大尺寸三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)淤泥能耗特性

鄭若璇，孫秀麗，王 渝，金 勛，郁秦杰，劉文化

（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院, 江蘇 無錫 214122）

近二十年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國大量建筑拔地而起，尤其在我國的東南沿海及珠江三角洲地區(qū)，由于城市建設(shè)用地緊缺，填海造陸、灘涂開發(fā)、軟土地基加固等引起了人們的廣泛關(guān)注。大型工程建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展要求，催生了地基處理新技術(shù)的發(fā)展，我國在復(fù)合地基技術(shù)、真空預(yù)壓技術(shù)、強(qiáng)夯技術(shù)、島礁填筑技術(shù)等方面已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平[1]。電滲固結(jié)法作為一種幾乎不受水力滲透系數(shù)影響只受電滲透系數(shù)影響的排水固結(jié)方式，排水固結(jié)速度快、效果好且能夠深入到軟土深層，在處理深厚軟土地基時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)[2]。

目前對(duì)電滲法的研究多與其他地基處理方法聯(lián)合使用，如堆載預(yù)壓法[3?5]、真空預(yù)壓法[6?9]、電化學(xué)法[10?11]等，以解決單一方法的局限性[3?5]。但目前對(duì)于電滲固結(jié)法的研究多停留在室內(nèi)研究，在實(shí)際工程中未得到廣泛的應(yīng)用，這主要受制于電滲固結(jié)法的高耗能及大尺寸模擬困難等問題。

為解決電滲固結(jié)法的高耗能問題，許多學(xué)者在電滲固結(jié)法理論基礎(chǔ)上[12?14]提出改善電滲固結(jié)技術(shù)的方法，主要集中在電極材料、電極布置方式、通電方式等方面的改變。選擇不同的電極材料如鐵、銅、不銹鋼等金屬材料和石墨電極、鈦電極等惰性電極材料，均在電滲過程中有著不同的效果，在電滲過程中選擇與試驗(yàn)條件合適的電極材料尤為重要[15?17]；除金屬電極外，電動(dòng)土工合成材料電極（EKG電極）也得到了很多專家學(xué)者的關(guān)注，EKG電極將電滲技術(shù)和土工合成材料應(yīng)用相結(jié)合，制成一種能夠?qū)щ姷耐凉ず铣刹牧?可以消除或減弱傳統(tǒng)電滲法采用金屬電極帶來的電蝕問題，同時(shí)可以加速孔壓消散，加速土體固結(jié)等[18?20]。不同的電極布置形式如梅花形、正六邊形、平行布置等對(duì)電滲效率有著不同程度的影響，選擇合適的電極間距及電勢(shì)梯度能夠降低能耗、節(jié)約成本[21?22]。不同的通電方式如間歇通電、逐級(jí)加載、電極反轉(zhuǎn)等，具有各自不同的優(yōu)勢(shì)，如間歇通電的優(yōu)勢(shì)在于可以節(jié)約能耗，逐級(jí)加載的優(yōu)勢(shì)在于提高最終土體的抗剪強(qiáng)度和固結(jié)度，電極反轉(zhuǎn)的優(yōu)勢(shì)在于可使電滲后的土體含水更加均勻[23?25]。

室內(nèi)小尺寸試驗(yàn)存在尺寸效應(yīng)，致使大尺寸模擬困難[26]。研究發(fā)現(xiàn)，裂縫發(fā)展的巨大差異是導(dǎo)致單純電滲模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)情況差別較大的原因，適當(dāng)進(jìn)行堆載可消除幾何邊界引起的尺寸效應(yīng)[27]。也有學(xué)者進(jìn)行了電滲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中的最佳施加電壓，以及與真空預(yù)壓聯(lián)合使用時(shí)排水板的最佳排布形式[28?29]。

為解決目前電滲固結(jié)法的高能耗及大尺寸模擬困難等問題，本研究在電滲理論和固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)低滲透性、高含水量土體的三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)思想，自行研制了一套結(jié)合陰極、集水、排水的多功能集排水系統(tǒng)，排水方式采用更加節(jié)約能耗的間歇式抽水方式。三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)系統(tǒng)可以大大降低土體含水率、大幅度降低能耗、提高電滲效率，可為實(shí)際工程提供可靠的數(shù)據(jù)支持和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

