浩 婷，王 曦，周 顏，吳 燕

（天津科技大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457）

1 引 言

我國進行的滇池、巢湖、太湖等大型湖泊的疏浚工程，淤泥大多采用堆場存放，自然干化的方法[1]。疏浚淤泥沉降性能差，存放一兩年后，表面雖然干化，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然呈水性膠狀，無法開展有益利用[2]。因此，亟待開發(fā)適合我國內(nèi)陸湖泊疏浚工程需求的疏浚淤泥堆場快速脫水技術(shù)，為此，探究脫水過程中水分在淤泥多孔介質(zhì)中的遷移運動規(guī)律非常重要。

疏浚淤泥脫水過程可以概念化為水分在淤泥顆粒間的遷移和運動過程，其驅(qū)動力就是滲流[3]，各國學(xué)者在有關(guān)多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動規(guī)律方面做了大量研究[4-8]，研究結(jié)果都表明，在孔隙層次上多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動特性符合經(jīng)典流體力學(xué)理論。此外，葉正強等[9]結(jié)合實際工程，研究了不同負(fù)壓條件下原狀土和擊實土滲透系數(shù)的變化規(guī)律。歐孝奪等[10]將采用逐級加垂直壓力方式進行滲壓試驗，模擬試樣在不同壓力狀態(tài)的滲透系數(shù)。董志良等[11]研究真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對固結(jié)的影響，證明了前期固結(jié)壓力對固結(jié)的影響。

淤泥脫水工程中，真空負(fù)載的利用已不罕見，但負(fù)載方式對淤泥脫水性能的影響研究極少，武亞軍等[12]驗證了真空加載方式對吹填流泥土顆粒移動具有一定的影響。本文進一步探討不同負(fù)載方式如負(fù)載時間及負(fù)載壓力梯度變化對淤泥脫水過程滲流規(guī)律的影響，為實際工程提供了可靠的優(yōu)化和設(shè)計參數(shù)，也為滲流模型的建立和改進提供理論支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試淤泥沿用取自云南滇池外海北部，物化性質(zhì)為：含水率為48.13%，相對密度為2.59 g/cm3，pH值為6.8，有機物9.09 %，孔隙率為55.49%，比阻為13.25×1012/m·kg-1，比阻為淤泥過濾特性的綜合性指標(biāo)，其物理意義是：單位質(zhì)量的淤泥在一定壓力下過濾時，在單位過濾面積上的阻力。試驗所用為原水，在試驗前用抽氣法或煮沸法進行脫氣，試驗時室溫為21.5℃，水溫高于室溫3～4℃。由于疏浚淤泥經(jīng)管道送入堆場初始含水率在85%左右，為模擬實際堆場淤泥脫水規(guī)律，試驗所用淤泥含水率均配制為85%。

2.2 滲透試驗

圖1 淤泥滲透裝置示意圖Fig.1 Schematic of testing device for dredged sludge seepage

試驗裝置為按變水頭滲透原理自制的滲透裝置，主要由儲水瓶、帶刻度變水頭管（刻度精確至1 mm）、滲透儀、緩沖瓶及真空泵組成，如圖1 所示。滲透儀為TST-55 型土壤滲透儀（滲透容器為圓柱形，截面積為30.08 cm2，高度L=4.0 cm），真空負(fù)載時，將滲透儀底部一個出水口封閉，另一出水口通過帶刻度緩沖瓶（容量100 ml，精度1 ml）連接真空泵。試驗時預(yù)先配制含水率為85%的泥漿，配制方法為將供試淤泥加水后使用強力攪拌機攪拌均勻，待泥漿無塊狀后立即轉(zhuǎn)至滲透儀容器，按照變壓頭滲透原理調(diào)試裝置，并旋緊螺母密封至不漏水、不漏氣。

