高含水率疏浚泥堆场颗粒分选规律现场试验研究

徐桂中 杨瑞敏 丁建文 沈敏怡 洪振舜

(1河海大学岩土工程科学研究所,南京 210098)

(2东南大学岩土工程研究所,南京 210096)

我国内陆河流、湖泊每年都会产生大量疏浚泥[1],由于疏浚泥具有含水率高、黏粒含量高、渗透性低、排水固结时间长等特点[2-4],堆场处理时需要占用大量土地.为了提高堆场利用率,减小土地占用面积和缩短占用时间,需要对疏浚泥进行处理.然而,诸多工程实践表明,疏浚泥在吹填过程中发生了水力分选,导致堆场内土性分布不均匀[5-7].由于土性是影响疏浚泥工程特性的重要因素,如高含水率疏浚泥的压缩特性及渗透特性与土样的液限密切相关[8-10],因此疏浚泥的分选必然影响堆场处理面积的确定和处理技术的选择.

现有研究表明[5-7],吹填过程中疏浚泥沿水平方向和垂直方向均会发生显著的水力分选现象,导致吹填完成后,颗粒粒径沿水平方向逐渐变细,沿深度方向逐渐变粗.一些学者[5-7]通过现场调查对疏浚泥在堆场中的分布规律开展了研究，并获得了一些结论.然而疏浚泥在堆场中的颗粒分选规律很复杂,受到吹填方式、泥浆的含水率、土性等诸多因素的影响[7],所以目前对疏浚泥堆场颗粒分选规律的认识还远远不够,需要进一步研究.本课题依托江苏省南水北调东线金湖金宝航道疏浚工程,在金湖N1堆场中开展现场勘察与试验,了解内陆吹填工程的特点,明确颗粒、含水率、界限含水率等基本物理指标在堆场中的分布规律,为疏浚泥后期处理提供依据.

1 吹填工程概况

试验场地位于江苏省金湖县涂沟镇境内,该地段土层分布稳定,河底大多为土质较好的灰黄色黏性土,在该土层上部为一层1～2 m厚的深灰色淤土[11].试验场地长约400 m、宽约120 m,围堰高度在1.5 m左右,试验场地平面图如图1所示.疏浚工作自2012年3月中旬开始,2012年5月中旬基本结束,历时约2个月.吹填过程中,采用绞吸式疏浚船施工,输泥管的流量为350 m3/h.

图1 试验场地平面图(单位：m)

由于疏浚船在工作时,需要重复提升或下降刀具来切削不同深度的底泥,而不同深度底泥的硬度、土性存在差异,导致形成的泥浆的含水率也会发生变化,大小介于500%～2000%之间.此外,一些没有被刀具或高压水流切碎的底泥,以大土块的形式随泥浆一起由输泥管喷出,土块的直径一般不超过8 cm,含水率为30%～40%,液限为45%～50%,黏粒含量约55%.吹填过程中观察发现,从输泥管喷出的较大土块在吹填口处堆积形成土堆.

图2为吹填结束后一周左右拍摄的堆场内不同位置土样的实景图.可看出,沿吹填口至退水口的方向,土块或土颗粒的粒径逐渐变小.此外,吹填口处土堆上和土堆底部的土块已经在自然条件下风干,而距吹填口50 m处和退水口处的泥浆的含水率仍非常大.由图可直观看出,由于水力分选作用,导致堆场中疏浚泥颗粒粒径、物理力学性状分布不均匀.

图2 堆场内不同位置土样实景图

2 取样方案

取样时间定在试验区吹填结束约一周后,此时泥浆厚度约为1.0～1.2 m.取样路线顺着吹填过程中泥浆流动方向,取样点间间隔在15～30 m之间,取样具体位置如图1所示.针对同一水平位置分别在深度10,50,90 cm处取样.对取回的土样开展含水率、颗粒分析、液塑限等试验,所有试验均参照ASTM D421-D422(2002)规程.颗粒分析试验时,首先取过2 mm筛后风干土样50 g放入250 mL烧杯中,并加入4%的六偏磷酸钠溶液125 mL浸泡过夜;此后,运用规定的机械搅拌器(转速为10 000 r/min)对土样搅拌1 min.将搅拌后的悬浮液移入1 000 mL量筒,并上下震荡1 min,确保悬浮液均匀.震荡后,将量筒放入温度为20 ℃的恒温室进行颗分试验.试验结束后,将悬浮液过0.075 mm筛,并将留在筛上的土样烘干后称量质量.最后,进行数据整理并绘制土样的粒径分布曲线.

3 试验结果与分析

3.1 堆场内疏浚泥颗粒分布规律

图3为堆场内深度10,50,90 cm的水平面内疏浚泥的粒径分布曲线.由图可知,不同位置处泥浆的颗分曲线存在显著的差异,且粒度随距吹填口距离的增加而减小.这充分表明疏浚泥沿水平方向发生了显著的分选.

图3 距吹填口不同位置疏浚泥的粒径分布曲线

图4为堆场内不同位置疏浚泥中黏粒含量随距吹填口距离的变化规律.由于堆场中施工条件复杂,如泥浆的含水率、流速、吹填速率等均会影响疏浚泥的颗粒分选规律,所以不同深度疏浚泥的黏粒含量之间的差值随距吹填口距离的变化规律性略差,但仍可以看出,不同深度疏浚泥黏粒含量间的差异随距吹填口距离先增大后减小.距吹填口距离为87 m处,深度为10 cm和90 cm的疏浚泥中黏粒含量相差10%左右,远小于水平方向疏浚泥间粒径分布的差异.上述现象表明,疏浚泥沿水平方向的分选程度远大于垂直方向,垂直方向疏浚泥的分选程度较小.