為驗(yàn)證三維電動(dòng)-水力聯(lián)合電滲系統(tǒng)的節(jié)能效果，采用2種不同的太湖底泥進(jìn)行試驗(yàn)。太湖底泥的采集地點(diǎn)及物理性質(zhì)見表1。試驗(yàn)前去除土體內(nèi)雜質(zhì)，烘干、碾碎、過2 mm篩，配置成55%含水率的土樣，用于電滲試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)所用土體采集地點(diǎn)及物理性質(zhì)Table 1 Sampling location and physical properties of soil used in the test

1.2 試驗(yàn)裝置及步驟

1.2.1 三維試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)裝置

電動(dòng)-水力滲透三維固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)由電滲槽、多功能集水井、電源、數(shù)據(jù)采集裝置、抽水泵等部分組成，見圖1。

圖1 三維電動(dòng)-水力滲流固結(jié)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D electric-hydraulic seepage consolidation device

電滲槽為有機(jī)玻璃箱，內(nèi)部尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，厚度為1 cm，頂部開口。陽極為寬度10 cm、高度25 cm的角鋼，分布在四角。陰極-集水-排水裝置由陰極排水管、集水井、防堵塞裝置3部分組成。陰極排水管采用圓柱形鍍釕銥鈦管，外徑3.8 cm，長(zhǎng)35 cm，管內(nèi)填充由土工布包裹的碎石，防止堵塞，并可增加抽水液面高度，增強(qiáng)抽水效果；集水井采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯薄片，井壁上均勻分布直徑1 cm的圓孔，便于土中水滲流進(jìn)入集水井內(nèi)；在井壁外側(cè)包裹濾紙和廢棄鋼絲，用作過濾和防堵塞裝置。本試驗(yàn)使用抽水泵進(jìn)行間歇式抽水，即周期性關(guān)閉電源，斷電后進(jìn)行抽水，抽水結(jié)束后再繼續(xù)通電進(jìn)行電滲，抽水與電滲不同時(shí)進(jìn)行。

本試驗(yàn)電路為并聯(lián)電路，電源正極連接4個(gè)陽極板，負(fù)極連接陰極管。電滲過程中排出的水分匯集于集水井，再通過抽水泵定時(shí)抽出陰極管中的水，抽水時(shí)間間隔為8 h。將電流采集模塊（8路熱電阻模塊，型號(hào)為JF-8PT100-4-003）和電勢(shì)采集模塊（24路全隔離直流電壓采集模塊，型號(hào)為ZH-44241-14F2）連接計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)，采集電滲過程中的電流和電勢(shì)差。

（2）試驗(yàn)步驟

三維試驗(yàn)步驟具體如下：

①將陽極板安裝到四角處；

②在裝置內(nèi)部四壁上涂抹凡士林，減小邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

③將配置好的土樣分層填入裝置內(nèi)，每層填入后對(duì)裝置進(jìn)行振搗以排出氣泡，并將土體高度控制在25 cm，與陽極板齊平；

④將集水井放置在土樣中間，盡量靠近裝置底部，同時(shí)上部高于土體，防止土體進(jìn)入集水井；

⑤連接電路和電流、電壓等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，之后開始試驗(yàn)。

1.2.2 一維試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)裝置

一維電滲試驗(yàn)裝置由土樣室、集水槽、電源、電流和電勢(shì)采集系統(tǒng)、攝像頭等組成，見圖2。土樣室為20 cm×10 cm×13 cm的有機(jī)玻璃槽；土樣室與尺寸為3 cm×10 cm×13 cm的集水槽相連，并用直徑為1 cm孔洞的有機(jī)玻璃隔板隔開。集水槽側(cè)壁開有小孔，用橡膠管將水引入量筒，并采用攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控排水?dāng)?shù)據(jù)。陰陽極電極板尺寸均為10 cm×10 cm，陽極采用鍍釕銥高純鈦板，陰極采用高純鈦網(wǎng)。一維試驗(yàn)的采集設(shè)備與三維試驗(yàn)相同。