2.2.1 負(fù)載時間

調(diào)節(jié)真空泵壓力至100 kPa，當(dāng)聯(lián)通緩沖瓶的出水口有水溢出時開始記錄變水頭管中起始水頭高度H1和起始時間t1，間隔5 min 記錄水頭變化為H2，則滲水量據(jù)式（1）計算，記錄滲透儀出水口流入緩沖瓶的液體體積即為濾液量（精確至1 ml）。測量出水溫，準(zhǔn)確至0.2℃，0～60 min 內(nèi)，計算不同負(fù)載時間下滲透系數(shù)及過濾常數(shù)。不同負(fù)載時間所得泥層平均含水率和平均孔隙率由實際測定得到。規(guī)定的負(fù)載時間結(jié)束后，將滲透儀容器中的泥層取出，測定泥層底部、中部、頂部的泥樣平均含水率和平均孔隙率。

式中：ΔH為變水頭管內(nèi)水體積變化量；H1為變水頭管起始水頭高度；H2為變水頭管終止水頭；a為變水頭管的內(nèi)徑面積（cm2）。

2.2.2 負(fù)載壓力梯度變化

負(fù)載壓力梯度變化下的滲流試驗，需輔助緩沖裝置調(diào)節(jié)真空泵的壓力，調(diào)節(jié)方式如表1 所示，記錄不同負(fù)載方式下水頭變化，并據(jù)式（1）計算滲水量，計算不同負(fù)載方式下負(fù)載60 min 內(nèi)滲透系數(shù)及過濾常數(shù)。負(fù)載結(jié)束后，記錄緩沖瓶收集到的液體體積即為濾液量，將滲透儀容器中的泥層取出，測定泥層底部、中部、頂部的泥樣平均含水率和平均孔隙率。

表1 負(fù)載壓力的變化方式Table 1 Change patterns of load mode

2.3 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)表示流體通過孔隙骨架的難易程度，是反映流體特性和流體透過多孔介質(zhì)能力的綜合指標(biāo)。當(dāng)介質(zhì)滲透性很小時，試驗時需施加負(fù)載壓力，此時，要把負(fù)載壓力換算成相應(yīng)的水頭[13]：

式中：h0為水頭（cm）；ρ為流體密度（g/cm3）；g為重力常數(shù)（N/kg）；p′為負(fù)載壓力（N/m2）。

再加上變水頭管的水頭高Hi即可，則滲透系數(shù)計算公式變?yōu)?/p>

式中：Kt為水溫t℃時試樣滲透系數(shù)(cm/s)，計算至3 位有效數(shù)字；2.3為ln和lg 的變換因素；L為試樣高度；t1和 t2分別為滲透開始和終了時間（s）；H1和H2為起始和終止水頭（cm）；A為試樣的過水面積（cm2）。

標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)為

式中：K20表示標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)（cm/s）；ηtη20為黏滯系數(shù)比，通過查水的黏滯系數(shù)表可知，試驗時水溫為27.5℃，ηtη20對應(yīng)為0.841 5。

2.4 過濾常數(shù)

過濾常數(shù)是單位面積上濾液體積和時間的常數(shù)，是衡量淤泥脫水快慢的重要指標(biāo)。恒壓過濾時，其過濾常數(shù)的確定參考朱金璇[14]恒壓過濾常數(shù)測定方法，對于一定含水率泥漿懸浮液，從過濾開始到結(jié)束，過濾方程可寫成為

由恒壓過濾方程式可得：

上式表明，恒壓過濾時θ/q與q 之間為線性關(guān)系，記錄不同過濾時間θ 內(nèi)的單位面積濾液量q，將θ/q對q 作圖，可得一條直線，其斜率為1/K，而截距為2qeK 。即可求得過濾常數(shù)K。

2.5 含水率及孔隙率

疏浚淤泥負(fù)載過濾后含水率測試試驗參見《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]。孔隙率計算參見土力學(xué)中孔隙率計算方法。

式中：n為孔隙率（%）；VV為孔隙體積（cm3）；V0為淤泥體積。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 負(fù)載時間對淤泥脫水規(guī)律的影響

