疏浚吹填工程中潜在酸性硫酸盐土体调查与处置措施

郑剑飞，卫德，黄国林

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

东帝汶帝巴湾新集装箱码头疏浚吹填工程主要内容为基建性港池疏浚及码头后方堆场吹填造陆，经对项目前期招标技术文件的研究，发现疏浚区内可能存在大量潜在酸性硫酸盐土，由于当地环保要求高，有效解决绞吸船疏浚吹填过程中潜在酸土的酸害问题成为项目成功的关键，同时也能为今后类似项目的实施提供有力的理论和技术支撑。

1 项目地形及周边环境

东帝汶帝巴湾新集装箱码头疏浚吹填工程位于首都帝力市西侧10 km，地理坐标为南纬8°34′，东经125°34′，全年无寒暑交替，属于典型热带雨林气候。帝巴湾三面环山、北侧临海，经港池区疏浚吹填后将成为深水良港，疏浚区地形为珊瑚砂礁盘及潟湖区，右侧为潮汐带红树林栖息地。

在热带高温多雨气候条件下红树林生长旺盛，生物积累作用强烈。当红树林枯枝落叶归还土壤或红树林残体被埋藏分解后，大量的硫进入土壤并分解形成黄铁矿[1]。热带地区沿岸潜在硫酸盐土主要发育于红树林下，东帝汶帝巴湾东侧为红树林栖息地，虽然近年来受到当地村民砍伐其面积已大幅度减少，但长久以来大量的红树林残体随雨季山洪及河流冲刷进入疏浚区，造成疏浚区形成潜在酸性硫酸盐土。

在疏浚吹填施工中，潜在酸性硫酸盐土经疏浚吹填后上岸，暴露于大气中，经热带阳光曝晒其表层土体极易氧化释放强酸（主要为硫酸）导致土体中的金属元素溶解度增加，浓度提高至毒性水平，在降雨冲刷下，富含金属元素的酸性水将对吹填区周边及下游水质造成严重污染[2]，对水生态系统和人类健康构成威胁。另一方面，因其深层土料无法充分暴露，其氧化酸化速率极为缓慢，在地基处理施工完成后，仍将继续氧化产酸，导致土料中碳酸钙颗粒溶解[3]，易使回填区发生地基沉降；同时酸性硫酸盐土中的硫酸易使金属建筑材料腐蚀，与混凝土材料反应形成石膏等物质使体积膨胀，影响混凝土的性能[4]。因此，在高承载力地基用地的回填施工中，需特别注意消除酸性硫酸盐土的危害。

2 潜在酸性硫酸盐土体的调查与分析

2.1 疏浚区分区与潜在酸土取样钻孔布设

经分析东帝汶帝巴湾地形及潜在酸性硫酸盐土形成原因，将疏浚区划分为A、B、C、D、E五块分区，其中A、B、C、D 为珊瑚砂礁盘区、E 区为潟湖区。疏浚区潜在酸性硫酸盐土取样钻孔分布如图1 所示。

图1 疏浚区潜在酸性硫酸盐土取样钻孔分布Fig.1 Distribution of sampling boreholes for potential acidic sulphate soil in dredging area

经初步判断，由于疏浚C 区为珊瑚砂礁盘区，形成年代较为久远，近代红树林沉积物受山洪冲刷应大部分淤积在潟湖疏浚E 区，因此在疏浚区布置潜在酸土取样钻孔ST01~ ST07，由于ST04、ST07 号钻孔位于潟湖区，土质为淤泥质，土质不符合吹填料要求，不对其进行相应试验分析。

2.2 疏浚土潜在酸度及中和能力检测

1） SPOCAS 试验

本项目疏浚A、B、C、D 区为珊瑚砂质土富含CaCO3，因此需对疏浚土样本进行SPOCAS 试验（Suspension Peroxide Oxidation Combined Acidity and Sulfur method，悬浮过氧化物氧化酸硫联合法）以测定土样中的潜在酸性硫酸盐土完全氧化后的净酸度及土样中CaCO3含量，以评价土体的自我中和能力及处置方式。

2）疏浚土理论中和能力分析

碳酸钙对酸性硫酸盐土中氢离子的中和反应如下：

1 mol 碳酸钙（100 g）理论可中和2 mol 氢离子，但上述反应式为理想反应式，在实际反应时，需有水的参与使反应向右进行，实际反应式为：

经实验数据统计计算，各钻孔土样的碳酸钙含量及理论酸中和容量检测情况见表1。

表1 疏浚土样还原态硫含量、净酸度及酸中和容量统计Table 1 Statistics of reduced sulfur content,net acidity and acid neutralization capacity of dredged soil samples