圖2 一維試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of 1D test device

（2）試驗(yàn)步驟

一維試驗(yàn)步驟具體如下：

①在陰極板外側(cè)、帶有孔洞的間隔板上鋪設(shè)濾紙，阻止土顆粒進(jìn)入集水槽，隨后將陰陽極板放入到裝置中；

②電滲槽內(nèi)涂抹凡士林，減小邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；

③將配置好的土樣分層填入裝置內(nèi)，每層填入后對(duì)裝置進(jìn)行振搗以排出氣泡，土樣高度控制在10 cm，與陰陽極板齊平；

④連接電路和電流、電壓等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，之后開始試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證三維電滲裝置對(duì)不同土體的效用，使用三維電滲裝置對(duì)1號(hào)太湖底泥和2號(hào)太湖底泥進(jìn)行了電滲試驗(yàn)（S1、C1），并設(shè)置了一維電滲試驗(yàn)作為對(duì)比試驗(yàn)（C2），各組試驗(yàn)條件見表2。

表2 試驗(yàn)條件Table 2 Test conditions

2 三維滲流裝置原理

三維電動(dòng)-水力滲流固結(jié)裝置起到水力滲流及電滲流的協(xié)同作用。集水井-陰極管-間歇式抽水組合設(shè)計(jì)，在抽水后，陽極和陰極區(qū)存在水頭差，實(shí)現(xiàn)三維水力滲流。另外，在電勢(shì)差的作用下，水流在水平方向流動(dòng)的同時(shí)在豎直方向產(chǎn)生流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三維電動(dòng)-水力協(xié)同滲流作用。滲流過程見圖3。

圖3 三維滲流示意圖Fig.3 Seepage diagram of 3D electroosmosis

從理論上，電滲試驗(yàn)過程中的電滲流量可以通過電滲流流量公式計(jì)算得出：

式中：qe——電滲流總流量/（m·s-1）；

Ke——電滲透系數(shù)/（m2·s?1·V?1）；

ie——電勢(shì)梯度/（V·m?1）；

A——滲流的面積/m2；

ζ——zeta電位/mV；

ε——介電常數(shù)/（F·m?1）；

η——黏滯系數(shù)/（N·s·m?2）；

n——土壤孔隙率/%；

?V——電勢(shì)差/V；

L——電流路徑長(zhǎng)度/m。

圖4 傳統(tǒng)一維滲流示意圖Fig.4 Horizontal seepage diagram of 1D electroosmosis

3 結(jié)果與討論

3.1 三維和一維電滲電流

一維電滲在排水終止時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)45 h。三維電滲試驗(yàn)的體量較大、時(shí)間較長(zhǎng)，為了便于比較，選擇S1與C1排水量大致相同的節(jié)點(diǎn)作為試驗(yàn)結(jié)束的時(shí)間。試驗(yàn)進(jìn)行至80 h時(shí)C1排水基本結(jié)束，此時(shí)S1與C1排水量基本相同，因此，在80 h終止S1試驗(yàn)。

圖5為C2、S1和C1試驗(yàn)電流隨時(shí)間的關(guān)系。如圖5（a）所示，一維電滲試驗(yàn)C2的電流值隨時(shí)間逐漸減小，C2的電流最大值為254 mA，最小值為39 mA。這是因?yàn)椋谠囼?yàn)過程中，水分子和陽離子結(jié)合形成水化陽離子，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水分和水化陽離子隨著電流逐漸排出，系統(tǒng)內(nèi)總電阻值隨之逐漸增大。由歐姆定律可知，輸入電壓保持不變的情況下，由于系統(tǒng)內(nèi)總電阻增大，電流值減小。

圖5 電滲過程中電流值Fig.5 Current values during electroosmosis

如圖5（b）（c）所示，S1 和 C1 的電流在試驗(yàn)過程中由于間歇式抽水，表現(xiàn)出重復(fù)減小——增大的現(xiàn)象。S1電流的低值點(diǎn)幾乎相等，維持在840 mA左右，高值點(diǎn)逐漸降低，最高值達(dá)到1 947 mA；而C1電流的高值點(diǎn)和低值點(diǎn)均逐漸降低，最高值為1 557 mA，最低值為513 mA。

