吹填層厚度對疏浚淤泥沉積特性影響的試驗研究*

張 瑩， 徐桂中， 盧 亮， 周 源

(1. 南京工業(yè)職業(yè)技術大學， 江蘇 南京210023； 2. 鹽城工學院， 江蘇 鹽城221051；3. 南京南大巖土工程技術有限公司， 江蘇 南京210000； 4. 河海大學， 江蘇 南京210098)

河流中的泥沙過多， 造成防洪、 水庫淤積等諸多問題， 淤泥疏浚是湖泊治理、 航道疏通、 港口維護中常用的工程舉措。 我國每年都會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥， 相關數(shù)據(jù)顯示， 我國淤泥的年均疏浚量超過5 億m3[1]。 內(nèi)陸疏浚工程中， 多用水力式挖泥船抽吸含水率極高的土水混合物吹填入堆場， 經(jīng)過自然堆放及晾曬， 使其在自重作用下沉積、 固結， 即為疏浚泥陸上圈圍處置的方法[2]。由于我國以絞吸式水力疏浚為主， 采用的絞吸挖泥船一般利用吸泥口前的刀具或高壓水來切碎泥土， 將土的結構完全破壞， 產(chǎn)生的吹填淤泥含水率高、 黏粒含量大、 滲透系數(shù)小、 排水緩慢、 自重固結時間長。 對于淤泥等超軟土， 在疏浚泥向堆場內(nèi)吹填的過程中， 宜分層進行， 且分層不宜過厚， 施工時層厚應根據(jù)設計或試驗確定[3]。 分層吹填淤泥可縮短排水路徑， 加速排水， 在每層淤泥充分落淤后進行下一層淤泥的吹填， 有利于充分利用堆場容積。 吹填過程中淤泥的分層厚度，應充分考慮淤泥的沉積特性， 因此有必要研究吹填層厚度對淤泥沉積規(guī)律的影響。

疏浚泥沉積規(guī)律的室內(nèi)研究方法為沉降柱試驗。 很多學者利用沉降柱試驗， 通過泥漿的沉積規(guī)律來輔助理論方法預測沉積物的沉降和固結行為[4-6]。 Alexis 等[7]對沉降柱試驗的條件進行了總結， 發(fā)現(xiàn)前人在進行室內(nèi)沉降試驗時， 泥漿高度并不統(tǒng)一， 所用沉降柱高度為114 ～4 000 mm。 到目前為止， 以細顆粒為主的吹填泥漿自重沉積規(guī)律研究仍處于初級階段， 且室內(nèi)靜水沉積試驗的模型尺寸對于吹填淤泥自重沉積的影響方面的研究也較少。 本文采用室內(nèi)沉降柱試驗， 研究疏浚泥的高度對于泥漿沉積規(guī)律的影響， 以期為吹填過程中分層吹填厚度和室內(nèi)靜水沉積試驗模型尺寸的選擇提供參考。

1 試驗方案

試驗所用淤泥為湖泊沉積物， 取自南水北調(diào)東線江蘇段淮安白馬湖疏浚堆場， 其基本物理性質(zhì)見表1。 其中， 液塑限由液塑限聯(lián)合測定儀測定， 粒徑分布采用密度計法確定。 所取淤泥的粒徑分布曲線如圖1 所示， 其中值粒徑d50=5.71 μm。白馬湖淤泥的塑性圖如圖2 所示， 可以看出， 白馬湖淤泥屬于高液限黏土。

表1 白馬湖淤泥的基本物理力學指標

圖1 白馬湖淤泥粒徑分布曲線

圖2 白馬湖淤泥塑性圖

以往研究[8]表明， 沉降柱內(nèi)徑大于15 cm 時，沉降柱的邊界對于淤泥的沉降規(guī)律的影響可以忽略， 因此， 本文采用內(nèi)徑15 cm 的高白玻璃筒作為沉降柱， 對白馬湖淤泥進行自重沉積試驗。 為配合不同泥漿高度， 玻璃筒的高度分別為30、 40、60、 80、 100 cm。

