陸志浩周 源張 瑩

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

初始含水率對白馬湖疏浚淤泥透氣真空排水效果的影響

陸志浩1,2,周 源1,2,張 瑩1,2

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京 210098)

針對不同疏浚工藝造成的疏浚淤泥初始含水率不同以及新疏浚淤泥含水率在短時間內(nèi)呈現(xiàn)較大變化的實際工程情況,為探究初始含水率對疏浚淤泥真空排水效果的影響,對白馬湖疏浚淤泥進行了不同初始含水率的淤泥透氣真空排水室內(nèi)模型試驗。結(jié)果表明:(a)淤泥的初始含水率越高,真空促排作用產(chǎn)生的表面水越多,相同時間內(nèi)淤泥促排含水率下降量越大,淤泥的排水效果越好;淤泥的真空排水過程可分為3個階段,即快速排水階段、穩(wěn)定排水階段以及緩慢排水階段。(b)淤泥的初始含水率越高,淤泥進入緩慢排水階段的時間越短,淤泥的真空排水周期也越短;淤泥的初始含水率越高,淤泥的含水率降低量越大,含水率降低過程越緩慢。

疏浚淤泥;初始含水率;真空排水;白馬湖

內(nèi)陸湖泊及航道清淤時會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥,我國目前最常用的處理方法是設(shè)置淤泥堆場進行放置[1],由此會帶來占地廣、難處理等一系列問題。解決這些問題的關(guān)鍵在于如何在短時間里排出淤泥中大量的水分。處理堆場疏浚淤泥主要有以下幾種方法:機械脫水法,自然風干法,電滲法以及真空預(yù)壓法。黎榮等[2]試驗表明機械脫水以及自然風干法處理疏浚淤泥存在局限;陳雄峰等[3]試驗表明電滲法處理淤泥有效果,但不經(jīng)濟。真空預(yù)壓法是一種有效的排水固結(jié)方法[4-7],Novak等[8]、Bouwer等[9]認為若要提高泥水分離效果,需要尋求適合的滲流梯度范圍;Palmeira等[10]、Barrington等[11]研究了濾層材料對淤泥真空排水的影響;Haegeman等[12]通過試驗證明了用真空抽水固結(jié)方法處理疏浚淤泥的有效性。透氣真空快速泥水分離[13]是一種能夠快速降低疏浚淤泥含水率的新型技術(shù),劉傳俊等[14]和吉鋒[15]的研究表明該技術(shù)能夠克服一般裝置在高黏粒高含水率淤泥抽水時遇到的淤堵問題。但在實際工程中,由于不同疏浚工藝造成疏浚淤泥的初始含水率不盡相同,新疏浚出來的淤泥初始含水率在短時間內(nèi)會呈現(xiàn)較大的變化[16],因此,研究初始含水率對于疏浚淤泥真空排水效果的影響顯得尤為重要。

基于以上考慮,以白馬湖疏浚淤泥堆場的疏浚淤泥為例,進行不同初始含水率的淤泥透氣真空排水室內(nèi)模型試驗,同時分析初始含水率對淤泥真空排水效果的影響。

1 試驗方法

室內(nèi)試驗以南水北調(diào)江蘇段疏浚工程為依托,采用的疏浚淤泥取自南水北調(diào)東線江蘇段淮安白馬湖疏浚堆場。采用自行研制的雙球閥透氣真空快速泥水分離試驗裝置,利用透氣裝置的球閥開啟度來調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的真空負壓和透氣速率,在氣流和真空負壓的作用下,高含水率疏浚淤泥內(nèi)部的孔隙水通過裝置中的濾水管道流出,從而實現(xiàn)泥水分離。

1.1 試驗用泥基本物理性質(zhì)

參考JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》,通過試驗得到淤泥的基本物理性質(zhì)指標如下:液限為72.2%,塑限為35.3%,密度為2.73 g/cm3;淤泥中砂粒質(zhì)量分數(shù)為15.0%,粉粒質(zhì)量分數(shù)為52.6%,黏粒質(zhì)量分數(shù)為32.4%。

