干灘河床淤泥淺層原位固化施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳偉，李小剛，周順萬，李勇

（1.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071；2.中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

針對年平均降雨量較小的西北城市，為保障河流的生態(tài)基流，部分河段修建攔河壩增加蓄水量；同時(shí)減緩了河道內(nèi)水流速度，極大地增加了淤泥在壩前河段的沉積。而大部分城市內(nèi)河兼有行洪、景觀、排污等多種功能[1]，在泥沙沉積過程中，將吸附大量生活廢水中的有機(jī)污染物，導(dǎo)致淤泥的成分十分復(fù)雜。在厭氧環(huán)境中，有機(jī)污染物逐漸被分解，并伴隨NH3、NH4-N、H2S 等釋放到水體中，成為水體的內(nèi)源污染。由于沉積特征和成分組成的不同，導(dǎo)致城市河道底泥與湖相、海相淤泥的性質(zhì)存在較大差異[2-3]，亟需研究河道受污染底泥的無害化、資源化處理處置技術(shù)，解決河道底泥的淤積和污染問題。

由于城市河道淤泥的含水率高、黏粒含量高、有機(jī)質(zhì)含量高等特點(diǎn)，國內(nèi)外已有大量學(xué)者從淤泥固化土的力學(xué)指標(biāo)[4-6]、環(huán)境影響[7-9]和固化工藝[10-11]等多角度開展了研究。劉青松等[4]進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明淤泥上覆固化土地基的極限承載力隨固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加呈指數(shù)增加的趨勢。夏威夷等[7]通過對比固化場地的浸出特性，結(jié)果表明原位固化場地重金屬浸出濃度大幅降低。章云等[10]開展原位固化施工的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明原位固化土場地承載力滿足要求。

本文采用原位固化工藝對河床淤泥進(jìn)行淺層固化處理，采用固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、靜力觸探等力學(xué)指標(biāo)，以及固化土浸出液的總磷、總氮、重金屬濃度等環(huán)境影響指標(biāo)，多角度論證了干灘河床淤泥淺層原位固化處理技術(shù)的可行性，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考建議。

1 工程概況

灞河是渭河的一級支流，全長104.1 km，平原段長度70.6 km。施工河段位于西安市，枯水期流量僅為17 m3/s。因此，采用導(dǎo)流明渠導(dǎo)排上游的常水頭徑流，形成干灘河床，為原位固化工程的實(shí)施創(chuàng)造條件。

工程施工河段南起廣運(yùn)潭溢流壩，北至1 號(hào)液壓壩，全長約2 645 m，河道平均寬度430 m，淤積區(qū)域總面積為816 278 m2。根據(jù)現(xiàn)場勘察情況，淤泥呈灰黑色，流塑，局部軟塑，以黏性土為主，味腥臭，屬高壓縮性土。淤泥的分布特征為西側(cè)厚，分布厚度在2.0～5.0 m；東側(cè)薄，分布厚度在0.3～2.0 m。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 工藝介紹

根據(jù)施工區(qū)域的淤泥性質(zhì)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的配合比，固化劑采用漿劑（水灰比為0.7）。施工過程中，固化劑通過螺旋輸送機(jī)輸送至制漿攪拌機(jī)，并與水混合后制成固化劑料漿；再通過泥漿泵將固化劑料漿輸送至原位攪拌設(shè)備的攪拌頭噴漿口。

攪拌施工工藝流程如下所述：1）攪拌頭對準(zhǔn)設(shè)計(jì)樁位后，攪拌設(shè)備采用直插式對淤泥進(jìn)行原位攪拌；2）攪拌設(shè)備正轉(zhuǎn)運(yùn)行緩慢下降攪拌頭并噴射固化劑料漿，直至達(dá)到固化設(shè)計(jì)高程；3）攪拌設(shè)備反轉(zhuǎn)運(yùn)行緩慢提升攪拌頭，直至達(dá)到原地面高程；重復(fù)上述步驟直至固化劑添加量達(dá)到設(shè)計(jì)使用量；4）上一區(qū)塊拌合燜料養(yǎng)護(hù)24 h 后，可鋪設(shè)鋼板作為下一區(qū)塊攪拌設(shè)備的支撐平臺(tái)，同時(shí)對該區(qū)塊起到預(yù)壓作用。具體的原位固化工藝示意圖見圖1。

