疏浚吹填工程中潛在酸性硫酸鹽土體調(diào)查與處置措施

鄭劍飛，衛(wèi)德，黃國林

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

東帝汶帝巴灣新集裝箱碼頭疏浚吹填工程主要內(nèi)容為基建性港池疏浚及碼頭后方堆場吹填造陸，經(jīng)對項目前期招標(biāo)技術(shù)文件的研究，發(fā)現(xiàn)疏浚區(qū)內(nèi)可能存在大量潛在酸性硫酸鹽土，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求高，有效解決絞吸船疏浚吹填過程中潛在酸土的酸害問題成為項目成功的關(guān)鍵，同時也能為今后類似項目的實施提供有力的理論和技術(shù)支撐。

1 項目地形及周邊環(huán)境

東帝汶帝巴灣新集裝箱碼頭疏浚吹填工程位于首都帝力市西側(cè)10 km，地理坐標(biāo)為南緯8°34′，東經(jīng)125°34′，全年無寒暑交替，屬于典型熱帶雨林氣候。帝巴灣三面環(huán)山、北側(cè)臨海，經(jīng)港池區(qū)疏浚吹填后將成為深水良港，疏浚區(qū)地形為珊瑚砂礁盤及潟湖區(qū)，右側(cè)為潮汐帶紅樹林棲息地。

在熱帶高溫多雨氣候條件下紅樹林生長旺盛，生物積累作用強烈。當(dāng)紅樹林枯枝落葉歸還土壤或紅樹林殘體被埋藏分解后，大量的硫進(jìn)入土壤并分解形成黃鐵礦[1]。熱帶地區(qū)沿岸潛在硫酸鹽土主要發(fā)育于紅樹林下，東帝汶帝巴灣東側(cè)為紅樹林棲息地，雖然近年來受到當(dāng)?shù)卮迕窨撤テ涿娣e已大幅度減少，但長久以來大量的紅樹林殘體隨雨季山洪及河流沖刷進(jìn)入疏浚區(qū)，造成疏浚區(qū)形成潛在酸性硫酸鹽土。

在疏浚吹填施工中，潛在酸性硫酸鹽土經(jīng)疏浚吹填后上岸，暴露于大氣中，經(jīng)熱帶陽光曝曬其表層土體極易氧化釋放強酸（主要為硫酸）導(dǎo)致土體中的金屬元素溶解度增加，濃度提高至毒性水平，在降雨沖刷下，富含金屬元素的酸性水將對吹填區(qū)周邊及下游水質(zhì)造成嚴(yán)重污染[2]，對水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅。另一方面，因其深層土料無法充分暴露，其氧化酸化速率極為緩慢，在地基處理施工完成后，仍將繼續(xù)氧化產(chǎn)酸，導(dǎo)致土料中碳酸鈣顆粒溶解[3]，易使回填區(qū)發(fā)生地基沉降；同時酸性硫酸鹽土中的硫酸易使金屬建筑材料腐蝕，與混凝土材料反應(yīng)形成石膏等物質(zhì)使體積膨脹，影響混凝土的性能[4]。因此，在高承載力地基用地的回填施工中，需特別注意消除酸性硫酸鹽土的危害。

2 潛在酸性硫酸鹽土體的調(diào)查與分析

2.1 疏浚區(qū)分區(qū)與潛在酸土取樣鉆孔布設(shè)

經(jīng)分析東帝汶帝巴灣地形及潛在酸性硫酸鹽土形成原因，將疏浚區(qū)劃分為A、B、C、D、E五塊分區(qū)，其中A、B、C、D 為珊瑚砂礁盤區(qū)、E 區(qū)為潟湖區(qū)。疏浚區(qū)潛在酸性硫酸鹽土取樣鉆孔分布如圖1 所示。

圖1 疏浚區(qū)潛在酸性硫酸鹽土取樣鉆孔分布Fig.1 Distribution of sampling boreholes for potential acidic sulphate soil in dredging area

