稻秸稈繩排水體真空固結(jié)處理高含水率疏浚淤泥可行性研究

馮哲源，陶小玉，徐桂中，李興兵，姚 達(dá)

(1.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000； 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002； 4.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

我國(guó)每年內(nèi)陸及沿海的水利工程、航運(yùn)工程和水環(huán)境治理等工程中產(chǎn)生的疏浚淤泥達(dá)數(shù)億立方以上[1]，由于我國(guó)疏浚工程以水力疏浚方式為主，產(chǎn)生的疏浚淤泥含水率高，強(qiáng)度低，需要進(jìn)行地基處理[2]。目前，以塑料排水板為豎向排水體的真空預(yù)壓技術(shù)被廣泛用于疏浚淤泥處理[3-4]。然而，由于塑料排水體長(zhǎng)時(shí)間難以降解，因而對(duì)疏浚淤泥地基的后期利用產(chǎn)生影響[5-6]。

為了克服塑料排水板難以降解的影響，很多研究者提出了諸多類型替代塑料排水板的可降解生態(tài)排水體，其中，采用農(nóng)作廢棄秸稈制作可降解生態(tài)排水體，用于負(fù)壓固結(jié)處理疏浚淤泥的可行性得到了研究論證[7-9]。徐桂中等對(duì)碎秸稈的透水性能開展了研究，研究顯示，碎秸稈在100 kPa上覆壓力下的滲透系數(shù)達(dá)10-3cm/s，接近砂的排水能力。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，徐桂中等分別將碎秸稈作為排水體及傳統(tǒng)的塑料排水體作為排水體的時(shí)真空負(fù)壓處理高含水率疏浚淤泥處理效果進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)顯示，采用碎秸稈作為排水體處理后，泥面沉降量、含水率及不排水強(qiáng)度等均勻塑料排水板處理后的接近，由此認(rèn)為，碎秸稈排水體可以替代傳統(tǒng)的塑料排水板用于真空負(fù)壓處理高含水率淤泥[8]。需要強(qiáng)調(diào)，將碎秸稈包裹于條袋狀土工布中制作成的排水體的抗拉強(qiáng)度極低，因此一般只能用于深度較淺的疏浚淤泥地基處理中，對(duì)于較厚的疏浚淤泥地基，采用碎秸稈制作成的排水體由于抗拉強(qiáng)度較低，所以會(huì)導(dǎo)致打設(shè)困難的問題。

基于碎秸稈排水體在抗拉性能方面的不足，本課題組提出了將秸稈繩進(jìn)行簡(jiǎn)單編織后包于條狀土工袋中制作成排水體，用于真空負(fù)壓處理高含水率疏浚淤泥。顯然，與碎秸稈排水體相比，本項(xiàng)目提出的秸稈繩排水體具有良好的抗拉強(qiáng)度。本文的目的在于，通過對(duì)不同類型秸稈繩排水體開展通水量測(cè)試及疏浚淤泥負(fù)壓固結(jié)模型試驗(yàn)等，明確秸稈繩排水體的排水性能，驗(yàn)證秸稈繩排水體用于真空負(fù)壓處理高含水率疏浚淤泥的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用高含水率是疏浚淤泥取自安徽省蚌埠市淮河五河堆泥場(chǎng)，是疏浚淤泥的物理指標(biāo)如表1所示。

表1 淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)

本次試驗(yàn)所用的秸稈排水體由稻草繩編織而成，稻草繩由搜集的鹽城地區(qū)的稻秸稈編織而成，秸稈繩的直徑為1 cm。編織形成的稻秸稈繩排水體內(nèi)芯如圖1(a)-(d)所示，共分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個(gè)類型。采用傳統(tǒng)的塑料排水板濾布將編織好的排水體內(nèi)芯進(jìn)行包裹，就形成了如圖1(e)所示的稻秸稈繩秸稈排水體，各種秸稈排水的直徑為6 cm。

1.2 試驗(yàn)裝置

研制秸稈排水體通水能力測(cè)試裝置，如圖2簡(jiǎn)圖所示。秸稈室高50 cm，內(nèi)徑20 cm。秸稈室與水罐2相連，可以對(duì)秸稈排水體施加圍壓，通過對(duì)水罐2重量的測(cè)試，可以確定秸稈壓縮或回彈時(shí)進(jìn)入或排出水罐水的體積，從而確定秸稈排水體徑向壓縮或回彈量。透明密封膜內(nèi)的秸稈排水體通過底座與抽真空裝置相連，可以對(duì)秸稈排水體施加真空負(fù)壓。關(guān)閉相應(yīng)的閥門，可使秸稈室處于密閉狀態(tài)，秸稈的體積不變，密度恒定，此時(shí)可開展常水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)試秸稈排水體的排水能力。水罐1 通過上底座與秸稈排水體相連，用于在通水量測(cè)試中提供上水頭。