在滴定过程中经常观察到在土壤悬浮液中形成的蓝绿色沉淀物，可能由一种复杂的氧化亚铁/氢氧化铁组成。在充分氧化后测定其最大净酸度，黄铁矿氧化反应式（1 mol FeS2氧化产生4 mol H+，1 mol FeS2=120 g）：

经实验数据统计计算，ST01~ST07 还原态硫含量及潜在酸度检测情况如表1 所示。从6 个孔的取样情况看其酸中和容量均远大于其潜在酸度，证明现场的疏浚土中的潜在酸性可被珊瑚砂完全中和。

为探求珊瑚砂与潜在酸性硫酸盐土完全中和（完全氧化后pH≥6.5）的最佳配比，使用不同比例的珊瑚砂中和酸性硫酸盐土，由图2，在珊瑚砂与潜在酸性硫酸盐土质量比例为1∶100（Ca∶S≈2∶5）的比例下，氧化产物的pH 值在30 min 后达到稳定，pH 值稳定在5.0，较原状土3.2 的pH 值提升效果非常明显，在珊瑚砂与酸性土质量比达到 9 ∶100（Ca ∶S≈18 ∶5）时，潜在酸性硫酸盐土的完全氧化时的pH 值达到6.5，满足东帝汶现场疏浚土处置要求。

图2 不同珊瑚砂添加比例对氧化后pH 值的影响Fig.2 The effect of different coral sand addition ratio on pH after oxidation

3）疏浚土有效中和能力分析

根据疏浚施工区土样分析结果，原状土理论酸中和容量大幅超过潜在酸度，但在实际中和过程中，受碳酸钙粒径影响，有效酸中和容量与理论值存在显著差异，特征为碳酸钙粒径越大，有效酸中和容量越小[5]。

通过对不同粒径珊瑚砂（珊瑚砂与酸性土的质量比均为 1∶50，即 Ca∶S≈4∶5）的中和能力探究（图3、图4）可以发现，珊瑚砂与酸性土同步混合的情况下，随着珊瑚砂粒径的增大，pH 值的总体趋势呈现下降的速率变快的特点，在珊瑚砂粒径为0.15 mm（100 目）时显示出最佳中和效果，粒径与中和能力的关系并不是单纯的粒径越小中和能力越强，对于酸性土而言可能涉及到中和材料粒径与土壤颗粒[6]是否相互匹配的情况。在中值粒径（0.5 mm）时的 pH 值较粒径 0.27 mm 时的 pH 值有大幅下降，最终pH 值稳定在5.35 左右。随着粒径继续增大，pH 值下降速率更快，粒径变为3~4 mm 时，终点pH 值为4.27。通过对酸性土先氧化再中和试验显示（珊瑚砂与酸性土的质量比为1∶50，珊瑚砂添加量为0.1 g），随着粒径增大，珊瑚砂的中和能力和中和速率均呈现下降趋势。

图3 不同中和材料粒径中和性能测试Fig.3 The particle size neutralization performance test of different neutralizing materials

图4 不同粒径珊瑚砂先氧化再中和试验Fig.4 Test of coral sand with different particle sizes oxidized before neutralization

综上所述，珊瑚砂的中和酸性土能力与粒径有很大关系，总的来说粒径越小，中和能力越强，在0.15 mm 时有最佳效果，当粒径超过0.27 mm时，珊瑚砂对酸性土仍具有中和效果，在中值粒径0.5 mm 时的中和能力较0.27 mm 以下的珊瑚砂下降了20%，当粒径增大至3~4 mm 时，中和能力下降50%。从混合方式看，先氧化后中和最终的pH 值均高于同步混合的pH 值，由此说明先氧化后中和可以使硫酸更好地与中和材料反应。因此，需对现场疏浚土样进行PSD 实验，明确疏浚土大致粒径分布，计算有效中和能力，各钻孔土样的原状土粒径分布情况见表2。

表2 土样粒径分布统计Table 2 Statistics of particle size distribution of soil samples%

根据上述碳酸钙有效酸中和容量比例和土样粒径分析结果，本项目对土样的酸中和容量进行修正，经检测与计算，5 个钻孔共111 份土样的有效酸中和容量与潜在酸度的比值为3.1~100.6，远超要求的安全系数（1.5）。因此，根据原状土还原性硫及碳酸钙含量检测分析结果，东帝汶帝巴湾疏浚回填工程中的合格料（珊瑚砂）疏浚区，珊瑚砂中碳酸钙含量完全满足潜在酸性硫酸盐土的中和要求。

