堆場疏浚泥顆粒分選特性初步量化方法

楊瑞敏,丁建文,周志彥,徐桂中,張遠(yuǎn)兵

(1.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院,安徽 滁州 233100; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096;3.江蘇鴻基巖土工程有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225002; 4.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

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堆場疏浚泥顆粒分選特性初步量化方法

楊瑞敏1,丁建文2,周志彥3,徐桂中4,張遠(yuǎn)兵1

(1.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院,安徽 滁州 233100; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京 210096;3.江蘇鴻基巖土工程有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225002; 4.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)

為了準(zhǔn)確評估堆場存儲能力和合理選擇疏浚泥處理工藝,以泥沙運(yùn)動學(xué)為理論基礎(chǔ),將疏浚泥顆粒分為d<0.005 mm、0.005 mm≤d≤0.01 mm和d>0.01 mm 3個粒組,分析了各粒組相對含量的沿程變化規(guī)律,明確了堆場疏浚泥分選的主要原因是d>0.01 mm粒組與0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組的相對運(yùn)動;以分選系數(shù)量化堆場疏浚泥分選的顯著程度,以偏離系數(shù)量化原泥顆粒組成對堆場疏浚泥分選的影響,分析了分選系數(shù)、偏離系數(shù)分布與堆場疏浚泥土性分布的關(guān)系,提出了堆場疏浚泥分選特性的初步量化方法。研究結(jié)果表明:隨著離吹填口距離的增大,分選系數(shù)沿程減小，呈冪函數(shù)分布,堆場疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數(shù)最大,顆粒分選顯著,粒度差異大,退水口附近分選系數(shù)趨近于零,分選不明顯,顆粒分布均勻;偏離系數(shù)沿程先減小后增大，呈勺形分布,反映堆場前、后段疏浚泥土性與原泥相差較大,而堆場中段疏浚泥土性與原泥接近;分選系數(shù)、偏離系數(shù)的沿程分布與堆場疏浚泥土性分區(qū)具有良好的相關(guān)性。

疏浚泥;顆粒分選;分選系數(shù);偏離系數(shù);量化方法;堆場

為了改善內(nèi)陸河道的通航能力和泄洪能力,我國每年都要開展大規(guī)模的疏浚清淤工作,從而產(chǎn)生大量的疏浚泥[1-4]。例如長江口深水航道治理工程僅三期工程的基建疏浚量就達(dá)1.7億m3左右,工程竣工后每年維護(hù)產(chǎn)生的疏浚量約3 000萬m3[2]；南水北調(diào)東線江蘇段僅一期工程的疏浚量就超過2.0億m3[5]；珠江三角洲地區(qū)每年的疏浚量高達(dá)8 000萬m3[4]。目前,我國內(nèi)陸河湖多采用絞吸式疏浚方式,河湖底泥被挖泥船耙頭前端的切盤或高壓水切碎并與水混合后,通過高速離心泵泵送至岸邊的堆場堆放處置,泥漿從吹泥口卸載后,粗顆粒(主要為疏浚時未充分切割或打碎的底泥大土塊,其尺寸可達(dá)厘米級)迅速從泥漿中脫離,掉落于吹泥口下方形成粗顆粒扇形堆積區(qū),細(xì)顆粒泥漿經(jīng)堆場沉積區(qū)向退水口方向流動。此疏浚方式具有連續(xù)作業(yè)、施工效率高、成本低和不需要斷流施工的優(yōu)點(diǎn),但產(chǎn)生的疏浚泥含水率極高(如金寶航道疏浚工程疏浚泥含水率高達(dá)1 000%[6],連云港廟嶺新港疏浚工程疏浚泥含水率高達(dá)900%[7]),當(dāng)河道底泥細(xì)顆粒含量較高時,疏浚泥含水率將長期居高不下,疏浚泥堆放處置時,必然需要征用大量的土地,且征地時間長,而我國目前土地資源日趨緊缺,勢必引發(fā)各種社會、經(jīng)濟(jì)矛盾。為了有效緩解這些矛盾,需要進(jìn)行堆場優(yōu)化設(shè)計和對疏浚泥進(jìn)行脫水固結(jié)處理。然而眾多工程實踐表明[6,8-13],吹填過程中高含水率疏浚泥的水力分選現(xiàn)象明顯,容易造成堆場疏浚泥土性分布不均,從而影響堆場的優(yōu)化設(shè)計和疏浚泥處理工藝的選擇。