3.1.1 對滲透系數(shù)及過濾常數(shù)的影響

滲透系數(shù)和過濾常數(shù)是衡量淤泥脫水快慢的重要指標(biāo)，不同負(fù)載時間所得過濾常數(shù)與滲透系數(shù)如圖2 所示。研究發(fā)現(xiàn)，時間對淤泥脫水過程中過濾常數(shù)和滲透系數(shù)的影響很小，60 min 內(nèi)過濾常數(shù)和滲透系數(shù)分別在11.1～11.85×10-5m2·s-1和0.95～2.94×10-5cm·s-1范圍。負(fù)載前期0～40 min，淤泥脫水過程過濾常數(shù)出現(xiàn)緩慢增大的趨勢，這是因為細(xì)小淤泥顆粒的黏附水在重力和負(fù)載壓力下連續(xù)釋放所致，負(fù)載后期40～60 min，過濾常數(shù)逐漸降低，這是因為隨著負(fù)載時間的延長，濾餅層增厚，顆粒結(jié)構(gòu)崩塌，濾液通道堵塞，淤泥發(fā)生板結(jié)，從而導(dǎo)致過濾變得更加困難。

圖2 負(fù)載時間對滲透系數(shù)及過濾常數(shù)的影響Fig.2 Effect of vacuum duration on permeability coefficient and filtration constant

整個脫水過程，滲透系數(shù)隨負(fù)載時間的延長逐漸降低，且在負(fù)載20 min 后趨于平緩，表明20 min后泥漿在負(fù)載作用下逐漸沉降，淤泥孔隙逐漸減小，淤泥骨架結(jié)構(gòu)逐漸坍塌，阻礙了水分在淤泥介質(zhì)中的滲流。因此，綜合考慮滲流及過濾效果，負(fù)載時間在40～50 min 總體上滲流及過濾系數(shù)均較大，脫水效率最高。

3.1.2 對滲水量和濾液量的影響

負(fù)載時間對滲水量和濾液量的影響如圖3 所示。在負(fù)載壓力為100 kPa 下，60 min 內(nèi)濾液量和滲水量均隨著負(fù)載時間的延長而增加，且液體體積相差不大。在負(fù)載后期液體體積增加趨勢逐漸減緩，負(fù)載時間在50～60 min，水量趨于恒定。負(fù)載時間為40 min 后，滲水量大于濾液量，滲流開始占主導(dǎo)地位。

圖3 負(fù)載時間對滲水量和濾液量的影響Fig.3 Effects of vacuum duration on volumes of seepage and filtrate

滲水量和濾液量分別為滲流過程和過濾過程所得液體體積，雖然兩過程所得液體量差別不大，但其側(cè)重點不同，滲流貫穿于整個脫水過程中，負(fù)載后期，即負(fù)載40 min 后，泥層在負(fù)載壓力作用下不斷壓縮，泥層體積不斷縮小，淤泥介質(zhì)孔隙非常小，微米級別的通道逐漸增加，導(dǎo)致水分透過泥餅層更加困難，因此，過濾作用逐漸減小直至消失。與此同時，由于三維空間應(yīng)力作用，加上泥層體積不斷壓縮減小，變水頭管中的液體會繼續(xù)滲入泥層孔隙中，即滲水量持續(xù)緩慢增加，而泥餅層板結(jié)程度逐漸變大，從而產(chǎn)生滲水量大于濾液量現(xiàn)象。表明負(fù)載時間在40～50 min 較理想。

3.1.3 對孔隙率及含水率的影響

負(fù)載結(jié)束后，泥層的孔隙率及含水率是表征淤泥最終脫水程度的重要指標(biāo)。不同負(fù)載時間對泥層含水率及孔隙率的影響如圖4 所示。隨著負(fù)載時間的延長，泥層含水率和孔隙率均呈下降趨勢，負(fù)載在5～50 min 范圍內(nèi)，下降趨勢最明顯。這是因為較短的負(fù)載時間，微小的淤泥顆粒沉降較慢，泥層板結(jié)不明顯，大孔隙的空間占有率較高，因此，水分滲透所受阻力小。過長的負(fù)載時間導(dǎo)致泥層板結(jié)，滲水通道堵塞，從而使泥層孔隙率和含水率趨于穩(wěn)定。

圖4 負(fù)載時間對泥層孔隙率及含水率的影響Fig.4 Effects of vacuum duration on void ratio and water content of mud cake