3 潜在酸性硫酸盐土体处置措施

鉴于疏浚吹填施工均为工程量巨大的土方工程，应尽力避免大量潜在酸性土壤酸化风险，针对帝巴湾项目存在的潜在酸性硫酸盐土的具体措施如下：

1）针对于疏浚E 区潟湖区疏浚土主要为红树林残体及淤泥质土，含潜在酸性硫酸盐土且土体无珊瑚砂（钙质砂）不具备自我中和能力，不满足吹填料质量需求。吹填造陆后土体易酸化造成环境污染，作为弃土处置。弃土方式采用绞吸挖泥船挖掘并管道输送至项目指定的海上抛泥区，排泥出口布置于水下12 m，降低对周边水质影响并可避免输送过程中与大气接触。

2） 鉴于上述SPOCAS 实验数据分析，疏浚A、B、C、D 区主要为珊瑚砂质土，土体自我中和能力强，疏浚土作吹填料处置，采用绞吸船吹填上岸进行造陆施工，具体措施如下。

①由于疏浚吹填过程中，将会对原珊瑚砂层破碎输送重组，并伴有吹填料流失，实际进入吹填区的潜在酸性硫酸盐土含量将会减少，珊瑚砂粒径分布也将与原疏浚区取样有所区别，因此需分区分层吹填（图5）以避免潜在酸性硫酸盐土局部汇集，造成后期处置难度。

图5 分层吹填进展Fig.5 Progress of stratified reclaiming

②加强吹填过程中土体的过氧化pH 值监控，确保符合环保质量要求，对部分不符合要求的区域采取水力冲填加大流失或机械推散拌合等手段，控制潜在酸土含量占比。

③碾压破碎部分珊瑚砂以作为备用拌合料，为后期局部区域的深层拌合处置做好准备。

4 吹填成陆后的土体酸度检测

吹填土酸度监测包括原位酸度（pHF）检测和经过氧化氢氧化后的酸度（pHFOX）检测。经检测的pHF 值应≥6，pHFOX 值应≥5。珊瑚砂采用分层吹填成陆，当吹填高度>0 m 时开始取样检测，根据吹填施工进度分层取样，取样检测频率为每吹填250 m3干砂检测1 次，于典型吹填料中人工取样。每份样品质量为200 g，现场采用ADWA pH 检测仪测定土样酸度。

现场检测方法为[7]：取样品置于量杯中，加水充分混合并沉淀，20 min 后采用pH 检测仪测定上清液酸度，获取吹填土原位酸度pHF；取样品置于量杯中，加20%浓度过氧化氢溶液充分混合并沉淀，40 min 后采用pH 检测仪测定上清液酸度，获取吹填土氧化后的酸度pHFOX。现场测定时，土样与水或过氧化氢溶液体积比采用1∶3，根据上清液酸度计算土样实际酸度：

pH土样=pH上清液-lg 4=pH上清液-0.602 0

实际吹填施工时，共取样472 组。经现场实测，0 m 以上吹填土的原位酸度pHF 为8.1~9.4，满足环境限值6 的要求；经过氧化氢氧化后的酸度pHFOX 为6.9~9.7，仅1 个样品实测值为4.7，满足环境限值5 的要求。

5 结语

在热带地区红树林栖息地周边疏浚吹填含潜在酸性硫酸盐土体时，应根据土体特性及潜在酸性硫酸盐的总量、环境允许极限、处置措施可行性、工期及经济效益等[8]，综合规划疏浚土的处置。对于土料中还原态硫含量较高或土的自身酸中和容量不足时，采用以下方法：

1）水下抛填：即采用耙吸船、抓斗船配合泥驳进行水下抛填或绞吸船水下抛吹工艺。

2）添加中和料：①中和料因地取材，推荐采用碳酸钙（石灰石）或珊瑚砂，因中和料有效中和容量与粒径负相关，故中和料应粉碎至0.5 mm以下。②中和料添加量应以最低水位以上砂土的体积为基础进行计算。通常珊瑚砂与疏浚土质量比为 9 ∶100（Ca∶S=18∶5）时便可将潜在酸性硫酸盐土的pH 值提升至6.5。③宜采取分区、分层吹填工艺降低分层吹填的厚度，便于采用陆上机械将中和料与土料搅拌均匀，同时增加土内氧气含量，加速潜在酸性硫酸盐土的氧化过程，提高中和速度。