 疏浚泥顆粒分選機(jī)理分析

堆場(chǎng)疏浚泥顆粒分選是指疏浚泥顆粒(單粒、絮團(tuán)或集合體)在水動(dòng)力作用下，按粒度、形狀或密度的差別發(fā)生分別富集的現(xiàn)象.顆粒分選是顆粒在一定水力條件下運(yùn)動(dòng)、沉積的過(guò)程，與顆粒的尺寸、形狀及組成、水動(dòng)力條件、堆場(chǎng)地形及幾何邊界條件等有關(guān)，疏浚顆粒分選機(jī)理可以借鑒泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)及高含沙水流運(yùn)動(dòng)理論進(jìn)行分析.

河道中的淤泥經(jīng)挖泥船耙頭打碎絞吸混合后被泵送至堆場(chǎng)中形成疏浚泥流，它是由水和固相顆粒組成的，固相顆粒除了堆積在吹填口周?chē)拇笸翂K外，主要為中性懸浮質(zhì)、懸移質(zhì)、推移質(zhì)3 種.中性懸浮質(zhì)是較細(xì)部分的顆粒，這些顆粒與水相互作用，結(jié)合形成一個(gè)類(lèi)似均質(zhì)的漿體，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中這些細(xì)顆粒與水不發(fā)生分離，由賓漢姆極限剪切力所支持，懸浮于水體中，顆粒與周?chē)鷿{體在流向和垂直方向上均不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);懸移質(zhì)由紊動(dòng)漩渦所挾帶，在流動(dòng)方向上與泥漿等速運(yùn)動(dòng)，但是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與其周?chē)鷿{體在垂直方向上存在相對(duì)運(yùn)動(dòng);推移質(zhì)是指在疏浚泥流流動(dòng)過(guò)程中以跳躍、流動(dòng)、滑坡或在底部成層移動(dòng)的顆粒.

根據(jù)兩相流理論［16-17］，可認(rèn)為疏浚泥流為兩相流，其中，由粒徑d≤dmax(dmax為中性懸浮質(zhì)最大粒徑或分界粒徑)的中性懸浮質(zhì)顆粒與水組成液相，而d ＞dmax的懸移質(zhì)和推移質(zhì)顆粒為固相.如圖7所示，在流動(dòng)的過(guò)程中，中性懸浮質(zhì)顆粒與液相無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故不會(huì)發(fā)生分選沉降，一直被泥流挾帶至退水口附近停積;懸移質(zhì)顆粒與液相在垂直方向存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故在隨泥流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生分選沉降;而推移質(zhì)顆粒主要在已沉積的淤泥表面整體成層移動(dòng)，顆粒不發(fā)生分選.分析時(shí)可認(rèn)為在疏浚泥流動(dòng)過(guò)程中參與分選的主要是懸移質(zhì)顆粒，如圖7所示，1，2，3 為懸移質(zhì)中粒徑不同(從大到小)的3 個(gè)顆粒，3 個(gè)顆粒在流動(dòng)方向與液相保持相同的速度運(yùn)動(dòng)，在垂直方向3 個(gè)顆粒在下沉的過(guò)程中均受到重力和液相阻力的作用，在開(kāi)始時(shí)顆粒的沉速較小，顆粒受到的重力大于液相阻力，顆粒加速下沉;隨著顆粒的沉速逐漸增大，顆粒所承受的液相阻力不斷增大，當(dāng)阻力增大到和重力相等之后，顆粒便等速下沉.3 個(gè)顆粒所受的液相阻力相差不大，而顆粒1，2，3 所受的重力是由大到小的，從而顆粒1 最先下沉至沉積層，隨水流運(yùn)動(dòng)的距離最小，在距吹填口較近的位置停積;顆粒3 最后下沉至沉積層，隨水流運(yùn)動(dòng)的距離最大，在吹填口較遠(yuǎn)的位置停積;而顆粒2 最后停積的位置位于顆粒1 和顆粒3 之間，故在水平方向顯示出較為明顯的分選性.

圖7 水平分選示意圖

為對(duì)深度方向分選機(jī)理進(jìn)行分析，根據(jù)水平方向的分析結(jié)果將堆場(chǎng)取樣區(qū)分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)(見(jiàn)圖8)，當(dāng)疏浚泥流進(jìn)入堆場(chǎng)時(shí)Ⅰ區(qū)以粒徑較大的粗顆粒居多，粗顆粒(包括單顆粒和團(tuán)粒)以離散沉降為主，故在深度方向上具有一定的分選性;而疏浚泥顆粒經(jīng)過(guò)Ⅰ區(qū)的分選沉降除去粗顆粒后，Ⅱ區(qū)主要分布粒徑較小的細(xì)顆粒以及液相中挾帶的中性懸浮質(zhì)顆粒，這些顆粒具有較大的黏性，使Ⅱ區(qū)的疏浚泥流呈非牛頓體，細(xì)顆粒易形成絮凝團(tuán)和絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了沉降，故在深度方向分選性較差或無(wú)分選性.