由于試驗持續(xù)時間長， 為了減少沉積試驗過程中水分蒸發(fā)， 沉降柱的頂端用塑料薄膜密封。 泥漿充分攪拌后立即從沉降柱側面觀察泥漿和清水分界面的下降情況， 按照間隔由短到長記錄泥水分界面的刻度值， 以此反映泥漿沉降規(guī)律。

本試驗配制泥漿的初始含水率ω0均為553%，ω0∕ωL約為8.5。 泥漿初始高度h0分別為11.1、21.1、 40.6、 59.0、 76.9 cm。

2 試驗結果與分析

2.1 泥漿高度對沉降類型的影響

試驗所得泥水分界面沉降曲線見圖3。 圖3a)所用坐標為對數(shù)坐標， 用以表現(xiàn)沉降曲線的特征，圖3b) 突出顯示沉降前600 min 泥水分界面沉降規(guī)律。 可以看出， 相同泥漿初始含水率的情況下，所得沉降曲線形狀存在明顯差異。

圖3 不同泥漿高度沉降曲線

按照沉降曲線的形狀特點可將曲線分為兩類， 如圖4 所示。 在對數(shù)時間標度中的沉降曲線上， 第I 類沉降曲線平滑， 呈反“S” 形； 第II類沉降曲線階段性明顯。 在算術時間標度中的沉降曲線上， 沉降初始階段， 第I 類沉降曲線沉降量與時間呈近似的線性關系， 沉降速率很小， 且基本不變； 第II 類沉降曲線分3 個階段， 第1 階段持續(xù)時間較短， 稱為絮凝階段； 第2 階段沉降曲線呈線性， 泥面以較大的速率迅速下降， 為沉降階段； 第3 階段泥面以較低的速度繼續(xù)下降，為固結階段[9]。 以上3 個階段分別對應圖4 中OA、AB、BC段。 這兩種沉降曲線類型分別對應前人提出的固結沉降和阻礙沉降兩種沉降模式[10-11]。

根據(jù)圖4 中顯示的兩類沉降模式， 當泥漿高度為11.1 cm 時， 泥漿沉降類型為固結沉降， 泥漿高度為40.6、 59.0、 76.9 cm 時， 泥漿沉降類型為阻礙沉降， 泥漿高度為21.1 cm 時， 沉降類型為二者之間的過渡模式， 本質(zhì)上屬于阻礙沉降。由此可知， 泥漿高度越低， 越易發(fā)生固結沉降，泥漿高度越高， 越易發(fā)生阻礙沉降。 而在本試驗條件下， 泥漿高度達到40.6 cm 后， 高度對于沉降類型的影響即可忽略。

圖4 沉降曲線分類

2.2 泥漿高度對于沉降速率的影響

文獻[6]、 [9]、 [12]指出， 淤泥懸浮液在沉降過程中以絮團的形式存在。 文獻[11]提出， 絮團包含小的土體顆粒群和其周圍吸附的水， 絮團進一步形成絮團群， 稱為集合體。

在淤泥吹填至堆場的過程中， 吹填速率和吹填量的確定很大程度上取決于堆場中已有疏浚淤泥的沉積速率， 因此室內(nèi)沉降柱試驗中多研究泥水分界面的沉降速率， 以此作為現(xiàn)場吹填速率和吹填場容積設計的依據(jù)。