圖1 原位固化工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-situ solidification process

2.2 試驗(yàn)方案

針對施工河段內(nèi)的淤泥成分復(fù)雜、厚度分布不均勻、存在污泥夾層的情況，在河道樁號(hào)K1+800—K2+000 內(nèi)，選取3 個(gè)矩形試驗(yàn)區(qū)（每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積為300 m2；為方便施工，將每個(gè)試驗(yàn)區(qū)分成10 個(gè)細(xì)分區(qū)塊，尺寸均為5 m×6 m）。其中，試驗(yàn)A 區(qū)、B 區(qū)和C 區(qū)的試驗(yàn)固化深度分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m；且每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取3 個(gè)細(xì)分區(qū)塊，固化劑設(shè)計(jì)摻量分別為3%、4%和5%。通過試驗(yàn)對比分析，確定適合該場地原位固化施工的配合比以及施工設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

2.2.1 配合比設(shè)計(jì)

由于施工區(qū)域淤泥成分復(fù)雜，性質(zhì)不均勻，固化效果難以判斷。針對每個(gè)分區(qū)，分別采用不同的固化劑摻量進(jìn)行配合比試驗(yàn)，具體配合比設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 各細(xì)分區(qū)塊的配合比設(shè)計(jì)表Table 1 Mixing ratio design of each sub-area

2.2.2 設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

由于固化劑摻量不同，需適時(shí)調(diào)整制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)[10-11]，以保證固化劑摻量的準(zhǔn)確度和攪拌的均勻性。固化劑輸送流量計(jì)算公式見式（1），具體設(shè)備調(diào)整參數(shù)如表2 所示。

表2 原位固化施工工藝設(shè)備參數(shù)表Table 2 Parameters of technological equipment for in-situ solidification

式中：Q 為輸送泵出漿流量，m3/h；r 為攪拌頭半徑，m；γ 為淤泥濕容重，kg/m3；α 為固化劑摻量，%；m 為水灰比；v 為攪拌頭升降速率，m/min；n為噴漿循環(huán)次數(shù)；ρ 為固化劑料漿容重，kg/m3。

3 檢測結(jié)果及分析

3.1 固化土強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)

圖2 為各試驗(yàn)區(qū)固化土28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比圖。其中各指標(biāo)的數(shù)值均為30～50 組土樣數(shù)據(jù)的平均值。

由圖2 可知，以試驗(yàn)C 區(qū)數(shù)據(jù)為例，固化劑摻量5%的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比摻量4%的平均增幅為71.3%，相比摻量3%的平均增幅為264%。這說明隨著固化劑摻量的增加，膠凝反應(yīng)物明顯增加，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯增加。結(jié)合式（1）和表2 可知，固化劑摻量越高，攪拌頭的轉(zhuǎn)速不變、升降速率降低，攪拌均勻性更好。由此可知，固化劑摻量和攪拌均勻性是影響原位固化施工質(zhì)量的2 個(gè)主要因素。

圖2 各試驗(yàn)區(qū)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比圖Fig.2 Comparison of unconfined compressive strength of solidified soil in test areas

對比各試驗(yàn)區(qū)不同固化深度的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可知，當(dāng)固化劑摻量為5%，固化深度為0.5 m、1.0 m 和2.0 m 時(shí)，固化土28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈非線性增長，分別為240.98 kPa、308.25 kPa 和375.43 kPa。這說明在固化劑摻量不變，攪拌頭提升速率一致的情況下，隨著設(shè)計(jì)固化深度的增加，噴漿循環(huán)次數(shù)增加，使得固化土的均勻性增加，固化效果更明顯。

3.2 靜力觸探試驗(yàn)

圖3 為各試驗(yàn)區(qū)固化土的Ps-Z 曲線圖。以試驗(yàn)C 區(qū)數(shù)據(jù)為例，固化劑摻量5%的固化土Ps值相比摻量4%的平均增幅為60.09%，相比摻量3%的平均增幅為304.29%。對比各試驗(yàn)區(qū)不同固化深度的Ps值可知，當(dāng)固化劑摻量為5%時(shí)，固化深度為0.5 m、1.0 m 和2.0 m 的比貫入阻力Ps平均值呈非線性增長，分別為1.01 MPa、1.20 MPa和1.87 MPa。上述2 種現(xiàn)象均與3.1 節(jié)的結(jié)論基本保持一致。

