土工管袋用于疏浚底泥脫水減容的分析與實(shí)踐

江永超 陳磊

摘 要：本文從試驗(yàn)出發(fā)簡(jiǎn)要介紹了土工管袋的種類、選型要點(diǎn)、投藥絮凝與充袋后的高度、受力特點(diǎn)、穩(wěn)定性分析，并結(jié)合工程實(shí)際闡述了土工管袋脫水工藝流程與工程實(shí)施方法。

關(guān)鍵詞：土工管袋；試驗(yàn)；系統(tǒng)匹配；工程實(shí)踐

1 土工管袋概述

土工管袋（Geotextile Tube或Geotube）是一種由高強(qiáng)土工織物制成的大型管袋，其直徑可根據(jù)需要變化，最大已超過5m，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十米。土工管袋最初用于圍堤工程中，近幾年逐漸被用于江、河、湖、庫(kù)淤泥脫水處理。

2 土工管袋用于疏浚底泥治理的可行性分析

2.1 技術(shù)方案比選分析

當(dāng)前，對(duì)疏浚底泥通常采用堆場(chǎng)排水固結(jié)的方法進(jìn)行脫水處理，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、環(huán)境的改變，此方案也存在著如下不足，諸如，占地大并需要修建圍捻、工期長(zhǎng)，減容效果受限、露天作業(yè)，難以控制污染物的遷移和擴(kuò)散問題，針對(duì)以上不足，我們擬采用土工管袋這樣一種新型的底泥脫水減容方式，土工管袋脫水耗能小，無(wú)需設(shè)備維護(hù)，可與填埋場(chǎng)地聯(lián)合使用，省略了二次倒運(yùn)，若能加上荷載進(jìn)行預(yù)壓，能加快淤泥的排水固結(jié)速率，工期一般為2個(gè)月左右，且為全封閉施工，不受天氣的影響。

2.2 生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究

2011年～2012年，以我院承擔(dān)的國(guó)家水專項(xiàng)示范工程—南淝河底泥治理工程為契機(jī)，我院成立了科研小組，系統(tǒng)的研究從土工管袋的自身特性、疏浚泥加藥絮凝的特征、吹填后管袋的受力特征等幾個(gè)方面對(duì)管袋內(nèi)底泥含水率的變化關(guān)系作一個(gè)簡(jiǎn)要探討。

2.2.1 結(jié)構(gòu)特征分析

（1）機(jī)織土工管袋與編織土工管袋對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果的影響

土工管袋不同織造模式對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果會(huì)產(chǎn)生影響，我們將機(jī)織布與編織布內(nèi)淤泥的含水率實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并列于表1，結(jié)果表明在不同時(shí)間段里機(jī)織布的淤泥含水率均低于編織布，機(jī)織布對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果優(yōu)于編織布，對(duì)機(jī)織布與編織布含水率數(shù)值進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，兩者之間處理差異也達(dá)到顯著水平（p=0.001<0.05，雙尾檢驗(yàn)），表明機(jī)織布與編織布之間脫水效果的差異來源于其不同的織造結(jié)構(gòu)，且機(jī)織布要好于編織的處理結(jié)果。

（2）斜紋布與平紋布對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果的影響

我們將斜紋布與平紋布對(duì)淤泥固結(jié)脫水處理效果表征值含水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，斜紋布對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果略優(yōu)于平紋布，在充填結(jié)束后初期斜紋布的脫水效果（50.98%）要明顯好于平紋布的脫水效果（67.52%），充填結(jié)束半個(gè)月后兩者的差別減小，表明斜紋布初期脫水速率快，脫水效果要優(yōu)于平紋布，淤泥脫水后期兩者的脫水速率、脫水效果無(wú)明顯差別。

（3）管袋不同孔徑對(duì)淤泥固結(jié)脫水效果的影響

我們將機(jī)織斜紋布不同孔徑、不同時(shí)期的含水率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)表明孔徑大小的變化并沒有產(chǎn)生預(yù)期的效果，1.0mm孔徑管袋后期的淤泥含水率與0.5mm孔徑管袋的淤泥含水率差別不大，0.5mm孔徑管袋脫水固結(jié)效果略微好于1.0mm孔徑管袋，并非設(shè)想的孔徑大的含水率一定低，但0.1mm孔徑管袋后期淤泥含水率明顯比大孔徑管袋內(nèi)淤泥含水率高，說明在袋體充填結(jié)束后主要靠泥漿液自重及滲水壓力的脫水階段，小孔徑透水效果不佳，脫水速率慢、效果差。