3.2 負(fù)載壓力梯度變化對淤泥脫水規(guī)律的影響

3.2.1 對滲透系數(shù)和過濾常數(shù)的影響

圖5(a)、(b)分別為1 h 內(nèi)不同壓力變化梯度對淤泥脫水過程中過濾常數(shù)和滲透系數(shù)的影響，由圖5(a)可知，不同壓力變化梯度所得過濾常數(shù)有很大差別，且壓力變化梯度越小，最終所得過濾常數(shù)越大。其中壓力梯度變化方式Ⅱ在80～100 kPa 壓力范圍過濾常數(shù)最大，為最理想負(fù)載方式。

圖5 負(fù)載方式過濾與滲透系數(shù)的影響Fig.5 Effects of vacuum duration on permeability coefficient

由圖5(b)可知，不同負(fù)載壓力變化梯度對滲透系數(shù)的影響與過濾常數(shù)相似。比較Ⅱ、Ⅴ發(fā)現(xiàn)，在相同的壓力變化區(qū)間80→100 kPa，兩種壓力梯度變化方式所引起的滲透系數(shù)并不相同，方式Ⅱ所得滲透性能更佳。比較Ⅰ和Ⅵ、Ⅳ和Ⅲ，同時得出結(jié)論，在后期脫水過程中，壓力變化梯度越小，所得滲透性能越好。

3.2.2 對滲水量和濾液量的影響

負(fù)載方式對脫水過程的濾液量和滲水量的影響如圖6 所示。整個脫水過程中，濾液量始終大于滲水量，其中在負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ條件下所得滲水量分別達到71.3 ml和71.6 ml，濾液量分別達到77.1 ml和78.5 ml。此結(jié)論與武亞軍等[12]試驗所得初始真空荷載越小，最終的出水量越大這一規(guī)律一致。此結(jié)果進一步表明，負(fù)載壓力梯度變化更有利于淤泥中水分的滲流，負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ為最佳負(fù)載方式。

圖6 負(fù)載方式對滲水量和濾液量的影響Fig.6 Effects of vacuum loading procedures on volumes of seepage and filtrate

3.2.3 對孔隙率和含水率影響

負(fù)載壓力梯度變化對泥餅含水率及孔隙率的影響如圖7 所示。負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ呈現(xiàn)出相對較低的含水率，分別為37.48%、37.59%，相比于方式Ⅰ所得最高含水率39.27%，分別降低4.46%、4.28%。同時發(fā)現(xiàn)，負(fù)載方式Ⅱ、Ⅲ對應(yīng)的泥層平均孔隙率最低，分別為49.26%、49.33%。此結(jié)論進一步論證了壓力的梯度變化，更有利于淤泥的脫水，且負(fù)載前期負(fù)載壓力越低，最終脫水程度越大。這是因為負(fù)載前期，介質(zhì)表面并無濾渣，猛然的加壓會使得較細(xì)的顆粒堵塞介質(zhì)而增加過濾阻力，不利于后期水分的滲流。而循序加壓起到了疏通原有過水通道的作用，因此，滲透性能得到提升。但負(fù)載壓力變化梯度并不是越小越好，實際工程中，負(fù)載壓力的頻繁變化會對負(fù)載設(shè)備的壽命造成影響，同時在工業(yè)上間斷性的操作對設(shè)備及操作控制的要求也較高。

圖7 負(fù)載方式對泥層孔隙率和含水率的影響Fig.7 Effects of different vacuum loading procedures on void ratio and water content of mud cake

4 結(jié) 論

（1）多孔介質(zhì)滲流理論在淤泥脫水過程中得到了較好的驗證，恒壓負(fù)載下的脫水過程，過濾和滲流同時進行，負(fù)載前期過濾占主導(dǎo)地位，負(fù)載后期滲流占主導(dǎo)作用。負(fù)載時間40～50 min為最理想負(fù)載時間，此時間段的負(fù)載過濾脫水性能較為突出。

（2）在淤泥脫水過程中，負(fù)載壓力的梯度變化更有利于淤泥脫水，且負(fù)載前期負(fù)載壓力越小，淤泥脫水程度越大。負(fù)載壓力梯度變化方式Ⅱ、Ⅲ為最佳負(fù)載方式。

[1]許平增.城市清淤設(shè)備淤泥脫水技術(shù)的探討[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理,2004,(3):64-66.XU Ping-zeng.Exploration on water-deprivation technology for urban silt removal equipments[J].Technology &Management for Construction Machinery,2004,(3):64-66.

