水力冲挖淤泥水平电渗联合堆载预压法脱水试验研究

2021-04-21陈人瑗邱珍锋武立清

人民珠江 2021年4期

杨洋，陈人瑗，邱珍锋，武立清

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.重庆交通大学重庆市高校水工建筑物健康诊断技术与设备工程研究中心,重庆 400074)

水力冲挖淤泥含水率高达400%，且淤泥质颗粒小、沉淀慢，渗透性差、泥水自然分离时间长，传统的脱水方法存在局限性，迫切需要开展淤泥的泥水快速分离方法的研究。

Casagrande在1939年首次将电渗应用于岩土工程当中[1]，并在此后将该方法应用于软土加固中。1967年Gray和Mitchell阐明了电渗效率的理论[2]。1968 年，Esrig 提出了一维电渗固结理论，用于解释电渗过程中孔隙水压力的增长和消散现象[3]。Wan 和Mitchell于1976年在Esrig 理论的基础上提出电渗联合堆载预压的一维固结理论[4]。Shang将一维固结理论扩展到二维空间，分析了软土地基中电渗法运用的工程案例，取得了不错的效果[5]。张雷等[6]采用不同材料电极进行电渗排水固结试验，研究了不同电极材料对电渗加固软粘土效果的影响，论证了新型复合电极的优越性。在地基处理工程中，电渗固结技术能有效提高软土的固结度、缩短固结时间[7-9]，解决低渗透性地基排水固结问题；在排涝降水工程当中，采用电渗和井点降水结合的方法，取得了很好的效果[10]。但是水力冲挖淤泥中，由于含水率远远超过软土中的含水率，利用电渗联合真空方法对河道底泥进行脱水处理的研究[11-13]尚不清楚。

传统电渗联合真空方法[14]中，电极往往是竖直布置，处理后的电极之间产生自上而下的贯穿裂缝，这种纵向裂缝直接阻断了阴阳极之间的通路，使得土体电阻增大，电流降低，严重影响电渗效果，根据李一雯等[15]试验结果，裂缝分布见图1。本文使用的水平电渗法电极为水平布置，阴极布置于淤泥底部，阳极布置于淤泥表面。淤泥自重以及上部荷载可以有效抑制阴阳极之间的裂缝开展，另外，阳极位置随淤泥沉降而降低，阴阳极距离不断减小，电势梯度不断增大，有利于提升电渗脱水效果。

图1 电极竖直布置裂缝分布示意

笔者设计了水平电渗法处理水力冲挖淤泥的模型试验，采用水平电渗联合堆载预压的方法对水力冲挖淤泥进行脱水处理，验证了电渗法用于淤泥脱水处理的可行性，论证了水平电渗法的优势，揭示了堆载作用对水平电渗法处理水力冲挖淤泥效果的影响。

1 试验方法

1.1 试样制备

本次试验选取阜阳市骆家沟清淤工程中水力冲挖疏浚淤泥作为试验样品，样品见图2。通过含水率试验测试，采用水力冲挖方式疏浚的新鲜淤泥初始含水率为442%。采用等离子体发射光谱仪对河道底泥试样的主要化学成分进行测定，知其有机质含量为87.1 g/kg。对骆家沟淤泥处理池取样，测得淤泥颗粒级配见表1。

图2 淤泥试样

表1 淤泥颗粒级配

1.2 试验装置及试验准备

模型试验采用塑料淤泥试验槽，尺寸为50 cm(长)×40 cm(宽)×30 cm(高)。阴极和阳极采用带孔铁板，排水结构采用直径8 mm带孔塑料管组装而成(图3)。阴极和排水结构布置于试验槽底部，阳极布置于淤泥表面(图4)。排水结构与真空泵相连。试验过程中，水由阳极向阴极移动，最终通过阴极底部的排水结构排出。真空泵采用750 W无油真空泵，用于抽取空气，抽出阴极汇集的水。水气分离罐为不锈钢材质，一端与真空泵连接，一端与底部排水结构连接，试验过程中罐内保持一定负压，抽出并暂时贮存淤泥中的水(图5)。

图3 阴、阳极电极板

图4 预制底部排水结构

图5 试验装置安装示意

阴极电极板与直流电源负极相连接，阳极电极板布置于淤泥表面与直流电源正极相连接，水气分离罐一端与试验槽出水管相连，一端与真空泵相连。试验过程中，水由阳极向阴极移动，最终通过阴极底部的排水结构排出。

1.3 试验方案

为研究堆载对水平电渗法脱水效果的影响，设置3组模型试验，试验方案见表2。

表2 试验方案

持续通电和抽气，直至水气分离管内排水质量不再增加。试验进行时监测淤泥排出水的质量、电流、电势和沉降值，试验前和结束后分别测量土体含水率，分析淤泥形变特征、能耗系数。

2 试验结果分析

2.1 淤泥形变特征分析

试验结束后，观察和分析淤泥体的外观和裂缝开展情况(图6—8)。裂缝宽度越大，越容易阻断电渗中的电流，不利于电渗的进行。观察可得，不加堆载处理的淤泥裂缝最宽大。上部荷载越大，裂缝的宽度越小。这说明上部的荷载可以有效的限制裂缝的宽度，有利于抑制电阻的激增。