實際疏浚工程中通常存在如下問題:①堆場存儲容積設(shè)計偏保守,導(dǎo)致堆場存儲容積設(shè)計過大,造成土地資源浪費(fèi);②能否有效預(yù)測堆場疏浚泥土性分布,從而有針對性地選擇淤泥的處理工藝,以期達(dá)到良好的處理效果。上述問題的解決與堆場疏浚泥顆粒分選量化方法的研究密切相關(guān),徐桂中等[6，14-15]對泥漿垂直分選的研究表明,顆粒的相對運(yùn)動導(dǎo)致泥漿的顆粒分選,而泥漿的分選形態(tài)與泥漿的含水率、物質(zhì)組成等有關(guān)(例如細(xì)顆粒含量低、含水率較高時,泥漿通常呈“上小下大”的正粒序分選形態(tài),隨著細(xì)顆粒含量增大、含水率降低,泥漿呈“上大下小”的反粒序和“混雜”粒序分選形態(tài))。徐桂中[6]提出了“分選度”的概念,對自重沉積時疏浚泥的分選進(jìn)行定量描述,但僅限于疏浚泥垂直方向分選的定量評估,而實際吹填工程中疏浚泥分選受水動力條件影響較大,且工程上較為關(guān)注的是堆場疏浚泥水平方向的分選。本文基于泥沙運(yùn)動學(xué)理論和現(xiàn)場試驗,分析疏浚泥d<0.005 mm、0.005 mm≤d≤0.01 mm和d>0.01 mm 3個粒組的沿程分布規(guī)律,提出吹填動水條件下疏浚泥顆粒分選特性量化方法,明確疏浚泥分選與土性分區(qū)的相關(guān)性。

1 堆場疏浚泥顆粒分選特性

泥沙運(yùn)動學(xué)的研究[17-18]表明,泥漿中形成絮凝的顆粒臨界粒徑為0.01 mm左右,當(dāng)泥漿中顆粒粒徑d<0.01 mm時,顆粒的絮凝作用明顯,d<0.01 mm的顆粒含量對泥漿物理力學(xué)特性的影響顯著；而在土的形成過程中,d<0.005 mm的黏粒含量對黏性土物理力學(xué)性質(zhì)的影響至關(guān)重要[19]。為了分析顆粒的相對運(yùn)動對堆場疏浚泥分選的影響,將疏浚泥顆粒分為3個粒組,即d<0.005 mm粒組、0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組和d>0.01 mm粒組(以下簡稱粒組1、粒組2和粒組3)。前期的研究[6,10-11]表明:遠(yuǎn)離吹填口粒組1的顆粒含量沿程增大,粒組3的顆粒含量沿程減小,而粒組2的顆粒含量沿程變化不大;粒組3與粒組2的相對含量沿程變化幅度最大,而粒組3與粒組1的相對含量、粒組1與粒組2的相對含量沿程變化幅度均較小。粒組相對含量沿程變化幅度越大,粒組間的相對運(yùn)動越明顯,疏浚泥中粒組3與粒組2之間顆粒的相對運(yùn)動顯著,而粒組3與粒組1之間、粒組1與粒組2之間顆粒的相對運(yùn)動均不明顯,筆者認(rèn)為粒組之間相對運(yùn)動越明顯,堆場疏浚泥顆粒分選越明顯,因此吹填時粒組3與粒組2之間顆粒的相對運(yùn)動是造成堆場疏浚泥顆粒分選的內(nèi)在因素。

2 堆場疏浚泥顆粒分選量化參數(shù)

為了量化堆場疏浚泥顆粒的分選性,提出分選系數(shù)的概念:定義分選系數(shù)為粒組3與粒組2的相對含量沿程變化關(guān)系曲線的斜率(取絕對值)。由于實際工程中粒組相對含量的沿程變化關(guān)系由實測離散數(shù)據(jù)點(diǎn)獲得,考慮到實際工程中的可操作性,分選系數(shù)采用增量形式表示:

(1)

式中:Fx為分選系數(shù),以粒組相對含量的沿程變化幅度反映顆粒相對運(yùn)動大小,從而量化堆場疏浚泥顆粒分選的顯著程度;P3,x、P3,x+Δx分別為堆場內(nèi)距離吹填口x、x+Δx處粒組3的質(zhì)量分?jǐn)?shù);P2,x、P2,x+Δx分別為堆場內(nèi)距離吹填口x、x+Δx處粒組2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。增量Δx取值大小主要取決于工程精度要求。

