城市河湖水系淤泥疏浚及生态治理施工技术研究

2020-03-11

四川水利 2020年1期

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

前言

随着社会不断发展进步，人们对生活环境的要求越来越高，目前国家正处于海绵城市理念实践阶段，如何又快又好的对受到污染或环境相对较差的城市河道、湖泊进行改造，成为一个重要的技术和工程问题。目前，国内多个城市正在围绕河流或湖泊进行疏浚治理改善水环境。但受市内环境限制，这些疏浚工程多为清淤船疏浚、管道输送很长距离至一定区域后堆放，自然沉淀干化。不仅占地面积大，处理周期长，还带来污染转移等风险。由此，河流湖泊污染淤泥疏浚和泥浆深度脱水固化处理技术，将会在后期的水环境治理工程中有很好的应用前景。

另一方面，有关河道驳岸的设计，传统浆砌石挡土墙与混凝土挡土墙虽能够满足城市防洪的要求，但它们砌筑成型后，隔断了水生生态系统和陆地生态系统之间的联系，导致河流失去原本完整的结构和作为生态廊道的功能，进而影响到整个生态系统的稳定，不利于生态环境的保护和水土保持。因此，选择透水结构作为墙体，研发具有较好的仿生态自然性的生态挡墙，且在施工过程中实现机械化，对社会发展的积极影响也越来越大。

1 技术背景依托

武汉东湖港综合整治工程，是大东湖项目水网连通工程的重要渠道，东湖港渠道全长约4700m，控制走廊宽度100m至140m，设计上开口宽度30m，设计流量30m3/s。淤泥工程量大，平均深度4m～6m不等，岸坡沼泽地多，主要建设内容包括渠道整治、桥梁改建及沿渠景观绿化等。

墨水湖流域位于武汉市汉阳东湖水系的东北边，湖泊汇水面积19.50km2，水域保护面积375.65hm2，岸线长23.93km，属于重度富营养状态的湖泊，长期以来墨水湖处于企业和居民生活区包围之中，由于污水直接排放入湖，污水中的污染颗粒不断沉淀并污染淤泥，导致水污染日益突出，水体发黑发臭，为劣Ⅴ类；湖底表层形成厚度15cm～90cm的污染层，颜色深黑～深灰色，略有臭味，与周边环境建设极不相称。

2 主要研究内容

(1)根据施工现场实际情况，确定适合河流渠道淤泥疏浚清挖的最佳施工方法，研究能经济高效施工的机械组合配置。在原有淤泥固化方式的基础上，研究一套成本更低、效率更高、自动化水平更高的淤泥疏浚固化工艺流程，并对关键设备选型。

(2)根据现场实际情况和实验结果选择合适的淤泥固化方法；对固结材料进行性能试验，在不同含水率情况对固化材料掺量进行现场试验，以期确定最终施工所采用的固结材料配合比，为施工方案的设计提供参考依据。

(3)对堤岸可交换式护坡形式、设计和施工工艺进行研究，选择合适的生态挡墙作驳岸，掌握其施工要点及工艺标准，形成生态挡墙施工工艺应用与研究报告，总结形成经济可行、技术先进的施工工艺应用与研究报告，为以后类似工程奠定坚实基础。

(4)通过具体方案对比，贯彻环保理念，对城区渠道环境进行生态修复，注重沿岸景观建设。

3 主要研究实施情况

3.1 淤泥固化方案的确定

目前国内外对水渠淤泥常采取渠外方式进行固化，而本课题提出原位固化方案。试验同时开展原位固化、岸边淤泥池固化两种方案，最终确定适合渠道且有指导性的固化方式，具体固化配比等参数由实验确定。

3.1.1 渠道原位淤泥固化

根据实验室推荐固化剂掺量，结合现场实际渠道侧流补给水、地下水及周边排口来水等影响，现场试验按照8%、10%、12%的湿密度由质量部进行掺配。试验时，先将固化剂投放至搅拌设备，采用固化搅拌设备将固化剂均匀搅拌5-6次，过程数据记录如下。

经数据分析，淤泥经固化后，在未达到其液限时，其含水率开始反弹，证明此方案无法实施。主要原因有：

(1)抽排水后，处于高位的岸坡侧流补给水

表1 zyz325固化剂在不同掺量含水率状态

通过土体及淤泥的空隙持续向处于低位的渠道淤泥处补给，短时间内无法有效地清除，渠道沿线鱼塘、湖泊等水域较多，水域内高水位水向抽排水后的区域转输、补给，另有多处外来排口持续向渠道内排水，致使原位固化处地下水位持续处于高位；