1.2 試驗裝置

試驗裝置由真空泵、飽和缸、試驗槽、濾管、量測儀器(真空表、流量計、電子秤和標準卡尺)以及一些連接管道組成,如圖1所示。

圖1 透氣真空快速泥水分離裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of rapid sludge de-watering with aeration-vacuum device

1.3 試驗方案

為了探究不同的初始含水率對淤泥真空排水的影響,設(shè)計調(diào)制了4組不同初始含水率的淤泥試樣,設(shè)計目標的初始含水率分別為2倍液限、2.5倍液限、3倍液限、3.5倍液限(見表1),同時保持4組試驗中淤泥的真空度為20 kPa和透氣速率為0.5 m3/h,并以此進行淤泥真空排水試驗。試驗過程中對飽和缸的抽水量、水面高程、泥面高程分別進行記錄。其中抽水量是指抽真空作用下從淤泥里排出水分的質(zhì)量,水面高度變化反映的是淤泥促排作用產(chǎn)生的表面水的變化,泥面高度的變化則反映淤泥體積的變化,而淤泥體積的變化等于真空抽水量與表面促排水量的總和。

表1 實配初始含水率與理想初始含水率Table1 Actual initial moisture content and ideal initial moisture content

試驗的終止標準為連續(xù)3 d的含水率變化都在0.5%之內(nèi)。根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù),可以換算得到淤泥的含水率,表達式為

式中:w0——初始時刻淤泥的含水率;wt——淤泥任意時刻的含水率;ρ0——試驗淤泥的初始密度;V0——淤泥的初始體積;m抽——任意時刻飽和缸抽水質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果分析

評價真空排水的效果主要有以下幾個方面:泥面沉降量,淤泥的表面排水量,累計抽水量,含水率的變化,最終含水率等。其中泥面沉降量是指初始泥面高程與任意時刻泥面高程的差值,累計抽水量可以從試驗結(jié)果中直接讀取,含水率的變化以及最終含水率可以根據(jù)累計抽水量求得(本次試驗中模型槽的表面用塑料薄膜進行了密封處理,因此沒有考慮蒸發(fā)量與流失量的影響),能夠間接反映淤泥的抽水效果;透氣真空淤泥排水路徑分為表面排水和真空泵抽水。研究表明[17-18],在同樣的試驗條件下,透氣真空快速泥水分離與自然靜置泥水分離相比,對于降低總體含水率的貢獻而言,無論是真空泵抽水效果還是表面排水效果,都是前者好于后者。在本次試驗中,淤泥表面排水包含了其自然沉降產(chǎn)生的表面水,在與真空泵抽水的聯(lián)合作用下具有更好的排水效果。

2.1 初始含水率對泥面沉降的影響

圖2結(jié)果表明:隨著淤泥初始含水率的增大,淤泥的泥面沉降量越大;4組試驗中淤泥的泥面沉降速率隨著時間的變化都存在一個由急變緩的過程;隨著初始含水率的增大,淤泥的沉降速率越大,其沉降趨于穩(wěn)定的時間也越短。同時對比圖中較低液限倍數(shù)(2倍、2.5倍)的淤泥與較高液限倍數(shù)(3倍、3.5倍)的淤泥的沉降曲線可以發(fā)現(xiàn),低液限倍數(shù)初始含水率的淤泥沉降曲線較平緩,其原因在于此時淤泥中土顆粒含量較高,孔隙率較低,土顆粒之間骨架基本能夠形成,沉降過程中其變化規(guī)律基本類似于固結(jié)沉降。高液限初始含水率的淤泥沉降曲線則顯現(xiàn)出3個階段不同的變化規(guī)律,起始階段曲線下滑較明顯,中間階段由急向緩均勻變化,最終階段曲線平緩變化。顯現(xiàn)如此變化的原因在于初始階段淤泥的初始含水率較高,淤泥中土顆粒的質(zhì)量濃度較低,土顆粒處于松散狀態(tài),沉降過程主要以土體的自然沉降為主導(dǎo);在中間變化階段,淤泥在真空排水的催化作用下加速了其自然沉降,原來松散的土顆粒能夠相互接觸并凝結(jié)成絮團,小的絮團在相互接觸后又結(jié)成大的絮團并最終形成骨架結(jié)構(gòu),沉降過程轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀怀两蹬c固結(jié)沉降共同作用;最終沉降階段,土體自然沉降作用基本完成,土顆粒之間已經(jīng)形成致密的骨架結(jié)構(gòu),其沉降規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨探Y(jié)沉降為主。