現(xiàn)場試驗研究[8-11,12]表明:隨離吹填口距離增大,堆場疏浚泥中粒組3和粒組2的相對含量關(guān)系曲線的斜率(取絕對值)沿程減小,即分選系數(shù)沿程減小,疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數(shù)最大,顆粒分選顯著，粒度差異大；退水口附近分選系數(shù)趨近于零,分選不明顯，顆粒分布均勻。分選系數(shù)的沿程分布規(guī)律可用冪函數(shù)描述:

Fx=axb(x≥0)

(2)

式中a、b為系數(shù),與原泥顆粒組成、初始含水率和吹填速率等有關(guān)。

國內(nèi)一些學(xué)者[6,9-11]的研究發(fā)現(xiàn):原泥顆粒組成是堆場疏浚泥顆粒分選的內(nèi)在控制因素。為了考慮原泥顆粒組成對分選的影響,提出偏離系數(shù)的概念:定義偏離系數(shù)為堆場內(nèi)疏浚泥第i粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原泥第i粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)之差與原泥第i粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比,即:

(3)

式中:Di,x為堆場內(nèi)距離吹填口x處疏浚泥的偏離系數(shù),反映堆場內(nèi)不同位置的疏浚泥顆粒組成與原泥的偏離程度,通常偏離系數(shù)越大,堆場內(nèi)疏浚泥土性與原泥的差異越大;P0,i為原泥第i粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Pi,x為堆場內(nèi)距離吹填口x處疏浚泥第i粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù);i=1,2,3代表粒組1、2、3。

根據(jù)泥沙運(yùn)動學(xué)理論[13,16-18],在一定的水流條件下,疏浚泥中粗顆粒由于自重較大,將最先沉積于吹填口附近的堆場前段,而細(xì)顆粒由于自重較小,將隨泥漿運(yùn)移至退水口附近沉積,導(dǎo)致堆場前段粗顆粒聚集,疏浚泥顆粒分布不均,顆粒組成與原泥相差較大,同時容易造成退水口附近細(xì)顆粒大量富集,顆粒組成與原泥亦相差較大,但細(xì)顆粒分布相對均勻,從而在吹填口與退水口之間必然存在一個區(qū)域,疏浚泥顆粒組成與原泥相近,所以堆場內(nèi)疏浚泥偏離系數(shù)沿程先減小后增大,最后在退水口附近保持某一定值,堆場內(nèi)疏浚泥偏離系數(shù)沿程呈勺形分布,可近似用一個分段函數(shù)描述:

實驗設(shè)備包括聯(lián)想PC一臺,RED5型號眼動設(shè)備一套,最高采樣頻率500Hz,主機(jī)顯示分辨率為1280×1024像素,屏幕亮度調(diào)整為300cd/m2,被試眼睛與屏幕的距離約為60cm,屏幕中央與被試的眼高基本水平.實驗界面由Experimental軟件呈現(xiàn),眼動數(shù)據(jù)由軟件自動記錄,并利用BeGaze軟件進(jìn)行眼動數(shù)據(jù)分析.

(4)

式中k1、k2、c、f為系數(shù),與原泥顆粒組成、吹填速率及初始含水率等有關(guān)。

實際吹填工程中堆場疏浚泥分選受原泥顆粒組成、吹填工藝等因素的影響,所以本文提出的分選系數(shù)和偏離系數(shù)兩個量化參數(shù),適用于內(nèi)陸河湖采用絞吸式、水力沖挖式疏浚且原泥顆粒組成非均勻(不均勻系數(shù)Cu>10)時,堆場疏浚泥顆粒分選特性的初步定量評估。

3 驗證與討論

選取國內(nèi)外3個典型疏浚泥堆場的現(xiàn)場試驗結(jié)果,驗證本文提出的分選系數(shù)、偏離系數(shù)的沿程分布規(guī)律,分析分選系數(shù)、偏離系數(shù)分布與堆場疏浚泥土性分區(qū)的關(guān)系。選取的3個堆場為南水北調(diào)東線江蘇段疏浚工程的金寶航道N1堆場、白馬湖堆場和美國的Browns Lake堆場,堆場基本情況如表1所示。