2.2.2 絮凝加藥分析

（1）改性藥劑種類的選擇

單獨(dú)的將疏浚底泥直接吹填進(jìn)土工管袋中則得不到有效的脫水減容效果，必須添加一定的改性藥劑，例如高分子絮凝劑、促沉劑等，但絮凝劑結(jié)構(gòu)性能及來源都不很明確，因此尋求更快速、高效、低耗的淤泥脫水方法是必要的。因此，對(duì)絮凝劑種類、比例和和淤泥含水率的控制是十分重要的。

由上述可知，用陽(yáng)離子PAM處理后的淤泥在不同時(shí)期含水率明顯低于其它藥劑處理的結(jié)果，顯示出陽(yáng)離子PAM對(duì)土工管袋淤泥固結(jié)脫水有著顯著的效果。對(duì)不同絮凝劑處理后固結(jié)淤泥含水率數(shù)值分別進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析（α=0.05，雙尾檢驗(yàn)），統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明陽(yáng)離子PAM與PAC處理結(jié)果之間差異顯著（p<0.05），再次表明陽(yáng)離子PAM處理效果優(yōu)于PAC的處理效果。

（2）絮凝藥劑投加量對(duì)土工管袋淤泥固結(jié)脫水的影響

通過上述分析確定了陽(yáng)離子PAM與0.5mm孔徑機(jī)織斜紋土工管袋組合使用對(duì)淤泥脫水固結(jié)的效果最好，在此基礎(chǔ)上再來研究陽(yáng)離子PAM投加量對(duì)淤泥脫水效果的影響。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在同等條件下，并不是PAM投加量越大對(duì)淤泥的脫水固結(jié)效果最好，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，PAM與不同時(shí)間段淤泥含水率的配對(duì)T檢驗(yàn)p值均大于0.05，因此在統(tǒng)計(jì)學(xué)上也說明PAM投加量對(duì)土工管袋內(nèi)淤泥脫水固結(jié)并無(wú)直接無(wú)顯著差異，并非PAM投加量越大對(duì)淤泥的脫水固結(jié)效果最好，因此，PAM的投加量對(duì)土工管袋淤泥脫水固結(jié)的影響很重要，需要找到一個(gè)合適的投加劑量。

2.2.3 管袋充填與管路系統(tǒng)匹配

將疏浚泥吹填至土工管袋內(nèi)進(jìn)行充填是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及絮凝加藥、管袋自身結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征、充填壓力等特性，管袋充填主要是實(shí)驗(yàn)以下幾方面的數(shù)據(jù)：

（1）充裝壓力的控制

進(jìn)入管袋前的泥漿壓力影響著土工管的幾何形狀、管袋外側(cè)所受的拉力。將實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見圖1～圖3所示，管袋進(jìn)泥口壓力（P）和土工管袋最終高度（H）的關(guān)系為：當(dāng)吹填高度從0m至2.5m之間時(shí)，吹填壓力急劇上升，從0kPa迅速上升到50kPa，但當(dāng)P超過50kPa時(shí)，P對(duì)H的影響很小，可以忽略不計(jì)。

注：①實(shí)驗(yàn)土工管袋截面周長(zhǎng)9.0m，縱向長(zhǎng)度12m；②充填泥漿比重1.15～1.25。

（2）投藥點(diǎn)與管袋的混凝擴(kuò)散距離

按疏浚管中的平均流速約3.5m/s左右，根據(jù)本次試驗(yàn)的結(jié)果，PAM在進(jìn)管袋絮凝后約15～25s絮凝時(shí)間最好，絮凝顆粒體形成抱團(tuán)后在此時(shí)間段內(nèi)最易脫水沉降，由于絮凝體在管道中的流速過快，過長(zhǎng)的混合流動(dòng)時(shí)間反而會(huì)造成絮凝體分崩離析現(xiàn)象，使絮凝脫水效果大打折扣；而對(duì)于需要處理含有重金屬的污染底泥添加的液體穩(wěn)定劑與疏浚管道內(nèi)泥漿的充分混合時(shí)間至少要達(dá)到3min以上（視藥劑種類不同稍有差別）。