图4还显示,3个深度处疏浚泥的黏粒含量均随距吹填口的距离的增加而增加.在距吹填口距离小于50 m处,黏粒含量随距吹填口距离变化较小,稳定在35%左右.当距吹填口距离大于50 m时,黏粒含量随距吹填口距离的增加迅速增加,当距吹填口距离达到170 m时,黏粒含量达到80%左右.当距吹填口距离大于170 m后,黏粒含量同样随距吹填口距离变化较小,稳定在80%左右.

图4 黏粒含量随距吹填口距离的变化规律

分析认为,高含水率疏浚泥在堆场中运动时,土颗粒在水流的紊动作用支撑下与水流一起运动,但随着水流紊动作用的减小,颗粒由粗至细不断从水中沉积下来,而细颗粒继续随水流运动,导致疏浚泥在流动过程中发生颗粒分选现象.

根据上述现象,可将堆场疏浚泥沿水平方向分为3个区域,在小于50 m内颗粒相对较粗,且沿水平方向变化较小,称为粗颗粒区;大于170 m后,泥浆颗粒较细,沿水平方向变化较小,称为细颗粒区;在50～170 m内,粒径沿水平方向变化较大,称为粒径变化区.需要指出,在吹填口处,堆积的大块形成的土堆位于粗颗粒区.图5为堆场内颗粒分布区域划分示意图.

图5 堆场内疏浚泥颗粒分布区域划分示意图

3.2 堆场内疏浚泥含水率分布规律

图6为堆场中疏浚泥含水率的分布规律.由图可知,沿深度方向,含水率随深度的增加而降低,但变化较小.沿水平方向,含水率均随距吹填口距离的增加而增加.距吹填口的距离小于50 m时(粗颗粒区),泥浆的含水率较低,在50%～100%之间,并且沿水平方向变化较小,所以曲线接近水平.距吹填口的距离大于170 m时(细颗粒区),泥浆的含水率较大,在200%～300%之间,同样沿水平方向变化较小.距吹填口的距离在50～170 m内(粒径变化区),含水率随距吹填口距离的增加呈增加的趋势.分析认为,由于发生分选,疏浚泥的透水性产生差异,靠近吹填口的疏浚泥颗粒粗,透水性较好,泥浆固结快,含水率较低，而远离吹填口的疏浚泥颗粒细,透水性差,自重固结缓慢,含水率高[6].

图6 堆场内疏浚泥含水率分布规律

3.3 堆场内疏浚泥界限含水率分布规律

图7为堆场内深度10 cm处疏浚泥界限含水率的分布规律.图中显示,疏浚泥的液限、塑限、塑性指数均随距吹填口距离的增加而增加.在距吹填口的距离小于50 m处(粗颗粒区),液限、塑限、塑性指数的变化较小,当距吹填口的距离超过50 m后(粒径变化区),液限、塑限、塑性指数均随距吹填口距离的增加而显著增加,但当距吹填口的距离大于170 m后(细颗粒区),液限、塑限、塑性指数随距吹填口距离的增加逐渐趋于稳定.

图7 界限含水率在堆场中的分布规律

图8显示了堆场内疏浚泥在塑性图中的位置.由图可见,分选后的土样在塑性图中均位于A线以上,因此属于黏性土,液限小于50%时为低液限黏性土,大于50%时为高液限黏性土.其次,分选后的土样均沿A线呈带状分布,并且带状与A线接近平行.上述现象在许多文献中早有报道,Li和White[12]统计发现,塑性指数与液限间存在线性关系；Casagrande在提出塑性图时指出:同一地区、同一成因的土,在塑性图上大体占据与A线平行的位置,沿A线呈条带状分布[13].

图8 分选后疏浚泥在塑性图中的位置

土力学中通常将塑性指数Ip和小于2 μm颗粒含量之比称为活动性,用nact表示.活动性是反映黏土性质的重要指标，nact小于0.75,nact在0.75～1.25间和nact大于1.25的土样分别称为低活动性土样、中等活动性土样和高活动性土样.图9给出了堆场内疏浚泥塑性指数随小于2 μm颗粒含量的变化关系.图中显示,塑性指数随小于2 μm颗粒含量的增加呈线性增大趋势.分选后土样的活动度都在0.75左右,这表明疏浚泥的分选不会引起活动度的显著变化.此外,分选后土样活动度的上述变化规律,也再次解释了图8中分选后疏浚泥在塑性土中沿A线分布的原因.

图9 Ip随小于2 μm颗粒含量的变化关系

4 结论

1) 堆场中疏浚泥沿水平方向发生了显著的颗粒分选现象，沿垂直方向上的颗粒分选程度明显小于水平方向.分选后疏浚泥在塑性图中沿A线呈线性分布,活动度也基本相等.

2) 根据粒径沿程的变化规律,可将堆场内疏浚泥划分为粗颗粒区、粒径变化区和细颗粒区.靠近吹填口处为粗颗粒区,远离吹填口处为细颗粒区,在两者之间为粒径变化区,吹填出的大土块形成的土堆位于粗颗粒区中.受颗粒分布规律的影响,疏浚泥的黏粒含量、含水率及液塑限在粗颗粒区均较小,在细颗粒区均较大,在粒径变化区随距吹填口距离的增加而增加.

3) 在本次试验的N1堆场内,距吹填口距离小于50 m的区域为粗颗粒区,黏粒含量在35%左右；距吹填口距离大于170 m的区域为细颗粒区,黏粒含量达到80%以上；距吹填口距离50～170 m的区域为粒径变化区.

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