(2)现场实际淤泥层较厚。渠道淤泥需固化厚度约1m，淤泥固化搅拌设备一次固化深度为0.8m～1.2m，渠道淤泥一次固化即可完成渠道淤泥原位固化；实际根据现场试验位置及沿线翻挖情况显示，渠道淤泥厚度为2m～4m不等，固化层下部仍有较厚且保水能力较强的淤泥可持续向上层传递水分；

(3)淤泥原位搅拌固化过程中，前述原因淤泥发生液化，流动性增强，固化搅拌后淤泥向下层及周边区域流动，搅拌过程不易控制其搅拌均匀性。

3.1.2 岸边淤泥池固化

进行淤泥取样试验，在3处不同部位分别取样渠道淤泥，测试物理指标如下：

(1)0+800～0+850段淤泥密度为1327kg/m3,含水率为72%，液限45.63%；

(2)2+100～2+150段淤泥密度为1325kg/m3,含水率为69%，液限45.68%；

(3)3+150～3+200段淤泥密度为1324kg/m3,含水率为68%，液限45.71%。

因三组数据值接近，与原检测数据基本一致，在以下试验过程中采用本次检测三组数据的平均值，密度1325.3kg/m3，含水率为69.66%，液限45.67%。

表2 淤泥池固化96h后物理参数记录

固化后的淤泥含水率，体积变化及相对湿度满足非结构工程回填土要求，达到固化目的。

3.1.3 选择合适的淤泥固化方案

固化方案需根据实际情况进行选择。对渠道可同时开展原位固化、岸边淤泥池固化两种固化方案，若周边水系发达、淤泥层较厚处不可进行原位固化(例如此例中的东湖港工程环境)，主要原因为侧流补给水持续供给和固化搅拌过程中液化现象影响均匀性。若采取岸边淤泥池固化的方式需要进行试验淤泥池的修筑和容器的制作，制作安装过程中严格控制容器平整度及垂直度。

3.1.4 固化剂配比

就固化剂配比等参数而言，中小型渠道抽排水完成后，经采用环刀法取样、成分分析、物理参数检测，确定适合中小渠道淤泥的固化剂为zyz325型高效清洁固化剂，通过实验确定淤泥固结材料选用配合比，即粉状石灰、zyz325型水泥、固化剂质量比为45∶43∶12，固化效果明显，颗粒性状明显改变，可塑状态好，未出现板结现象，可用于种植。根据实验室数据分析，建议工艺试验固化剂掺量8%，根据上述实验，可根据天气、进度、禁运等情况，及时调整固结材料用量，确保材料可控，保证施工质量，确保绿色施工。

对于淤泥脱水固结一体化工艺采取的脱水固化剂配方及配比的主要组分为：金属氧化物Al2O3、Fe2O3、CaO；非金属氧化物SiO2、SO3；以及聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)。淤泥脱水调理剂配比一般按质量的3%～8%掺加，必要时适度添加水泥、石灰和高钙粉煤灰，确定最佳配比后应用于工程之中。

3.2 淤泥脱水固结一体化技术

3.2.1 疏浚淤泥固化程序

疏浚淤泥固化程序：河道底泥挖泥船疏浚(抓斗船挖泥)→管道运输或封底船运输→淤泥上岸(淤泥泵送)→淤泥预处理(振动筛除渣)→淤泥脱水固结处理(泥浆浓度调节、输送、加材料、搅拌均匀、板框脱水泥水分离)→固化土运输→回填造地，技术工艺流程如图1所示。

图1 淤泥疏浚固化脱水处理工艺流程

3.2.2 淤泥处理系统组成及流程

淤泥脱水固化同位处理系统是由除渣系统、调节系统、调理系统、分离系统组成，疏浚泥浆通过绞吸船疏浚管道输送后进入除渣系统，通过分级沉淀去除大颗粒沉渣，通过格栅机去除浮渣，泥浆除渣后自行流入调节系统进行浓度调节，表层溢流清水进入尾水池处理后还湖，调节好浓度的泥浆经绞吸船泵送至调理系统，调理系统作为整套技术的核心，在泵送过程中根据要求添加材料对泥浆进行调理、调质，以改变浆体内部微观结构，快速提升后续脱水固化效果，调理完成后的泥浆泵送至分离系统进行泥水分离，分离后的清水SS值小于20mg/L后通过管道回到调节系统循环利用，泥浆脱水后形成含水率35%～40%硬塑状泥饼，直接用于园林绿化或堆放固化后形成具有一定强度不再泥化的土体，可用于工程回填。淤泥固化脱水系统布设如图2所示。