經(jīng)初步判斷，由于疏浚C 區(qū)為珊瑚砂礁盤區(qū)，形成年代較為久遠(yuǎn)，近代紅樹林沉積物受山洪沖刷應(yīng)大部分淤積在潟湖疏浚E 區(qū)，因此在疏浚區(qū)布置潛在酸土取樣鉆孔ST01~ ST07，由于ST04、ST07 號鉆孔位于潟湖區(qū)，土質(zhì)為淤泥質(zhì)，土質(zhì)不符合吹填料要求，不對其進(jìn)行相應(yīng)試驗分析。

2.2 疏浚土潛在酸度及中和能力檢測

1） SPOCAS 試驗

本項目疏浚A、B、C、D 區(qū)為珊瑚砂質(zhì)土富含CaCO3，因此需對疏浚土樣本進(jìn)行SPOCAS 試驗（Suspension Peroxide Oxidation Combined Acidity and Sulfur method，懸浮過氧化物氧化酸硫聯(lián)合法）以測定土樣中的潛在酸性硫酸鹽土完全氧化后的凈酸度及土樣中CaCO3含量，以評價土體的自我中和能力及處置方式。

2）疏浚土理論中和能力分析

碳酸鈣對酸性硫酸鹽土中氫離子的中和反應(yīng)如下：

1 mol 碳酸鈣（100 g）理論可中和2 mol 氫離子，但上述反應(yīng)式為理想反應(yīng)式，在實際反應(yīng)時，需有水的參與使反應(yīng)向右進(jìn)行，實際反應(yīng)式為：

經(jīng)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，各鉆孔土樣的碳酸鈣含量及理論酸中和容量檢測情況見表1。

表1 疏浚土樣還原態(tài)硫含量、凈酸度及酸中和容量統(tǒng)計Table 1 Statistics of reduced sulfur content,net acidity and acid neutralization capacity of dredged soil samples

在滴定過程中經(jīng)常觀察到在土壤懸浮液中形成的藍(lán)綠色沉淀物，可能由一種復(fù)雜的氧化亞鐵/氫氧化鐵組成。在充分氧化后測定其最大凈酸度，黃鐵礦氧化反應(yīng)式（1 mol FeS2氧化產(chǎn)生4 mol H+，1 mol FeS2=120 g）：

經(jīng)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算，ST01~ST07 還原態(tài)硫含量及潛在酸度檢測情況如表1 所示。從6 個孔的取樣情況看其酸中和容量均遠(yuǎn)大于其潛在酸度，證明現(xiàn)場的疏浚土中的潛在酸性可被珊瑚砂完全中和。

為探求珊瑚砂與潛在酸性硫酸鹽土完全中和（完全氧化后pH≥6.5）的最佳配比，使用不同比例的珊瑚砂中和酸性硫酸鹽土，由圖2，在珊瑚砂與潛在酸性硫酸鹽土質(zhì)量比例為1∶100（Ca∶S≈2∶5）的比例下，氧化產(chǎn)物的pH 值在30 min 后達(dá)到穩(wěn)定，pH 值穩(wěn)定在5.0，較原狀土3.2 的pH 值提升效果非常明顯，在珊瑚砂與酸性土質(zhì)量比達(dá)到 9 ∶100（Ca ∶S≈18 ∶5）時，潛在酸性硫酸鹽土的完全氧化時的pH 值達(dá)到6.5，滿足東帝汶現(xiàn)場疏浚土處置要求。

圖2 不同珊瑚砂添加比例對氧化后pH 值的影響Fig.2 The effect of different coral sand addition ratio on pH after oxidation

3）疏浚土有效中和能力分析

根據(jù)疏浚施工區(qū)土樣分析結(jié)果，原狀土理論酸中和容量大幅超過潛在酸度，但在實際中和過程中，受碳酸鈣粒徑影響，有效酸中和容量與理論值存在顯著差異，特征為碳酸鈣粒徑越大，有效酸中和容量越小[5]。