2.2 初始含水率對累計抽水量的影響

圖3結(jié)果表明:淤泥初始含水率越高,相同時間內(nèi)淤泥的抽水量越大,淤泥達到緩慢排水狀態(tài)的時間越短。

圖2 淤泥泥面沉降曲線Fig.2 Subsidence curves of sludge's surface

圖3 淤泥累計抽水量變化曲線Fig.3 Variation of sludge's cumulative pumping amount

2.3 初始含水率對含水率變化的影響

將試驗得到的抽水量代入含水率換算公式中,可以得到不同初始含水率淤泥的含水率變化曲線(圖4)。從圖4可以看出,淤泥的初始含水率越高,淤泥的含水率下降量越大,進入穩(wěn)定狀態(tài)的時間就越短;整個試驗周期內(nèi),任意時刻不同初始含水率淤泥的含水率大小關(guān)系與其初始時刻含水率大小關(guān)系保持一致。

2.4 初始含水率對最終含水率的影響

圖4 淤泥含水率變化曲線Fig.4 Variation of sludge's moisture content

考慮到試驗終止含水率往往不能代表試驗的最終含水率,為此,結(jié)合已有的測量數(shù)據(jù)建立含水率變化數(shù)學(xué)模型并確定試驗中最終含水率的大小。

通過對累計抽水量以及含水率變化曲線進行分析,可以得到淤泥的平均排水速率變化曲線(圖5)。從圖5可以發(fā)現(xiàn),4條曲線變化規(guī)律類似:淤泥平均排水速率在試驗開始時較大,一段時間后進入穩(wěn)定下降階段,最后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)且變化很小。因此,淤泥含水率變化曲線可以分為3個階段,即快速排水階段、穩(wěn)定排水階段和緩慢排水階段,3個階段將每條曲線各自分為3個部分、2個拐點。由于抽水量和含水率的變化都是以時間的變化為基準的,所以拐點與時間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。綜合以上考慮,根據(jù)函數(shù)y=A1exp(-x/t1)+A2exp(-x/t2)+B建立含水率變化數(shù)學(xué)模型如下:

式中:T1、T2——與2個拐點相對應(yīng)的時刻;A1、A2——與時間相關(guān)的系數(shù);w∞——最終含水率,在t趨向于無窮大時代入公式求得。

用含水率變化數(shù)學(xué)模型分別對4組不同初始含水率淤泥含水率變化曲線進行擬合,可以得到相應(yīng)的T1、T2和w∞,見表2。

圖5 淤泥平均排水速率變化曲線Fig.5 Variation of sludge's average drainage rate

對于曲線擬合來說,相關(guān)系數(shù)能夠較真實地反映其擬合效果的優(yōu)劣。分析不同初始含水率淤泥的擬合相關(guān)系數(shù)r可以發(fā)現(xiàn),其相關(guān)度都在0.99以上,模型曲線與實際試驗數(shù)據(jù)擬合較好,淤泥含水率變化數(shù)學(xué)模型能夠很好地反映實際試驗結(jié)果。

表2 不同初始含水率淤泥含水率變化擬合曲線分析結(jié)果Table2 Analysis of fitting curves for variation of moisture content of sludge with different initial moisture contents