表1 3個堆場基本情況

3個堆場試驗區(qū)的形狀均近似長方形,堆場疏浚泥的取樣均從吹填口開始至退水口結(jié)束,取樣的路線及取樣點(diǎn)的布置如圖1所示。N1堆場在距離吹填口較近的堆場前段疏浚泥取樣間距約10 m,遠(yuǎn)離吹填口的堆場中、后段取樣間距20～40 m(據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,越靠近退水口顆粒分布越趨于均勻,故取樣間距沿程可加大)；白馬湖堆場疏浚泥取樣間距為10 m;Browns Lake堆場在距離吹填口較近的堆場前段疏浚泥的取樣間距約20 m,在堆場中、后段取樣間距約40 m；3個堆場疏浚泥的取樣深度均為1/2泥深處。N1堆場[11]和Browns Lake堆場[12]疏浚泥的顆粒分析、含水率和界限含水率等試驗參照ASTM規(guī)范進(jìn)行,白馬湖堆場[8-9]疏浚泥的室內(nèi)試驗參照SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》進(jìn)行。

圖1 堆場疏浚泥取樣布置

圖2 3個堆場疏浚泥各粒組相對含量沿程分布

根據(jù)3個堆場的顆分試驗結(jié)果[8-12],可得3個粒組相對含量的沿程分布規(guī)律如圖2所示,綜合考慮3個堆場的疏浚泥顆粒粒度、含水率及界限含水率分布,堆場一般可劃分為粗粒土區(qū)、過渡區(qū)和細(xì)顆粒富集區(qū)。

從圖2可知,3個堆場疏浚泥粒組3與粒組2相對含量沿程變化幅度最大,粒組3與粒組1的相對含量、粒組1與粒組2的相對含量沿程變化幅度均較小。

圖4 偏離系數(shù)沿程分布規(guī)律

根據(jù)式(1)分選系數(shù)的定義,考慮圖2中粒組3與粒組2相對含量的沿程變化關(guān)系,可知3個堆場疏浚泥分選系數(shù)的沿程分布規(guī)律均滿足式(2)的冪函數(shù)分布,對于N1堆場,a=-60,b=-1.7;對于白馬湖堆場,a=-33,b=-1.8;對于Browns Lake堆場,a=-18,b=-1.5。3個堆場疏浚泥分選系數(shù)的沿程分布規(guī)律如圖3所示,隨著距離吹填口距離的增大,堆場疏浚泥分選系數(shù)沿程減小,即疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數(shù)沿程減小幅度較大,遠(yuǎn)離吹填口分選系數(shù)沿程減小幅度較小,退水口附近分選系數(shù)趨近于零。3個堆場分選系數(shù)具有相同的分布規(guī)律,但在距離吹填口相同位置處,N1堆場分選系數(shù)比Browns Lake堆場大,而Browns Lake堆場分選系數(shù)又比白馬湖堆場大,這主要是由于原泥顆粒組成、初始含水率及吹填速率等不同造成的。

圖3 3個堆場分選系數(shù)沿程分布規(guī)律

根據(jù)式(3)偏離系數(shù)的定義,并考慮顆分試驗結(jié)果[8,11-12],可得堆場疏浚泥偏離系數(shù)的分布如圖4所示,可知3個堆場偏離系數(shù)均滿足式(4)的勺形分布,對于N1堆場,k1=-0.004,k2=0.007,c=0.5,f=0.22;對于白馬湖堆場,k1=-0.014,k2=0.016,c=0.55,f=0.43;對于Browns Lake堆場,k1=-0.006,k2=0.006,c=0.35,f=0.35。3個堆場的偏離系數(shù)D1、D2、D3均沿程先減小后增大,最后在退水口附近保持在某一定值。

分選系數(shù)、偏離系數(shù)的分布與堆場疏浚泥土性分區(qū)具有良好的相關(guān)性,如圖5所示。

圖5 分選系數(shù)、偏離系數(shù)分布與堆場疏浚泥土性分區(qū)

圖5中Ⅰ區(qū)為粗粒土區(qū)、Ⅱ區(qū)為過渡區(qū)、Ⅲ區(qū)為細(xì)顆粒富集區(qū),粗粒土區(qū)疏浚泥分選系數(shù)較大,沿程急劇減小,偏離系數(shù)沿程減小,表明疏浚泥顆粒分選明顯,顆粒間粒度差異大,疏浚泥顆粒組成與原泥逐漸接近;過渡區(qū)疏浚泥分選系數(shù)沿程逐漸減小,偏離系數(shù)沿程增大,表明疏浚泥顆粒分選性沿程逐漸減弱,疏浚泥顆粒組成與原泥逐漸偏離;細(xì)顆粒富集區(qū)疏浚泥分選系數(shù)趨近于零,偏離系數(shù)保持在某一定值,表明顆粒分選不明顯，顆粒分布均勻,疏浚泥顆粒組成與原泥保持某一固定偏離值。