通過對不同粒徑珊瑚砂（珊瑚砂與酸性土的質(zhì)量比均為 1∶50，即 Ca∶S≈4∶5）的中和能力探究（圖3、圖4）可以發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂與酸性土同步混合的情況下，隨著珊瑚砂粒徑的增大，pH 值的總體趨勢呈現(xiàn)下降的速率變快的特點，在珊瑚砂粒徑為0.15 mm（100 目）時顯示出最佳中和效果，粒徑與中和能力的關(guān)系并不是單純的粒徑越小中和能力越強，對于酸性土而言可能涉及到中和材料粒徑與土壤顆粒[6]是否相互匹配的情況。在中值粒徑（0.5 mm）時的 pH 值較粒徑 0.27 mm 時的 pH 值有大幅下降，最終pH 值穩(wěn)定在5.35 左右。隨著粒徑繼續(xù)增大，pH 值下降速率更快，粒徑變?yōu)?~4 mm 時，終點pH 值為4.27。通過對酸性土先氧化再中和試驗顯示（珊瑚砂與酸性土的質(zhì)量比為1∶50，珊瑚砂添加量為0.1 g），隨著粒徑增大，珊瑚砂的中和能力和中和速率均呈現(xiàn)下降趨勢。

圖3 不同中和材料粒徑中和性能測試Fig.3 The particle size neutralization performance test of different neutralizing materials

圖4 不同粒徑珊瑚砂先氧化再中和試驗Fig.4 Test of coral sand with different particle sizes oxidized before neutralization

綜上所述，珊瑚砂的中和酸性土能力與粒徑有很大關(guān)系，總的來說粒徑越小，中和能力越強，在0.15 mm 時有最佳效果，當(dāng)粒徑超過0.27 mm時，珊瑚砂對酸性土仍具有中和效果，在中值粒徑0.5 mm 時的中和能力較0.27 mm 以下的珊瑚砂下降了20%，當(dāng)粒徑增大至3~4 mm 時，中和能力下降50%。從混合方式看，先氧化后中和最終的pH 值均高于同步混合的pH 值，由此說明先氧化后中和可以使硫酸更好地與中和材料反應(yīng)。因此，需對現(xiàn)場疏浚土樣進(jìn)行PSD 實驗，明確疏浚土大致粒徑分布，計算有效中和能力，各鉆孔土樣的原狀土粒徑分布情況見表2。

表2 土樣粒徑分布統(tǒng)計Table 2 Statistics of particle size distribution of soil samples%

根據(jù)上述碳酸鈣有效酸中和容量比例和土樣粒徑分析結(jié)果，本項目對土樣的酸中和容量進(jìn)行修正，經(jīng)檢測與計算，5 個鉆孔共111 份土樣的有效酸中和容量與潛在酸度的比值為3.1~100.6，遠(yuǎn)超要求的安全系數(shù)（1.5）。因此，根據(jù)原狀土還原性硫及碳酸鈣含量檢測分析結(jié)果，東帝汶帝巴灣疏?；靥罟こ讨械暮细窳希ㄉ汉魃埃┦杩^(qū)，珊瑚砂中碳酸鈣含量完全滿足潛在酸性硫酸鹽土的中和要求。

3 潛在酸性硫酸鹽土體處置措施

鑒于疏浚吹填施工均為工程量巨大的土方工程，應(yīng)盡力避免大量潛在酸性土壤酸化風(fēng)險，針對帝巴灣項目存在的潛在酸性硫酸鹽土的具體措施如下：

1）針對于疏浚E 區(qū)潟湖區(qū)疏浚土主要為紅樹林殘體及淤泥質(zhì)土，含潛在酸性硫酸鹽土且土體無珊瑚砂（鈣質(zhì)砂）不具備自我中和能力，不滿足吹填料質(zhì)量需求。吹填造陸后土體易酸化造成環(huán)境污染，作為棄土處置。棄土方式采用絞吸挖泥船挖掘并管道輸送至項目指定的海上拋泥區(qū)，排泥出口布置于水下12 m，降低對周邊水質(zhì)影響并可避免輸送過程中與大氣接觸。

2） 鑒于上述SPOCAS 實驗數(shù)據(jù)分析，疏浚A、B、C、D 區(qū)主要為珊瑚砂質(zhì)土，土體自我中和能力強，疏浚土作吹填料處置，采用絞吸船吹填上岸進(jìn)行造陸施工，具體措施如下。