圖8 垂直分選示意圖

4 結(jié)論

1)堆場(chǎng)疏浚泥顆粒分選主要體現(xiàn)在水平方向和深度方向.在水平方向上，隨著距吹填口距離的增大顆粒粒徑逐漸減小，粒組0～5 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而增大，粒組5～10 μm的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大基本保持不變;粒組10～75 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸減小，水平方向疏浚泥顆粒的分選性較為明顯.

2)在深度方向上，在靠近吹填口的堆場(chǎng)前段，粒組0～5 μm 及5～10 μm 的顆粒含量隨深度的增加先減小后增大，粒組10～75 μm 的顆粒含量隨深度的增加先增大后減小，在此區(qū)段沿深度方向顯示出了一定的分選性;在距離吹填口較遠(yuǎn)的堆場(chǎng)中、后段，深度方向分選性不明顯且分選規(guī)律較差.

3)通過(guò)對(duì)吹填時(shí)疏浚泥顆粒運(yùn)移及分選機(jī)理的探討，明確了疏浚泥的初始條件、顆粒級(jí)配、尺寸以及水流條件等是影響堆場(chǎng)疏浚泥顆粒分選的主要因素.

References)

［1］Lee S L，Karunaratne G P，Yong K Y，et al.Layered clay-sand scheme of land reclamation ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1987，113(9):984-995.

［2］Cargill K W.Prediction of consolidation of very soft soil［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1984，110(6):775-795.

［3］朱偉，馮志超，張春雷，等.疏浚泥固化處理填海工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2005(5):27-30.

Zhu Wei，F(xiàn)eng Zhichao，Zhang Chunlei，et al.Field experiment of dredged spoil solidified with cement for marine reclamation works ［J］.China Harbour Engineering，2005(5):27-30.(in Chinese)

［4］吉鋒，張鐵軍，張帥，等.高含水量疏浚淤泥填料化處理土的干密度變化規(guī)律［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，40(4):840-843.

Ji Feng，Zhang Tiejun，Zhang Shuai，et al.Variation of dry density of high-water-content dredged clays treated with quick lime［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(4):840-843.(in Chinese)

［5］鄧東升，張鐵軍，洪振舜，等.南水北調(diào)東線(xiàn)工程高含水量疏浚泥材料處理技術(shù)研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(4):559-562.

Deng Dongsheng，Zhang Tiejun，Hong Zhenshun，et al.Technique for utilization of high-water-content dredged clayey soil as fill material for the eastern route of southto-north water diversion project ［J］.Journal of Hohai University，2008，36(4):559-562.(in Chinese)

［6］Zhu W，Zhang C，Chiu A C F.Soil-water transfer mechanism for solidified dredged materials［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2007，133(5):588-598.

［7］汪順才，張春雷，黃英豪，等.堆場(chǎng)疏浚淤泥含水率分布規(guī)律調(diào)查研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(9):2823-2827.

Wang Shuncai，Zhang Chunlei，Huang Yinghao，et al.Study of diversification of water contents in dredged sediment storage yard ［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(9):2823-2827.(in Chinese)

［8］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Predicting and monitoring dredged material movement，technical report DS-78-3［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［9］U.S.Army Corps of Engineers.EM 1110-2-5027 confined disposal of dredged material ［S］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1987.

［10］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Prediction and control of dredged material dispersion around dredging and open-water pipeline disposal operations，technical report DS-78-13 ［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［11］Montgomery R L，Thachston E L，Parker F L.Dredged material sedimentation basin design ［J］.Journal of Environmental Engineering，1983，109(2):466-484.

［12］張瑞瑾，謝鑒衡，陳文彪.河流動(dòng)力學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2007.

［13］錢(qián)寧，萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［14］錢(qián)寧.高含沙水流運(yùn)動(dòng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1989.

［15］王明甫.高含沙水流與泥石流［M］.北京:水利水電出版社，1995.

［16］倪晉仁，王廣謙.固液兩相流基本理論以及最新應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1991.

［17］Wang Guangqian，Ni Jinren.Kinetic theory for particle concentration distribution in two-phase flow ［J］.Journal of Engineering Mechanics，1990，116(12):2738-2748.

［18］International Association for Testing Materials.D442-63 standard test method for particle-size analysis of soils［S］.West Conshohocken:Barr Harbor Drive，2002.

［19］徐桂中，楊瑞敏，丁建文，等.高含水率疏浚泥堆場(chǎng)顆粒分選規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(3):634-638

Xu Guizhong，Yang Ruimin，Ding Jianwen，et al.Field experiment on grain sorting behaviors in reclaimed land of dredged slurries with high water content［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2013，43(3):634-638.(in Chinese)