圖2 秸稈通水量測(cè)試裝置

用于開展真空固結(jié)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置如圖3所示，其中，模型槽的直徑30 cm、高40 cm。試驗(yàn)所用的淤泥被裝入密封袋后置于模型槽中，淤泥的初始高度均為30 cm。豎向排水體設(shè)置于淤中間，上端與抽真空裝置相連。淤泥的初始含水率均為107%，約為淤泥液限的2倍。每組試驗(yàn)持續(xù)10 d左右。真空加載時(shí)，真空度均保持在80 kPa以上。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)不同深度淤泥進(jìn)行取樣，進(jìn)行含水率測(cè)試。取樣位置距離排水體7 cm。

圖3 真空固結(jié)模型試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 稻秸稈排水體通水量

圖4為4種秸稈排水體的通水量隨真空負(fù)壓的變化關(guān)系，由圖可知，四種排水體的通水量均隨真空負(fù)壓的增加而降低。然而，在真空負(fù)壓小于-20 kPa時(shí)，通水量降低較大，而當(dāng)真空負(fù)壓大于-20 kPa時(shí)，各秸稈排水體的通水量隨真空負(fù)壓的增加降低較小。上述現(xiàn)象表明，當(dāng)秸稈排水體承受的真空負(fù)壓小于-20 kPa時(shí)，秸稈排水體在真空負(fù)壓的作用下發(fā)生了顯著的徑向壓縮變形，秸稈排水體中可以用于作為排水通道的有效孔隙減少，導(dǎo)致秸稈排水體排水能力發(fā)生顯著降低。然而，當(dāng)真空負(fù)壓大于-20 kPa時(shí)，秸稈排水體沿徑向并未發(fā)生顯著壓縮變形，秸稈排水體中的有效孔隙也為發(fā)生顯著降低，所以秸稈排水體的通水量未隨真空負(fù)壓的增加而增加。除此之外，由圖3可知，4中類型的秸稈排水體中，排水體Ⅱ的通水量達(dá)到60 mL/s，遠(yuǎn)大于其他3中秸稈排水體的通水量。秸稈排水體Ⅱ的通水量略大于秸稈排水體Ⅳ的通水量，在30 mL/s左右，而秸稈排水體Ⅳ的排水能力在20 mL/s左右。4種排水體中，秸稈排水體Ⅲ的通水量較小，在10 mL/s左右。

圖4 不同類型草繩排水體通水量隨真空負(fù)壓的變化規(guī)律

由于秸稈泡在水中會(huì)發(fā)生降解，必然會(huì)影響秸稈排水體的通水能力。為了了解秸稈排水體降解對(duì)其通水能力的影響，將秸稈排水體Ⅱ的通水量隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系顯示于圖5中。由圖5可知，在不同真空負(fù)壓作用下，秸稈拍水體的通水量均隨浸泡時(shí)間的增加而降低，但在浸泡的前15 d內(nèi)，秸稈排水體的通水能力降低程度較大，但當(dāng)浸泡時(shí)間超過15 d后，秸稈排水體的通水能力也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象表明，秸稈排水體的降解會(huì)對(duì)其通水能力產(chǎn)生影響。圖6為浸泡不同時(shí)間秸稈排水體的質(zhì)量損失率隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系。由圖6可知，秸稈排水體的質(zhì)量隨浸泡時(shí)間的增加呈現(xiàn)非線性增加關(guān)系，在浸泡時(shí)間小于15 d之內(nèi)，秸稈排水體的質(zhì)量損失較大，達(dá)到35%，而當(dāng)浸泡15～60 d間，秸稈排水體的質(zhì)量損失達(dá)20%。秸稈排水體的質(zhì)量損失率隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系可以充分解釋其通水能力隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。在浸泡時(shí)間小于15 d之內(nèi)時(shí)，秸稈排水體降解較快，所以在負(fù)壓作用下，秸稈排水體的徑向壓縮較大，導(dǎo)致其通水能力發(fā)生了較大的下降，而在浸泡15 d后，秸稈排水體降解速率放緩，秸稈排水體在真空負(fù)壓作用下的徑向壓縮也相對(duì)浸泡15 d內(nèi)的放緩，因此，其通水能力隨浸泡時(shí)間降低較少。