①由于疏浚吹填過程中，將會對原珊瑚砂層破碎輸送重組，并伴有吹填料流失，實際進(jìn)入吹填區(qū)的潛在酸性硫酸鹽土含量將會減少，珊瑚砂粒徑分布也將與原疏浚區(qū)取樣有所區(qū)別，因此需分區(qū)分層吹填（圖5）以避免潛在酸性硫酸鹽土局部匯集，造成后期處置難度。

圖5 分層吹填進(jìn)展Fig.5 Progress of stratified reclaiming

②加強吹填過程中土體的過氧化pH 值監(jiān)控，確保符合環(huán)保質(zhì)量要求，對部分不符合要求的區(qū)域采取水力沖填加大流失或機械推散拌合等手段，控制潛在酸土含量占比。

③碾壓破碎部分珊瑚砂以作為備用拌合料，為后期局部區(qū)域的深層拌合處置做好準(zhǔn)備。

4 吹填成陸后的土體酸度檢測

吹填土酸度監(jiān)測包括原位酸度（pHF）檢測和經(jīng)過氧化氫氧化后的酸度（pHFOX）檢測。經(jīng)檢測的pHF 值應(yīng)≥6，pHFOX 值應(yīng)≥5。珊瑚砂采用分層吹填成陸，當(dāng)吹填高度>0 m 時開始取樣檢測，根據(jù)吹填施工進(jìn)度分層取樣，取樣檢測頻率為每吹填250 m3干砂檢測1 次，于典型吹填料中人工取樣。每份樣品質(zhì)量為200 g，現(xiàn)場采用ADWA pH 檢測儀測定土樣酸度。

現(xiàn)場檢測方法為[7]：取樣品置于量杯中，加水充分混合并沉淀，20 min 后采用pH 檢測儀測定上清液酸度，獲取吹填土原位酸度pHF；取樣品置于量杯中，加20%濃度過氧化氫溶液充分混合并沉淀，40 min 后采用pH 檢測儀測定上清液酸度，獲取吹填土氧化后的酸度pHFOX?，F(xiàn)場測定時，土樣與水或過氧化氫溶液體積比采用1∶3，根據(jù)上清液酸度計算土樣實際酸度：

pH土樣=pH上清液-lg 4=pH上清液-0.602 0

實際吹填施工時，共取樣472 組。經(jīng)現(xiàn)場實測，0 m 以上吹填土的原位酸度pHF 為8.1~9.4，滿足環(huán)境限值6 的要求；經(jīng)過氧化氫氧化后的酸度pHFOX 為6.9~9.7，僅1 個樣品實測值為4.7，滿足環(huán)境限值5 的要求。

5 結(jié)語

在熱帶地區(qū)紅樹林棲息地周邊疏浚吹填含潛在酸性硫酸鹽土體時，應(yīng)根據(jù)土體特性及潛在酸性硫酸鹽的總量、環(huán)境允許極限、處置措施可行性、工期及經(jīng)濟效益等[8]，綜合規(guī)劃疏浚土的處置。對于土料中還原態(tài)硫含量較高或土的自身酸中和容量不足時，采用以下方法：

1）水下拋填：即采用耙吸船、抓斗船配合泥駁進(jìn)行水下拋填或絞吸船水下拋吹工藝。

2）添加中和料：①中和料因地取材，推薦采用碳酸鈣（石灰石）或珊瑚砂，因中和料有效中和容量與粒徑負(fù)相關(guān)，故中和料應(yīng)粉碎至0.5 mm以下。②中和料添加量應(yīng)以最低水位以上砂土的體積為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。通常珊瑚砂與疏浚土質(zhì)量比為 9 ∶100（Ca∶S=18∶5）時便可將潛在酸性硫酸鹽土的pH 值提升至6.5。③宜采取分區(qū)、分層吹填工藝降低分層吹填的厚度，便于采用陸上機械將中和料與土料攪拌均勻，同時增加土內(nèi)氧氣含量，加速潛在酸性硫酸鹽土的氧化過程，提高中和速度。