4 結(jié) 論

a. 顆粒的相對運(yùn)動越顯著,堆場疏浚泥分選越明顯,d>0.01 mm粒組與0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組的相對運(yùn)動是造成堆場疏浚泥顆粒分選的內(nèi)在因素。

b. 分選系數(shù)可量化堆場疏浚泥分選的顯著程度,分選系數(shù)越大,顆粒分選越明顯,反之,顆粒分選越不明顯;分選系數(shù)沿程減小，呈冪函數(shù)分布,堆場疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數(shù)最大,顆粒分選顯著，粒度差異大,退水口附近分選系數(shù)趨近于零,分選不明顯，顆粒分布均勻。

c. 偏離系數(shù)可量化原泥顆粒組成對堆場疏浚泥分選的影響,偏離系數(shù)沿程先減小后增大，呈勺形分布,反映堆場前、后段疏浚泥土性與原泥相差較大,而堆場中段疏浚泥土性與原泥相近。

d. 分選系數(shù)、偏離系數(shù)分布和堆場疏浚泥土性分區(qū)具有良好的相關(guān)性,粗粒土區(qū)分選系數(shù)較大，沿程急劇減小,偏離系數(shù)沿程減小;過渡區(qū)分選系數(shù)沿程逐漸減小,偏離系數(shù)沿程增大;細(xì)顆粒富集區(qū)分選系數(shù)趨近于零,偏離系數(shù)保持在某一定值。

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Preliminary quantitative method for grain sorting behaviors of dredged slurries in reclaimed land//

YANG Ruimin1, DING Jianwen2, ZHOU Zhiyan3, XU Guizhong4, ZHANG Yuanbing1

(1.CollegeofArchitecture,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Chuzhou233100,China; 2.CollegeofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 3.JiangsuHongjiGeotechnicalEngineeringLtd.,Yangzhou225002,China; 4.CollegeofCivilEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

In order to accurately evaluate the storage capacity of reclaimed land and reasonably select treatment technologies for dredged slurries, based on the theory of sediment transportation mechanics, dredged slurries are divided into three particle-size fractions:d<0.005 mm, 0.005 mm≤d≤0.01 mm, andd>0.01 mm.Thevariationofrelativecontentforeachparticle-sizefractionwasanalyzed,anditwasdeterminedthatthemainreasonforgrainsortingofdredgedslurriesistherelativemovementofparticle-sizefractionsd>0.01mmand0.005mm≤d≤0.01mm. Using the sorting coefficient to quantify the significant degree of grain sorting of dredged slurries and the deviation coefficient to quantify the influence of grain composition of in situ mud on grain sorting, the relationships between the sorting coefficient and deviation coefficient and soil properties in reclaimed land were analyzed, and a preliminary quantitative method for grain sorting of dredged slurries in reclaimed land is proposed. The results show that the sorting coefficient decreases with the increase of the distance from the filling inlet and shows a power function distribution, and the significance of grain sorting decreases longitudinally. The sorting coefficient is at its maximum near the filling inlet, where grain sorting is remarkable and the particle-size difference is large. However, it is small near the water outlet, where grain sorting is unremarkable and particle-size distribution is uniform. The deviation coefficient decreases first and then increases longitudinally in reclaimed land, and shows a spoon-type distribution, showing that the soil properties in the forepart and posterior segment of reclaimed land are significantly different from those of in situ mud, but the soil properties in the middle segment of reclaimed land are similar to those of in situ mud. The longitudinal distributions of the sorting coefficient and deviation coefficient are strongly correlated with zoning of soil properties in reclaimed land.

dredged slurry; grain sorting; sorting coefficient; deviation coefficient; quantitative method; reclaimed land

國家自然科學(xué)基金(51378118);水利部公益性行業(yè)科研專項(201401006);安徽科技學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項目(AKZDXK2015B01)

楊瑞敏(1984—),男,講師,博士,主要從事高含水率淤泥物理力學(xué)特性及其處理技術(shù)研究。E-mail:ruiminy131@163.com.

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.015

TU447

A

1006-7647(2017)03-0089-06

2016-02-29 編輯：熊水斌)