吹填层厚度对疏浚淤泥沉积特性影响的试验研究*

张 莹， 徐桂中， 卢 亮， 周 源

(1. 南京工业职业技术大学， 江苏 南京210023； 2. 盐城工学院， 江苏 盐城221051；3. 南京南大岩土工程技术有限公司， 江苏 南京210000； 4. 河海大学， 江苏 南京210098)

河流中的泥沙过多， 造成防洪、 水库淤积等诸多问题， 淤泥疏浚是湖泊治理、 航道疏通、 港口维护中常用的工程举措。 我国每年都会产生大量的疏浚淤泥， 相关数据显示， 我国淤泥的年均疏浚量超过5 亿m3[1]。 内陆疏浚工程中， 多用水力式挖泥船抽吸含水率极高的土水混合物吹填入堆场， 经过自然堆放及晾晒， 使其在自重作用下沉积、 固结， 即为疏浚泥陆上圈围处置的方法[2]。由于我国以绞吸式水力疏浚为主， 采用的绞吸挖泥船一般利用吸泥口前的刀具或高压水来切碎泥土， 将土的结构完全破坏， 产生的吹填淤泥含水率高、 黏粒含量大、 渗透系数小、 排水缓慢、 自重固结时间长。 对于淤泥等超软土， 在疏浚泥向堆场内吹填的过程中， 宜分层进行， 且分层不宜过厚， 施工时层厚应根据设计或试验确定[3]。 分层吹填淤泥可缩短排水路径， 加速排水， 在每层淤泥充分落淤后进行下一层淤泥的吹填， 有利于充分利用堆场容积。 吹填过程中淤泥的分层厚度，应充分考虑淤泥的沉积特性， 因此有必要研究吹填层厚度对淤泥沉积规律的影响。

疏浚泥沉积规律的室内研究方法为沉降柱试验。 很多学者利用沉降柱试验， 通过泥浆的沉积规律来辅助理论方法预测沉积物的沉降和固结行为[4-6]。 Alexis 等[7]对沉降柱试验的条件进行了总结， 发现前人在进行室内沉降试验时， 泥浆高度并不统一， 所用沉降柱高度为114 ～4 000 mm。 到目前为止， 以细颗粒为主的吹填泥浆自重沉积规律研究仍处于初级阶段， 且室内静水沉积试验的模型尺寸对于吹填淤泥自重沉积的影响方面的研究也较少。 本文采用室内沉降柱试验， 研究疏浚泥的高度对于泥浆沉积规律的影响， 以期为吹填过程中分层吹填厚度和室内静水沉积试验模型尺寸的选择提供参考。

1 试验方案

试验所用淤泥为湖泊沉积物， 取自南水北调东线江苏段淮安白马湖疏浚堆场， 其基本物理性质见表1。 其中， 液塑限由液塑限联合测定仪测定， 粒径分布采用密度计法确定。 所取淤泥的粒径分布曲线如图1 所示， 其中值粒径d50=5.71 μm。白马湖淤泥的塑性图如图2 所示， 可以看出， 白马湖淤泥属于高液限黏土。

表1 白马湖淤泥的基本物理力学指标

图1 白马湖淤泥粒径分布曲线

图2 白马湖淤泥塑性图

以往研究[8]表明， 沉降柱内径大于15 cm 时，沉降柱的边界对于淤泥的沉降规律的影响可以忽略， 因此， 本文采用内径15 cm 的高白玻璃筒作为沉降柱， 对白马湖淤泥进行自重沉积试验。 为配合不同泥浆高度， 玻璃筒的高度分别为30、 40、60、 80、 100 cm。

由于试验持续时间长， 为了减少沉积试验过程中水分蒸发， 沉降柱的顶端用塑料薄膜密封。 泥浆充分搅拌后立即从沉降柱侧面观察泥浆和清水分界面的下降情况， 按照间隔由短到长记录泥水分界面的刻度值， 以此反映泥浆沉降规律。

本试验配制泥浆的初始含水率ω0均为553%，ω0∕ωL约为8.5。 泥浆初始高度h0分别为11.1、21.1、 40.6、 59.0、 76.9 cm。

2 试验结果与分析

2.1 泥浆高度对沉降类型的影响

试验所得泥水分界面沉降曲线见图3。 图3a)所用坐标为对数坐标， 用以表现沉降曲线的特征，图3b) 突出显示沉降前600 min 泥水分界面沉降规律。 可以看出， 相同泥浆初始含水率的情况下，所得沉降曲线形状存在明显差异。

图3 不同泥浆高度沉降曲线

按照沉降曲线的形状特点可将曲线分为两类， 如图4 所示。 在对数时间标度中的沉降曲线上， 第I 类沉降曲线平滑， 呈反“S” 形； 第II类沉降曲线阶段性明显。 在算术时间标度中的沉降曲线上， 沉降初始阶段， 第I 类沉降曲线沉降量与时间呈近似的线性关系， 沉降速率很小， 且基本不变； 第II 类沉降曲线分3 个阶段， 第1 阶段持续时间较短， 称为絮凝阶段； 第2 阶段沉降曲线呈线性， 泥面以较大的速率迅速下降， 为沉降阶段； 第3 阶段泥面以较低的速度继续下降，为固结阶段[9]。 以上3 个阶段分别对应图4 中OA、AB、BC段。 这两种沉降曲线类型分别对应前人提出的固结沉降和阻碍沉降两种沉降模式[10-11]。