電滲開始后至第1次抽水前，S1、C1電流值均逐漸減小，這是由于電滲時(shí)間較短，水分和水化陽離子僅在土體內(nèi)遷移，還未積聚到集水井中，系統(tǒng)內(nèi)總電阻增大導(dǎo)致電流值減?。挥捎谒菍?dǎo)體，電阻率極小，土體中的水分向陰極遷移并開始在集水井中積聚后，系統(tǒng)中的總電阻逐漸減小，電流值隨之逐漸增大。每8 h抽水1次，每次抽水后電阻值增大、電流值驟減，而隨著電滲的進(jìn)行，水再次遷移至陰極集水井中，電流值再次逐漸增大。

每次抽水之后的電流最高值隨著排水次數(shù)的增加而逐漸減小，這是由于隨著土體中水分和水化陽離子的排出，系統(tǒng)內(nèi)總電阻逐漸增大，導(dǎo)致其電流值逐漸減小。由于2種太湖底泥取自不同地點(diǎn)，S1中的有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的水分無法排出，因此，電流最低值幾乎保持不變，且電流值高于C1。

根據(jù)ESRIG[30]的理論，電滲排水速率為：

式中： υe——電滲排水速率/（m·s?1）；

Ke——土體的電滲透系數(shù)/（m2·s?1·V?1）；

Et——施加在陰陽極之間的電壓/V；

S——通過水流或電流的土體截面面積/m2。

將式（4）中的電勢(shì)差用電流強(qiáng)度代替：

式中： ρ1——土體的電阻率/（Ω·m）；

I——電滲流系統(tǒng)中的總電流/A。

由式（5）可知，系統(tǒng)內(nèi)電流值越大排水速率越高。三維電滲集水井的設(shè)計(jì)使土中向陰極遷移的水聚集在集水井中，使得系統(tǒng)內(nèi)電流保持在較高的范圍，這是本系統(tǒng)固結(jié)效率較高的重要原因之一。三維協(xié)同電滲系統(tǒng)為并聯(lián)電路，試驗(yàn)電流值始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)一維電滲試驗(yàn)電流，這是該系統(tǒng)電滲效率始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一維電滲的又一重要原因。

3.2 三維和一維電滲試驗(yàn)排水量

由圖5（a）可知，試驗(yàn)過程中一維電滲試驗(yàn)C2的電流值逐漸減小，電滲效率逐漸降低，導(dǎo)致其排水速率逐漸減緩，在45 h時(shí)排水完全停止，最終排水量為314 mL。由圖5（b）可知，S1第3次抽水后的電流值維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，因此其80 h內(nèi)排水速率變化幅度較小，排水穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。C1的初始電流值高于S1，因此前期電滲過程中排水速率較快，但由于后期電流值在每次抽水后逐漸減小，排水速率減緩，排水穩(wěn)定時(shí)間較短，C1在80 h時(shí)排水基本停止，且在80 h時(shí)排出了幾乎等量的水。試驗(yàn)80 h時(shí)S1和C1的最大排水量分別為6 483 mL和6 433 mL。各試驗(yàn)排水量變化情況見圖6（a）。

圖6 電滲過程中排水量和總能耗Fig.6 Displacement and total energy consumption during electroosmosis

3.3 三維和一維電滲試驗(yàn)?zāi)芎?/h3>

3.3.1 電滲過程中總能耗

電滲過程中的總能耗采用電流和電壓對(duì)時(shí)間的積分進(jìn)行計(jì)算：

式中：E——電滲過程中的總能耗/（W·h）；

U——電滲過程中的施加電壓/V；

t——電滲時(shí)間/h。

三維試驗(yàn)時(shí)使用抽水泵抽水，抽水泵會(huì)消耗一定能量：

式中：W——抽水泵所消耗能量/（W·h）；

P——抽水泵的功率/W；

tp——抽水泵的使用時(shí)間/h。

本試驗(yàn)采用的抽水方式為間歇式抽水，每次時(shí)間較短，大約為3 min，抽水泵功率為150 W，三維電滲時(shí)每組試驗(yàn)共抽水10次，抽水消耗總電能為7.5 W·h。

S1電滲總能耗為2 602.82 W·h，與抽水消耗總電能相加總和為2 610.32 W·h；C1電滲總能耗為2 488.17 W·h，與抽水消耗總電能相加總和為 2 495.67 W·h ；C2總能耗為117.23 W·h，三維電滲試驗(yàn)的總能耗均為傳統(tǒng)一維電滲試驗(yàn)的20倍左右，能耗之間的巨大差異主要由于三維試驗(yàn)與一維試驗(yàn)的體量相差較大。由圖6（b）可知，3種試驗(yàn)條件電滲過程中的總能耗均呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。