图6 不加堆载处理的淤泥

图7 施加4 kPa堆载处理后的淤泥

图8 施加8 kPa堆载处理后的淤泥

此外，对淤泥竖直方向淤泥高度变化进行了分析。因水力冲挖淤泥固结应变可达到 40%以上，此时太沙基单向固结理论的应变假定不适用于计算该类土体固结沉降，故本试验不使用单向固结理论对不同外载下土体沉降值进行计算。

试验过程中取淤泥表面各位置测量淤泥高度，测量结果取平均值。初始高度减去当前高度计算淤泥表面沉降值，并绘制沉降值随时间变化的曲线(图9)。由不同荷载下沉降随时间变化曲线得：上部荷载越大，淤泥的沉降越大。原因主要包括2个方面：一方面由于堆载的压实作用，使土体排水固结引起沉降；另一方面由于荷载限制了裂缝的扩展，减缓电流的衰减，有利于淤泥脱水，间接促进了淤泥沉降。2号槽中裂缝处分布的白色物质为霉菌菌落，是由于淤泥中有机质含量丰富导致，对淤泥变形影响可以忽略。

图9 不同荷载下沉降随时间变化

2.2 排水量与排水速率

本次试验荷载采用分级加载的方式，1号试验槽不加载，2号和3号试验槽在36 h时施加堆载4 kPa，3号试验槽在72 h再次施加堆载4 kPa，3号试验槽共计堆载8 kPa。

在模型试验过程中收集水气分离罐中的水，记录淤泥排出的水的质量，并绘制累计排水量随试验时间的变化曲线图。图10中，36 h第一次施4 kPa加荷载后，施加荷载的2号和3号试验槽排水量开始大于不施加荷载的1号试验槽；72 h时在3号试验槽第二次施加荷载，排水量出现显著增长。试验结果表明，上部堆载能有效增加排水量，堆载越大，排水量增加越明显。

图10 累计排水量变化

2.3 电流随时间变化

试验过程中监测阴阳极之间的电流值，绘制电流随时间变化曲线，见图11。从图中可以看出，电流值随时间增加而减小，最终稳定在0.2 A左右，不加荷载的试验，电流值在0～45 h时快速降低；加4 kPa荷载的情况，淤泥在50～90 h快速下降，加8 kPa荷载的试验，电流值在90～100 h之间快速下降。同时，在每次施加荷载后的一段时间内电流值略有增大。因此，淤泥表面施加堆载可以一定程度减缓电流值的衰减，有利于淤泥脱水固结。

图11 电流随时间变化

2.4 含水率变化

本次试验分别对试验槽上部、下部和整体的淤泥取样进行含水率测试，试验结果(表3)表明，上部靠近阳极的淤泥含水率较低，底部靠近阴极的淤泥含水率高，这是由于水从阳极向阴极运移，并在阴极汇集，未来得及排出。上部加堆载后，处理效果也有明显提升，且堆载越大，相同位置的淤泥在处理后含水率越低。在施加8 kPa荷载的试验方案中，上部的淤泥得到了比较充分的脱水干化，含水率仅为42.66%。

表3 含水率测试结果

2.5 有效电势分析

由于整个电路中会产生热能，会损耗部分电能，通过土样的两端电压不可能是电源输出电压，因此为了监测土样中的实际电压，分别在土样距阴阳两电极10 mm 处放置直径为1 mm 的测针；用万能表分别监测了阴极与土体间的电势降、阳极与土体间电势降。有效电势定义为输出电压减去两极的电势降，可以评估通过土体中的有效电势。

通过监测阴极、阳极电势降，计算得有效电势，并绘制于有效电势随时间变化，见图12。一方面，发现淤泥中的有效电势呈现整体先增大后减小的变化规律，这与土体成分的非均质特性有关。电渗早期的试验过程中，电流在土体中形成复杂的通路体系，形成的导电路径越多则电路中的电流越大，此时淤泥的含水率还很高，根据欧姆定律，U=IR，因此有效电势出现增大的趋势。当电渗试验进行到后期，土体含水率下降，电阻增大，电流减小，有效电势降低。另一方面，上部施加荷载后，有效电势降低的时间延后，更有利于电渗脱水效果。

图12 有效电势随时间变化

2.6 能耗系数

李瑛等[16]为研究不同电源电压作用下电渗的能耗水平，定义了能耗系数C，见式(1)：

(1)

式中φ——电源的输出电压；It——在通电后某时刻土体中的电流；Qt1—2——通电时间t1到t2时间内的电渗排水量；V——土样的初始体积，本试验中V等于0.02 m3。

如果t1和t2较接近，那么C就能表示电渗过程中任意时刻从单位体积土中排出单位体积水所消耗的电能。

计算不同堆载下水平电渗法能耗系数，绘制能耗系数随时间变化的关系曲线，见图13。由曲线图可以看出，在电渗的前期和中期，3种方案的能耗系数均维持在较低水平，能耗系数值小于20 kW·h/(L·m3)，在100 h时上部不堆载方案的能耗系数突然快速增大，120 h时，堆载4、8 kPa方案的能耗系数也出现相同趋势变化，且同一时刻堆载越小，能耗系数越大。这是由于在电渗末期，排水速率越来越接近0，而淤泥体中仍有一定大小的电流，导致能耗系数迅速增大。