圖3 各試驗(yàn)區(qū)的Ps-Z 曲線Fig.3 Ps-Z curve of each test area

對比各試驗(yàn)區(qū)的Ps值可知，干灘河床淤泥淺層原位固化的優(yōu)化工藝參數(shù)為：固化深度2 m、固化劑摻量5%。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第5 版）的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式（2）可知[12]，在優(yōu)化參數(shù)情況下，固化土Ps平均值為1.87 MPa，對應(yīng)的不排水綜合抗剪強(qiáng)度Cu為61.6 kPa ＞25 kPa，滿足覆蓋土的基本指標(biāo)限值要求。

4 工程實(shí)施

綜合考慮工期計(jì)劃、淤泥厚度以及河道內(nèi)現(xiàn)存水道位置，以南北向?qū)Я髅髑榉纸缇€，將施工范圍劃分為5 個(gè)區(qū)域（1 號(hào)壩壩前區(qū)、北一區(qū)、北二區(qū)、南一區(qū)、南二區(qū)）進(jìn)行組織施工，具體施工總平面圖見圖4。根據(jù)各區(qū)域的淤泥厚度和受污染程度的不同，設(shè)計(jì)不同配合比和設(shè)備參數(shù)。其中，南一區(qū)使用配合比編號(hào)A-1、設(shè)備參數(shù)編號(hào)SCS-1；南二區(qū)和北一區(qū)使用配合比編號(hào)B-2 的配合比、設(shè)備參數(shù)編號(hào)SCS-2；北二區(qū)使用配合比編號(hào)B-3、設(shè)備參數(shù)編號(hào)SCS-3；壩前區(qū)使用配合比編號(hào)C-3、設(shè)備參數(shù)編號(hào)SCS-3。施工過程采用南北兩幅同步施工，從東往西有序推進(jìn)。經(jīng)過施工養(yǎng)護(hù)28 d 后，對場地進(jìn)行靜力觸探檢測，其結(jié)果基本與3.2 節(jié)所述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保持一致。

圖4 固化施工總平面圖Fig.4 General plan layout of solidification process

5 固化土環(huán)境影響

為分析固化土對河道的環(huán)境影響性，在原位固化施工后養(yǎng)護(hù)28 d，分別對南二區(qū)、北一區(qū)、壩前區(qū)的固化土進(jìn)行取樣，檢測其TP、TN、重金屬的浸出液濃度，并與原狀淤泥的各項(xiàng)檢測指標(biāo)對比分析，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同分區(qū)固化土檢測數(shù)據(jù)Table 3 Test data of solidified soil in different sub-areas

由表3 所示，原泥浸出液中的總磷（TP）超標(biāo)8.53 倍、總氮（TN）超標(biāo)7.07 倍，重金屬浸出液濃度均未超標(biāo)；固化土浸出液中各檢測指標(biāo)均在GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。對比原泥和固化土的數(shù)據(jù)可知，總磷、總氮、銅、鋅、鎳、砷的浸出液濃度明顯降低。由此可知，固化土基本不影響河道水質(zhì)，且固化土具有明顯的固氮、固磷和穩(wěn)定重金屬作用，能阻隔下臥層的污染物向水體釋放，具有一定的改善水質(zhì)作用。

6 結(jié)語

1）由于攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)速率不變，固化劑摻量和固化深度的增加能降低攪拌頭的提升速率和增加噴漿循環(huán)次數(shù)，從而提高固化土的均勻性，增強(qiáng)固化效果。

2）針對干灘河床淤泥原位固化的優(yōu)化工藝參數(shù)為：固化深度2 m、固化劑摻量5%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時(shí)，固化土比貫入阻力Ps平均值為1.87 MPa，對應(yīng)的不排水綜合抗剪強(qiáng)度Cu為61.6 kPa。

3）固化土具有固氮、固磷和穩(wěn)定重金屬的作用，能有效抑制原泥中的N、P 和重金屬向水體中釋放，從而阻隔下臥層的內(nèi)源污染，具有一定的水質(zhì)改善作用。