由于三維電滲系統(tǒng)的間歇式抽水使電流出現(xiàn)周期性減小——增大的現(xiàn)象，因此能耗在抽水前后出現(xiàn)波動(dòng)，圖7以S1為例示意了這種變化。由式（6）可知，在電源輸入總電壓不變的情況下，總能耗值只與電流值有關(guān)。抽水后至下一次抽水前，能耗的增長(zhǎng)速率呈逐漸增大的趨勢(shì)；抽水后，由于電流值驟然變小，能耗的增長(zhǎng)速率驟然降低，其后再次逐漸增大，導(dǎo)致能耗增長(zhǎng)速率波動(dòng)。抽水后能耗增長(zhǎng)率驟然降低，說明三維電滲裝置中多功能集水井的應(yīng)用及間歇式抽水設(shè)計(jì)有利于電滲過程中總能耗的降低，有利于提升電滲效率。

圖7 S1、C1工況抽水點(diǎn)能耗變化示意圖(以S1為例)Fig.7 Schematic diagram of energy consumption change at pumping point in S1 and C1 (Take S1 as an example)

3.3.2 平均能耗

三維電滲試驗(yàn)與一維電滲試驗(yàn)的體積和排水量均相差較大，為使能耗的對(duì)比更加準(zhǔn)確，計(jì)算了2種試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組試驗(yàn)的平均能耗：?jiǎn)挝惑w積排水能耗Ev，即每單位體積土體（1 m3）排水所消耗的平均能耗；單位體積單位排水量能耗Edv，即每單位體積土體（1 m3）排出單位排水量的水（1 mL）所消耗的平均能耗。計(jì)算方法為：

式中：V——土樣體積/m3；

Q——排水量/mL。

圖8為三組試驗(yàn)的Ev與Edv對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)S1和C1的Ev和Edv大致相同， C2的Ev與Edv分別為三維電滲試驗(yàn)的1.5倍、30倍左右。因此，本研究采用的三維電滲裝置單位能耗更低，電滲效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)一維電滲試驗(yàn)，且對(duì)于不同的土體均具有非常明顯的降低能耗的效果。

圖8 S1、C1和C2的Ev與EdvFig.8 Ev and Edv of S1, C1 and C2

需要說明的是，C1、C2試驗(yàn)在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)排水均已停止，計(jì)算Ev、Edv的時(shí)間節(jié)點(diǎn)均為排水結(jié)束時(shí)間，S1選取80 h，即取S1、C1兩組試驗(yàn)排水量大致相同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)S1的排水速率仍處于較高的狀態(tài)，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，排水量仍會(huì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，并且其能耗上升速率較慢。排水量上升速度快而能耗上升速度慢，S1的Ev與Edv仍會(huì)處于較低的水平，因此80 h時(shí)S1的計(jì)算結(jié)果能夠代表S1的最終結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）本研究采用的三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)一維和二維的電滲思路，采用環(huán)式布置電極，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電路，提高系統(tǒng)電流。采用間歇式抽水方式，抽水后電流降低，減少能耗，結(jié)合多功能集水井使井內(nèi)外形成水頭差，并使電流維持在一定范圍內(nèi)，將水力滲流和電滲流相結(jié)合，達(dá)到二者協(xié)同的三維滲流效果，提高了電滲效率、降低了能耗。

（2）土體種類相同的情況下，三維電滲裝置的單位體積排水能耗、單位體積單位排水量能耗分別為傳統(tǒng)一維電滲排水裝置的2/3和1/30左右，證明了三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)系統(tǒng)擁有降低能耗的作用，并且該三維固結(jié)系統(tǒng)對(duì)不同種類的土體具有相同的降低耗能的效果。

（3）大尺寸三維電動(dòng)-水力滲透協(xié)同固結(jié)系統(tǒng)可以解決電滲能耗高的關(guān)鍵問題，并且該裝置及工藝易于現(xiàn)場(chǎng)操作，本研究成果可為實(shí)際工程應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持和設(shè)計(jì)依據(jù)。