圖5 草繩排水體Ⅱ通水量隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律

圖6 草繩排水體質(zhì)量損失率隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律

2.2 草繩排水體真空固結(jié)處理疏浚淤泥效果

圖7為以不同秸稈排水體為豎向排水體時(shí)，疏浚淤泥真空負(fù)壓固結(jié)處理過程中泥面沉降量的變化規(guī)律，以塑料排水板為豎向排水體時(shí)的泥面沉降曲線同樣顯示于圖5中，用于與秸稈排水體的處理效果的對(duì)比。由圖可知，真空固結(jié)過程中，泥面沉降量均隨時(shí)間的增加而增加，但沉降速率隨時(shí)間的增加而降低，因此，泥面沉降曲線呈現(xiàn)明顯的上凹狀。除此之外，不同排水體間的泥面沉降量有差異，但差異較小。其中，以塑料排水板為排水體時(shí)，泥面的沉降量最大，達(dá)到215 mm，而秸稈排水體Ⅰ的最終沉降量最小，為190 mm，兩者之間的差異略大于10%。顯然，其他3種秸稈排水體的泥面沉降量介于塑料排水板及秸稈排水體Ⅰ之間，因此，與塑料排水板之間的差異均小于10%。

圖7 泥面沉降量變化規(guī)律

為了進(jìn)一步了解秸稈排水體真空固結(jié)處理疏浚淤泥的效果，將處理后淤泥含水率沿深度的分布規(guī)律顯示與圖8中。由圖8可知，不同排水體處理后的淤泥的含水率均隨深度的增加而增加，且上部的處理效果要明顯好于下部。分析認(rèn)為，真空固結(jié)過程中，下部的淤泥收到上部淤泥的重力作用，是下部淤泥真空處理效果相對(duì)上部較差的主要原因。顯然，由圖8可知，不同排水體處理后淤泥的含水率差異相對(duì)較大。其中，其中排水體Ⅱ的淤泥含水率最低，介于46%～52%之間，秸稈排水體Ⅲ的淤泥含水率最大，介于48%～65%之間。在淤泥頂部，兩者差異較小，但在淤泥底部，后者相對(duì)于前者增加25%。塑料排水板處理后的淤泥含水率略低于秸稈排水體Ⅲ，但比其他3種秸稈排水體處理后的含水率都高，這與圖7中泥面沉降量的規(guī)律不一致。顯然，處理后的含水率更能反映處理效果，由此可見，4種秸稈排水體真空固結(jié)處理疏浚淤泥的效果要等于或略優(yōu)于塑料排水板的效果。對(duì)于塑料排水板處理時(shí)的泥面沉降略大于其他4種秸稈排水板的原因與不同排水體之間的剛度差異相關(guān)。顯然，排水體的剛度差異會(huì)影響泥面的沉降，相關(guān)方面有待于以后進(jìn)一步研究。綜合圖7及圖8的成果可見，采用秸稈排水體真空固結(jié)處理疏浚淤泥的效果是可以與傳統(tǒng)的塑料排水板相媲美的。秸稈排水體中，排水體Ⅱ的處理相關(guān)相對(duì)于其他類型要略有優(yōu)勢(shì)。但具體選用何種秸稈排水體，還要根據(jù)制作成本，工藝復(fù)雜程度等進(jìn)行綜合分析。

圖8 處理后含水率沿深度變化規(guī)律

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)4中不同編織方式的秸稈繩排水體進(jìn)行通水量試驗(yàn)及真空固結(jié)模型試驗(yàn)等，了解秸稈繩排水體的通水能力及真空固結(jié)處理疏浚淤泥的效果，驗(yàn)證秸稈繩排水體真空固結(jié)處理疏浚淤泥的可行性，獲得如下結(jié)論：

(1)稻秸稈排水體的排水能力能夠達(dá)到傳統(tǒng)塑料排水板的排水能力，受稻秸稈排水體編織方式的影響，其通水量在10～60 mL/s之間。

(2)秸稈繩排水體的排水能力受真空負(fù)壓影響，隨真空負(fù)壓的減小而增加，在真空負(fù)壓小于-20 kPa時(shí)，影響較大，而真空負(fù)壓大于-20 kPa后影響較小。

(3)秸稈繩排水體的排水能力受降解時(shí)間的影響，在降解的前15 d內(nèi)，排水體通水能力減小較大，降解時(shí)間大于15 d后，排水體通水能力隨降解時(shí)間變化較小。

(4)以稻秸稈排水體為豎向排水體真空負(fù)壓處理疏浚淤泥時(shí)，泥面沉降及含水率等處理效果接近塑料排水板，其中Ⅱ型稻秸稈排水體的處理效果最優(yōu)。