根据图4 中显示的两类沉降模式， 当泥浆高度为11.1 cm 时， 泥浆沉降类型为固结沉降， 泥浆高度为40.6、 59.0、 76.9 cm 时， 泥浆沉降类型为阻碍沉降， 泥浆高度为21.1 cm 时， 沉降类型为二者之间的过渡模式， 本质上属于阻碍沉降。由此可知， 泥浆高度越低， 越易发生固结沉降，泥浆高度越高， 越易发生阻碍沉降。 而在本试验条件下， 泥浆高度达到40.6 cm 后， 高度对于沉降类型的影响即可忽略。

图4 沉降曲线分类

2.2 泥浆高度对于沉降速率的影响

文献[6]、 [9]、 [12]指出， 淤泥悬浮液在沉降过程中以絮团的形式存在。 文献[11]提出， 絮团包含小的土体颗粒群和其周围吸附的水， 絮团进一步形成絮团群， 称为集合体。

在淤泥吹填至堆场的过程中， 吹填速率和吹填量的确定很大程度上取决于堆场中已有疏浚淤泥的沉积速率， 因此室内沉降柱试验中多研究泥水分界面的沉降速率， 以此作为现场吹填速率和吹填场容积设计的依据。

为了定量分析室内沉降柱试验中沉降速率受泥浆高度的影响， Xu 等[13]定义算术时间标度中第I 类沉降曲线的原点处切线斜率为沉降速率， 即图4b)直线段EF的斜率， 定义第II 类沉降曲线沉降阶段结束时沉降量与絮凝阶段结束时沉降量之差与两点时间差之比为沉降速率， 即图4b)中直线段AB的斜率。 各泥浆高度下沉降速率与泥浆高度的关系见图5a)， 可知泥浆高度对泥面沉降速率影响较大。 当泥浆高度为11.1 cm 时， 泥面沉降速率极小， 为16.1 μm∕min， 而泥浆高度达到21.1 cm时， 沉降速率为866 μm∕min， 是前者的54 倍。 泥浆高度继续升高， 沉降速率趋于稳定，泥浆高度对沉降速率的影响较小。 沉降阶段持续时间与泥浆高度的关系见图5b)， 沉降阶段持续时间与泥浆高度呈正相关， 表明同为阻碍沉降的情况下， 初始含水率相等而初始高度不等的各沉降柱内土颗粒形成的集合体的大小基本相等， 短暂的絮凝阶段过后， 各沉降柱内集合体以基本相等的速率下沉， 沉降阶段持续时间与沉降距离呈正相关。

图5 泥面沉降速率、 沉降时间与泥浆高度的关系

以上分析可知， 在本次试验范围内， 当泥浆高度达到21.1 cm 后， 泥浆沉降速率基本恒定，不再受泥浆高度的影响， 而泥浆高度越高， 沉降路线越长， 沉降阶段持续时间越久。 固结沉降没有快速沉降阶段， 泥面沉降速率较小。

2.3 泥浆高度对于沉积物平均含水率的影响

Imai[14]定义固结阶段开始时刻沉积物平均含水率为平衡含水率。 对于阻碍沉降， 沉降曲线上除絮凝结束点的第1 个转折点为沉降阶段结束、固结阶段开始时刻， 如图4b)中曲线II 上B点所示； 对于固结沉降， 由于不存在沉降阶段， 泥浆经絮凝后直接开始固结， 因此定义絮凝阶段结束时刻为固结阶段开始时刻， 如图6 中A点所示。固结阶段开始时刻是土颗粒构成的集合体相互接触、 土体结构形成的开始点， 研究该点的土体状态， 有利于了解疏浚淤泥堆场中沉降最快的阶段可抽出的最多水量和后续可吹填的淤泥量[15]。

图6 固结沉降固结阶段开始时刻

图7 泥浆高度与平衡含水率的关系

Imai 在研究中指出， 自重沉积过程中， 超静孔隙水压力在泥浆的自重作用下逐渐消散， 当沉降曲线在时间对数坐标上趋于水平时， 泥浆固结完成， 如图4a)中的C点和D点， 定义此时沉积物的平均含水率为稳定含水率。

图8 泥浆高度与稳定含水率的关系

Imai 还认为， 固结完成后的淤泥具有了土体结构， 能够承受一定的外部荷载。 泥浆高度越高，泥浆中的有效应力越大，越小。 由试验结果可知， 当泥浆高度小于40.6 cm 时， 随着有效应力的增加， 集合体之间的孔隙被压缩， 土的结构并未破坏， 因此受泥浆高度的影响明显； 而当泥浆高度大于40.6 cm 后， 絮团之间的孔隙被压缩，土体结构破坏， 因此，基本不再随自重应力的增加而减小，受泥浆高度的影响减小。

3 结论

1)在相同初始含水率情况下， 较低的泥浆高度易于发生固结沉降， 而较高的泥浆高度易于发生阻碍沉降。 在本试验条件下， 泥浆高度达到40.6 cm 后， 泥浆高度对于沉降模式不再产生影响。

2)泥浆高度大于21.1 cm 后， 沉降速率受泥浆高度的影响较小； 沉降阶段持续时间与泥浆高度呈正相关。

3)当泥浆高度达到40.6 cm 后， 沉积物含水率趋于稳定， 泥浆高度对沉积规律的影响较小。