图2 淤泥固化系统场内布置示意

3.2.3 淤泥处理技术控制要点

淤泥疏浚固化关键技术在于脱水调理系统处理，根据武汉墨水湖、南太子湖工程的经验，脱水添加剂材料主要为粉煤灰、石灰、黄色PAC絮凝剂(固化剂专利产品)、黑色PAC絮凝剂(固化剂专利产品)。添加剂材料添加量为河道底泥绝干物质的8%～12%；施工前通过室内试验确定添加范围和比例，生产线调试时进行微调。材料添加量直接影响到造价，影响因素主要有水下方底泥的含固率(干土/总重)、底泥的颗粒组成(粘性、透水性)。含固率越高，绝干土越多，添加材料越多；颗粒越细，粘度越大，透水性越差，材料添加量越大。施工前需要检测河道底泥的含固率、颗粒分析、有机质含量等等。生产过程中对每个环节的浓度、含水率、调理性质等指标进行检测，为内控检测指标。外委检测主要有生产泥饼浸出液的重金属含量检测，这项指标达标可以安全回填。淤泥处理调理系统工艺见图3。

图3 淤泥脱水工艺流程

目前，淤泥脱水固化同位处理系统已实现流水化、自动化作业，处理过程环保、不受天气气候影响。系统技术接口多、占场地面积小，处理效率高，质量稳定可靠，工厂化运行对周边环境无干扰，特别适合城市内的河湖污泥处理处置工程。

3.2.4 淤泥脱水固结一体化技术总结

大型湖泊河流可采取淤泥疏浚脱水固结一体化的方案，其工作流程为：河道底泥挖泥船疏浚、管道运输或封底船运输、淤泥泵送、淤泥预处理、淤泥脱水固结处理(泥浆浓度调节、输送、加材料、搅拌均匀、板框脱水泥水分离)、固化土运输、回填造地。确定泵型为LZ2H型压滤机专用入料泵，淤泥通过排泥管输送至疏浚淤泥脱水、固结处理场，通过脱水、固结处理转化为含水率≤40%的泥饼。污泥处置过程中产生的尾水在排入湖体前，不产生新的污染物，尾水不劣于现状水体，水质SS≤20mg/l。脱水泥饼呈现硬塑状态，含水率≤40%，遇水不二次泥化，满足非结构工程回填土要求。泥浆的浓度对于脱水固结同位处理技术的生产效率至关重要，在提高脱水效率的同时还节约了材料用量和尾水处理量，泥饼的厚度大对卸料和滤板的保护均有利。

3.3 生态挡墙工艺

3.2.2 生态挡墙工艺原理

本工程中选用的空腹混凝土预制块构造除了轻巧美观、安装便利外，还具有组合、咬合、交错等特点，提高了护岸的整体性、稳定性及空间性，更符合渠道的护岸特性。并以增加基础承载力及受力面为核心，根据不同的地质情况对建基面进行相应处理，通过削坡减荷、设置挡坎及安装连接螺栓等方式来达到降低沉降及偏移的效果，并采用混凝土泵车、短臂反铲及长臂反铲等多种机械配合浇筑混凝土、空腹式混凝土预制块安装，设置反滤碎石层、水生植物及生态植草坡以防止墙背水土流失，增加了挡墙结构稳定性及景观性。

3.2.3 生态挡墙工艺特点

(1)施工效率更高。空腹式混凝土预制块自身重量轻，对基础处理要求较低，处理较为便捷，通过连锁式安装，安装及箱室填充较为方便，大大提高了施工效率。

(2)抗沉降能力更强。通过增加护岸基础承载力、分散护岸自身重力及降低挡墙侧压力等方式，可有效防止护岸沉降。

(3)抗偏移能力显著。通过加大护岸基础受力面、设置基础混凝土挡坎、分散及卸除护岸所受侧压力等方式，有效抵抗护岸偏移。

(4)受天气影响小。通过履带式吊装设备安装等，确保小雨天气照常作业。

(5)更加生态环保。通过设置反滤层可有效防止水土流失，加强河水自净作用，护岸箱室内填充的级配块石留有空隙，方便鱼类畅游。

(6)便于塑造景观。空腹混凝土预制块从上而下分层分阶拼装并通过锚杆固定，相邻阶层面上的预制块之间形成花槽。通过花槽上种植绿化水生植物结合植草式护坡的方式，可以让边坡坡面呈现良好的生态景观，挡墙可以较完美地隐蔽于绿色植物之下。