[2]金相燦,荊一鳳,劉文生,等.湖泊污染底泥疏浚工程技術(shù)——滇池草海底泥疏挖及處置[J].環(huán)境科學(xué)研究,1999,12(5):9-12.JIN Xiang-can,JING Yi-feng,LIU Wen-sheng,et al.Engineering techniques for polluted sediment dredging of lakes:Caohai of Lake Dianchi[J].Research of Environmental Sciences,1999,12(5):9-12.

[3]仵彥卿.多孔介質(zhì)污染物遷移動力學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2007.WU Yan-qin.Dynamic migration of contaminants in porous media.[M].Shanghai:Shanghai Jiaotong University Press,2007.

[4]JIANG X N,ZHOU A Y.Micro-fluid flow in micro channel.Transducers's 95[J].Euresensors Ix,Sweden,1995:317-320.

[5]FLOCKHART S M,HARIWAL R S D.Experimental and numerical investigation into the flow characteristics of channels etched in silicon[J].Journal of Fluids Engineering,1998,120(ASME):291-295.

[6]TRZASKA A.The effect of colmatage on the magnitude of the discharge of flow during bore-hole exploration of water[J].Archiwwm Gornictwa,1988,33(1):34-38.

[7]BEAR J.Hydraulics of groundwater[M].New York:McGraw-Hill,1979:89-90.

[8]AMES W F.Non-linear partial differential equation in engineering[M].New York:Academic Press,1965:135-136.

[9]葉正強,李愛群,楊國華,等.黏性土的滲透規(guī)律性研究[J].東南大學(xué)學(xué)報,1999,29(5):121-125.YE Zheng-qiang,LI Ai-qun,YANG Guo-hua,et al.Study of permeability for cohesive soil[J].Journal of Southeast University,1999,29(5):121-125.

[10]歐孝奪,易念平,陸增建,等.尾礦砂土滲透系數(shù)與其埋深之間的關(guān)系分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報,2001,26(3):219-221.OU Xiao-duo,YI Nian-ping,LU Zeng-jian,et al.A mathematical model of permeability coefficient and coverearth pressure for tailings[J].Journal of Guangxi University,2001,26(3):219-221.

[11]董志良,陳平山,莫海鴻,等.真空預(yù)壓下軟土滲透系數(shù)對固結(jié)的影響[J].巖土力學(xué),2010,31(5):1452-1456.DONG Zhi-liang,CHEN Ping-shan,MO Hai-hong,et al.Effects of permeability coefficients on consolidation of soft clay under by vacuum preloading[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(5):1452-1456.

[12]武亞軍,楊建波,張孟喜.真空加載方式對吹填流泥加固效果及土顆移動的影響研究[J].巖土力學(xué),2013,34(8):2129-2135.WU Ya-jun,YANG Jian-bo,ZHANG Meng-xi.Study of impact of vacuum loading mode on dredger fill flow mud consolidation effect and soil particles moving[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(8):2129-2135.

[13]交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007 公路土工試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社翻譯,2007.Research Institute of Highway Ministry of Transport.JTG E40-2007 Test methods of soils for highway engineering[S].Beijing:China Communication Press,2007.

[14]朱金璇.恒壓過濾常數(shù)測定及影響因素分析[J].山東化工,2011,40(12):43-47.ZHU Jin-xuan.Measurement on constant pressure filter constants and analysis of its influencing factors[J].Shandong Chemical Industry,2011,40(12):43-47.

[15]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社,1999.The Ministry of Water Resources of the People's Republic of China.GB/T50123-1999 Standard for soil test method[S].Beijing:China Planning Press,1999.