（3）投藥點(diǎn)的壓力

對(duì)于城市內(nèi)河、湖泊，水深較淺，一般均小于2.0m，以海貍1200環(huán)保型）挖泥船為例，其吃水深度與生產(chǎn)能力完全滿足要求，為了滿足充裝袋子的壓力要求，一般不低于0.05MPa（視疏浚距離的遠(yuǎn)近）。投藥一般采用管式靜態(tài)混合器使藥劑與泥漿充分混合，其投藥點(diǎn)一側(cè)的管道壓力應(yīng)該比疏浚泥管道中的壓力高0.01～0.02MPa，以滿足泥漿對(duì)藥劑管道的反沖壓力。

3 工程實(shí)踐

3.1 工程概括

2012年，我院承接蕭縣龍河城區(qū)段綜合治理工程，科研小組人員在繼續(xù)完善環(huán)保疏浚土工管袋脫水固化工藝的同時(shí)，通過對(duì)蕭縣城區(qū)內(nèi)的龍河污染底泥進(jìn)行小規(guī)模的土工管袋治理，從河道的疏浚、加藥、管袋脫水、固化等工藝方面來集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)龍河污染底泥的無(wú)害化處理。

3.2 工藝流程

環(huán)保挖泥船疏浚龍河受污染的底泥經(jīng)泵送至試驗(yàn)區(qū)充填進(jìn)土工管袋。為生產(chǎn)性試驗(yàn)的順利進(jìn)行，在工藝流程不同位置按試驗(yàn)需要設(shè)置取樣口、手動(dòng)閥、流量計(jì)、管道混合器、彎管混合器、壓力計(jì)等控制元件、計(jì)量?jī)x表等，泵送充填土工管袋前用管道混合器投加混凝劑，土工管袋濾除液經(jīng)收集后再回流至龍河。此項(xiàng)工藝中，土工管袋及其承托的堆場(chǎng)，絮凝加藥設(shè)備，吹填的泥漿流量、濃度、壓力匹配是重點(diǎn)，工藝流程見圖4。

3.3 匹配性控制

（1）疏浚、加藥、土工管袋三者的協(xié)調(diào)配合至關(guān)重要，疏浚船的穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行對(duì)管袋填充效率、脫水效果、藥劑用量等影響明顯。加藥量的優(yōu)化、藥劑用量的有效性，與挖泥船移樁等使污泥濃度變化的協(xié)調(diào)配合，不僅可加快施工進(jìn)度，還可節(jié)約處理藥劑費(fèi)用。在工程實(shí)施過程中，為了確保工程質(zhì)量與施工進(jìn)度，建立了一套較為合理的操作與自控方案，其具體框圖如5所示：

（2）控制原理

由上面的協(xié)調(diào)控制原理圖結(jié)合穩(wěn)定劑與PAM移動(dòng)加藥站、施工供、排水等方面的技術(shù)要求，采用PLC閉環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要由PLC主機(jī)、取源傳感器（流量計(jì)、濃度計(jì)）、信號(hào)變送器、加藥校驗(yàn)流量計(jì)，加藥泵變頻器四部分組成。

4 總結(jié)與建議

通過以上的實(shí)驗(yàn)研究與蕭縣龍河（城區(qū)段）底泥治理的示范工程說明用土工管袋治理疏浚污染底泥是行之有效的，具有造價(jià)低、施工簡(jiǎn)便、可靠性高、工期短、節(jié)約土地資源等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。實(shí)施中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土工管袋力學(xué)性能的監(jiān)測(cè)與分析，如初始吹填的壓力與管袋應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系、固結(jié)穩(wěn)定后管袋內(nèi)部與外部的變形與穩(wěn)定性等內(nèi)容，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)土工管袋脫水性能的機(jī)理研究，利用示范工程積累一定工程經(jīng)驗(yàn)，不斷豐富和完善土工管袋脫水技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：江永超（1962-），男，安徽滁州人，碩士研究生，畢業(yè)于河海大學(xué)水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)專業(yè)，主要從事生態(tài)水利及環(huán)境工程的研究、設(shè)計(jì)、咨詢及項(xiàng)目管理工作。

陳磊（1980-），男，安徽長(zhǎng)豐人，碩士研究生，畢業(yè)于河海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事生態(tài)水利及環(huán)境工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)與咨詢工作。