3.2.4 生态挡墙工艺流程及要点

东湖港工程中，生态挡墙由下至上依次施工，具体施工工艺流程见图4。

图4 生态护岸工艺流程

生态护岸断面见图5。

图5 生态护岸断面

4 技术创新点

(1)基于大型湖泊的淤泥清理，通过本次研究，探索出了适宜的泥浆固化剂，同时将环保绞吸船、泥浆输送渣浆泵、泥浆均化池、板框压滤机有效组合，形成了快速高效的一体化淤泥疏浚、脱水、外运的施工工艺。

(2)针对城市小型河流施工，对比了不同的清淤方式，经多次方案比选及现场试验，最终确定了经济、高效的渠道清淤施工组合方式；通过不同的试验对比，确定了适合东湖港渠道淤泥固化的固化剂，同时根据不同实验比较，确定了淤泥在不同含水率情况下固化剂的掺量。

(3)针对渠道驳岸的施工，对比了常规的渠道驳岸建造形式，在考察、调研的基础上选择了装配框滤式混凝土砌块做生态驳岸，加快了现场施工进度，节约了工程施工成本。

(4)针对基础地质条件差的特点，通过本次研究将传统的采取水泥搅拌桩加固地基的方式调整为采用杉木桩，降低了工程施工难度，同时也加快了施工进度，节约了工程施工成本。

(5)针对东湖沿岸的沼泽地岸坡，通过不同的试验比较，找到了对沼泽地岸坡采用长臂反铲整形放坡，在坡顶及坡脚处采用杉木桩进行固坡，同时在斜坡范围内不同高程处设置分级马道，最后采用种植亲水植物及亲水植物对坡面进行固坡，通过整治后的沼泽地岸坡运行良好，未发生异常现象。

5 主要研究成果

(1)研制了系列土工取样装置，在淤泥理化特性测试基础上，结合工艺对比试验，研究确定了不同固化方案的适用条件，形成了渠道岸边淤泥池固化工艺，获取了合理的固化剂选型和固结材料掺量配比，保证了固化效果。

(2)研究形成了大型湖泊河流淤泥脱水固结一体化工艺，基于系统试验，提出了脱水固化剂掺量和优化配比，采用淤泥疏浚、泵送、预处理、脱水固结(泥浆浓度调节、输送、加料、搅拌、板框脱水)流水化和工厂作业，实现了淤泥高效、经济固化处理。固化后的淤泥土用于园林植被或工程回填用土，实现了资源化利用，绿色环保效应显著。

(3)提出了渠道生态挡墙岸坡加固方法——空腹混凝土预制块构造。与传统混凝土挡墙、格宾石笼生态挡土墙相比较，节省了工程投入和施工成本，同时满足了水体净化、交换的生态功能和耐久性，预留空隙可作为生态动植物的栖息场所；优化了空腹混凝土预制块结构，方便了吊装拆卸和圆弧段线形应用，大大减少了挡墙摆放、连接作业人工。

6 取得的社会效益

课题成果在武汉东湖港项目中应用，目前港渠生物生存状况良好，吸引了众多游人及垂钓者，改变了臭水体环境。通过城市中小河流生态整治，改善了周边水环境，提高了周边人群的生活水平，得到地方政府、周边群众一致认可。同时，通过东湖港生态整治后的周边房地产价位目前稳步提升，在不到一年的时间内单价翻番。疏浚受污淤泥，改善江河湖泊水质，营造水生态修复环境。快速无害资源化处理处置体积庞大的疏浚受污淤泥，不需要再填埋和丢弃而征用耕地，节约了土地资源，确实实现减量化处理。固化淤泥、固封其有毒有害成分，堵截淤泥污染物的二次转移，防止了大气环境及地下水环境二次污染。处理处置过程工艺化，实现工厂化作业，不扰民，作业场地周边人居生活和环境质量不受影响。受污淤泥再生生成资源泥土用于道路基层、堤防加固、园林种植、基坑回填。

通过本科研课题的研究，将生态挡墙工艺精细化、标准化，同时在科研过程中寻找到适应的工程项目，为后续类似工程的施工提供强有力的技术支持。目前国内大力推行海绵城市的建设，生态挡墙的施工将是海绵城市建设中的重点，将生态挡墙成功地运用到海绵城市建设中，加快生态挡墙的施工应用，会对海绵城市的建设起到强有力地推进作用。