進一步分析不同初始含水率的淤泥可以發(fā)現(xiàn),標志著進入緩慢排水階段的T2隨著初始含水率的增大而相應(yīng)縮小,說明初始含水率越大,淤泥進入緩慢排水階段的時間越短,淤泥的排水周期也越短,淤泥的含水率降低量越大。在此基礎(chǔ)上對不同初始含水率的淤泥分別進行考慮,將任一時刻該淤泥的含水率降低量與其總的含水率降低量相比,可以得到該淤泥的含水率降低率變化曲線(圖6)。從圖6可以看出,對于不同初始含水率的淤泥,初始含水率越低其排水周期越長,含水率降低越緩慢。

從圖5可以發(fā)現(xiàn),淤泥初始含水率越高,淤泥的排水速率越快;從圖6可以發(fā)現(xiàn),淤泥初始含水率越高,淤泥的含水率降低率越大。對于實際疏浚淤泥堆場,根據(jù)初始含水率可以分為較高初始含水率淤泥區(qū)和較低初始含水率淤泥區(qū),考慮到不同初始含水率淤泥的排水特性不同,在淤泥排水過程中,建議在滿足施工要求時先從較高初始含水率淤泥區(qū)域開始排水,再逐漸過渡到較低初始含水率淤泥區(qū)域進行排水,這樣可以最大限度地節(jié)約淤泥排水時間,降低處理成本。

圖6 淤泥含水率降低率變化曲線Fig.6 Variation of reduction rate of moisture content of sludge

3 結(jié) 論

a.淤泥的初始含水率越高,淤泥的泥面沉降量越大,沉降速率越快,淤泥沉降趨于穩(wěn)定的時間也越短;低液限初始含水率的淤泥沉降過程主要以固結(jié)沉降為主,高液限初始含水率的淤泥沉降過程伴隨著由自然沉降向固結(jié)沉降轉(zhuǎn)變的過程。

b.淤泥的初始含水率越高,真空促排作用得到的表面水越多,相同時間內(nèi)真空促排導(dǎo)致的含水率下降量越大,淤泥表面排水達到穩(wěn)定的時間越短,淤泥的排水效果越好。

c.淤泥的真空排水可以分為3個階段:快速排水階段、穩(wěn)定排水階段、緩慢排水階段。淤泥的初始含水率越高,淤泥進入緩慢排水階段的時間就越短,淤泥的含水率降低量越大,含水率降低得越緩慢。

d.對于實際工程淤泥排水,在滿足施工要求時建議先從較高初始含水率淤泥區(qū)域開始排水,可以最大限度地節(jié)約淤泥排水時間,降低處理成本。

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Impact of initial moisture content on aeration vacuum drainage of dredged sludge in Baima Lake

LU Zhihao1,2,ZHOU Yuan1,2,ZHANG Ying1,2
(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China; 2.Geotechnical Research Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In practical projects,different dredging processes cause different initial moisture contents and the moisture content of the newly dredged sludge shows large changes over a short time.In order to study the impact of the initial moisture content on the effects of the vacuum drainage of the dredged sludge in Baima Lake,an indoor simulation experiment was carried out on the vacuum drainage of the sludge with different initial moisture contents.The results show the following:(a)With a higher initial moisture content of the sludge,there is more surface water produced by the vacuum drainage,the moisture content decreases more over the same period of time,and sludge drainage is more effective.The sludge drainage process can be divided into three stages:the fast drainage stage, the stable drainage stage,and the slow drainage stage.(b)With a higher initial moisture content of the sludge, the sludge needs less time to reach the slow drainage stage,the vacuum drainage of the sludge occurs over a shorter period,the moisture content of the sludge decreases more,and the moisture content of the sludge decreases at a slower rate.

dredged sludge;initial moisture content;vacuum drainage;Baima Lake

TU411.99

:A

:1000-1980(2014)01-0057-05

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.01.011

2013-01 06

國家自然科學(xué)基金(51109070);溫州市科技計劃項目(S20100058);浙江省自然科學(xué)基金(Y1110087)

陸志浩(1989—),男,江蘇鎮(zhèn)江人,碩士研究生,主要從事環(huán)境巖土研究。E-mail:hhluzhihao@163.com