為了定量分析室內(nèi)沉降柱試驗中沉降速率受泥漿高度的影響， Xu 等[13]定義算術時間標度中第I 類沉降曲線的原點處切線斜率為沉降速率， 即圖4b)直線段EF的斜率， 定義第II 類沉降曲線沉降階段結束時沉降量與絮凝階段結束時沉降量之差與兩點時間差之比為沉降速率， 即圖4b)中直線段AB的斜率。 各泥漿高度下沉降速率與泥漿高度的關系見圖5a)， 可知泥漿高度對泥面沉降速率影響較大。 當泥漿高度為11.1 cm 時， 泥面沉降速率極小， 為16.1 μm∕min， 而泥漿高度達到21.1 cm時， 沉降速率為866 μm∕min， 是前者的54 倍。 泥漿高度繼續(xù)升高， 沉降速率趨于穩(wěn)定，泥漿高度對沉降速率的影響較小。 沉降階段持續(xù)時間與泥漿高度的關系見圖5b)， 沉降階段持續(xù)時間與泥漿高度呈正相關， 表明同為阻礙沉降的情況下， 初始含水率相等而初始高度不等的各沉降柱內(nèi)土顆粒形成的集合體的大小基本相等， 短暫的絮凝階段過后， 各沉降柱內(nèi)集合體以基本相等的速率下沉， 沉降階段持續(xù)時間與沉降距離呈正相關。

圖5 泥面沉降速率、 沉降時間與泥漿高度的關系

以上分析可知， 在本次試驗范圍內(nèi)， 當泥漿高度達到21.1 cm 后， 泥漿沉降速率基本恒定，不再受泥漿高度的影響， 而泥漿高度越高， 沉降路線越長， 沉降階段持續(xù)時間越久。 固結沉降沒有快速沉降階段， 泥面沉降速率較小。

2.3 泥漿高度對于沉積物平均含水率的影響

Imai[14]定義固結階段開始時刻沉積物平均含水率為平衡含水率。 對于阻礙沉降， 沉降曲線上除絮凝結束點的第1 個轉(zhuǎn)折點為沉降階段結束、固結階段開始時刻， 如圖4b)中曲線II 上B點所示； 對于固結沉降， 由于不存在沉降階段， 泥漿經(jīng)絮凝后直接開始固結， 因此定義絮凝階段結束時刻為固結階段開始時刻， 如圖6 中A點所示。固結階段開始時刻是土顆粒構成的集合體相互接觸、 土體結構形成的開始點， 研究該點的土體狀態(tài)， 有利于了解疏浚淤泥堆場中沉降最快的階段可抽出的最多水量和后續(xù)可吹填的淤泥量[15]。

圖6 固結沉降固結階段開始時刻

圖7 泥漿高度與平衡含水率的關系

Imai 在研究中指出， 自重沉積過程中， 超靜孔隙水壓力在泥漿的自重作用下逐漸消散， 當沉降曲線在時間對數(shù)坐標上趨于水平時， 泥漿固結完成， 如圖4a)中的C點和D點， 定義此時沉積物的平均含水率為穩(wěn)定含水率。

圖8 泥漿高度與穩(wěn)定含水率的關系

Imai 還認為， 固結完成后的淤泥具有了土體結構， 能夠承受一定的外部荷載。 泥漿高度越高，泥漿中的有效應力越大，越小。 由試驗結果可知， 當泥漿高度小于40.6 cm 時， 隨著有效應力的增加， 集合體之間的孔隙被壓縮， 土的結構并未破壞， 因此受泥漿高度的影響明顯； 而當泥漿高度大于40.6 cm 后， 絮團之間的孔隙被壓縮，土體結構破壞， 因此，基本不再隨自重應力的增加而減小，受泥漿高度的影響減小。

3 結論

1)在相同初始含水率情況下， 較低的泥漿高度易于發(fā)生固結沉降， 而較高的泥漿高度易于發(fā)生阻礙沉降。 在本試驗條件下， 泥漿高度達到40.6 cm 后， 泥漿高度對于沉降模式不再產(chǎn)生影響。

2)泥漿高度大于21.1 cm 后， 沉降速率受泥漿高度的影響較小； 沉降階段持續(xù)時間與泥漿高度呈正相關。

3)當泥漿高度達到40.6 cm 后， 沉積物含水率趨于穩(wěn)定， 泥漿高度對沉積規(guī)律的影響較小。