大尺寸三维电动-水力渗透协同固结淤泥能耗特性

郑若璇，孙秀丽，王 渝，金 勋，郁秦杰，刘文化

（江南大学环境与土木工程学院, 江苏 无锡 214122）

近二十年来，随着经济的高速发展，我国大量建筑拔地而起，尤其在我国的东南沿海及珠江三角洲地区，由于城市建设用地紧缺，填海造陆、滩涂开发、软土地基加固等引起了人们的广泛关注。大型工程建设和可持续发展要求，催生了地基处理新技术的发展，我国在复合地基技术、真空预压技术、强夯技术、岛礁填筑技术等方面已经达到国际领先水平[1]。电渗固结法作为一种几乎不受水力渗透系数影响只受电渗透系数影响的排水固结方式，排水固结速度快、效果好且能够深入到软土深层，在处理深厚软土地基时具有很大的优势[2]。

目前对电渗法的研究多与其他地基处理方法联合使用，如堆载预压法[3−5]、真空预压法[6−9]、电化学法[10−11]等，以解决单一方法的局限性[3−5]。但目前对于电渗固结法的研究多停留在室内研究，在实际工程中未得到广泛的应用，这主要受制于电渗固结法的高耗能及大尺寸模拟困难等问题。

为解决电渗固结法的高耗能问题，许多学者在电渗固结法理论基础上[12−14]提出改善电渗固结技术的方法，主要集中在电极材料、电极布置方式、通电方式等方面的改变。选择不同的电极材料如铁、铜、不锈钢等金属材料和石墨电极、钛电极等惰性电极材料，均在电渗过程中有着不同的效果，在电渗过程中选择与试验条件合适的电极材料尤为重要[15−17]；除金属电极外，电动土工合成材料电极（EKG电极）也得到了很多专家学者的关注，EKG电极将电渗技术和土工合成材料应用相结合，制成一种能够导电的土工合成材料,可以消除或减弱传统电渗法采用金属电极带来的电蚀问题，同时可以加速孔压消散，加速土体固结等[18−20]。不同的电极布置形式如梅花形、正六边形、平行布置等对电渗效率有着不同程度的影响，选择合适的电极间距及电势梯度能够降低能耗、节约成本[21−22]。不同的通电方式如间歇通电、逐级加载、电极反转等，具有各自不同的优势，如间歇通电的优势在于可以节约能耗，逐级加载的优势在于提高最终土体的抗剪强度和固结度，电极反转的优势在于可使电渗后的土体含水更加均匀[23−25]。

室内小尺寸试验存在尺寸效应，致使大尺寸模拟困难[26]。研究发现，裂缝发展的巨大差异是导致单纯电渗模型试验与现场情况差别较大的原因，适当进行堆载可消除几何边界引起的尺寸效应[27]。也有学者进行了电渗现场试验，探究现场试验过程中的最佳施加电压，以及与真空预压联合使用时排水板的最佳排布形式[28−29]。

为解决目前电渗固结法的高能耗及大尺寸模拟困难等问题，本研究在电渗理论和固结理论的基础上，提出针对低渗透性、高含水量土体的三维电动-水力渗透协同固结思想，自行研制了一套结合阴极、集水、排水的多功能集排水系统，排水方式采用更加节约能耗的间歇式抽水方式。三维电动-水力渗透协同固结系统可以大大降低土体含水率、大幅度降低能耗、提高电渗效率，可为实际工程提供可靠的数据支持和设计依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

为验证三维电动-水力联合电渗系统的节能效果，采用2种不同的太湖底泥进行试验。太湖底泥的采集地点及物理性质见表1。试验前去除土体内杂质，烘干、碾碎、过2 mm筛，配置成55%含水率的土样，用于电渗试验。

表1 试验所用土体采集地点及物理性质Table 1 Sampling location and physical properties of soil used in the test

1.2 试验装置及步骤

1.2.1 三维试验

（1）试验装置

电动-水力渗透三维固结试验系统由电渗槽、多功能集水井、电源、数据采集装置、抽水泵等部分组成，见图1。

图1 三维电动-水力渗流固结装置示意图Fig.1 Schematic diagram of 3D electric-hydraulic seepage consolidation device

电渗槽为有机玻璃箱，内部尺寸为500 mm×500 mm×500 mm，厚度为1 cm，顶部开口。阳极为宽度10 cm、高度25 cm的角钢，分布在四角。阴极-集水-排水装置由阴极排水管、集水井、防堵塞装置3部分组成。阴极排水管采用圆柱形镀钌铱钛管，外径3.8 cm，长35 cm，管内填充由土工布包裹的碎石，防止堵塞，并可增加抽水液面高度，增强抽水效果；集水井采用长玻纤增强聚丙烯薄片，井壁上均匀分布直径1 cm的圆孔，便于土中水渗流进入集水井内；在井壁外侧包裹滤纸和废弃钢丝，用作过滤和防堵塞装置。本试验使用抽水泵进行间歇式抽水，即周期性关闭电源，断电后进行抽水，抽水结束后再继续通电进行电渗，抽水与电渗不同时进行。

本试验电路为并联电路，电源正极连接4个阳极板，负极连接阴极管。电渗过程中排出的水分汇集于集水井，再通过抽水泵定时抽出阴极管中的水，抽水时间间隔为8 h。将电流采集模块（8路热电阻模块，型号为JF-8PT100-4-003）和电势采集模块（24路全隔离直流电压采集模块，型号为ZH-44241-14F2）连接计算机采集系统，采集电渗过程中的电流和电势差。

（2）试验步骤

三维试验步骤具体如下：

①将阳极板安装到四角处；

②在装置内部四壁上涂抹凡士林，减小边界效应对试验结果的影响；

③将配置好的土样分层填入装置内，每层填入后对装置进行振捣以排出气泡，并将土体高度控制在25 cm，与阳极板齐平；

④将集水井放置在土样中间，尽量靠近装置底部，同时上部高于土体，防止土体进入集水井；

⑤连接电路和电流、电压等数据采集设备，之后开始试验。

1.2.2 一维试验

（1）试验装置

一维电渗试验装置由土样室、集水槽、电源、电流和电势采集系统、摄像头等组成，见图2。土样室为20 cm×10 cm×13 cm的有机玻璃槽；土样室与尺寸为3 cm×10 cm×13 cm的集水槽相连，并用直径为1 cm孔洞的有机玻璃隔板隔开。集水槽侧壁开有小孔，用橡胶管将水引入量筒，并采用摄像头，实时监控排水数据。阴阳极电极板尺寸均为10 cm×10 cm，阳极采用镀钌铱高纯钛板，阴极采用高纯钛网。一维试验的采集设备与三维试验相同。

图2 一维试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of 1D test device

（2）试验步骤

一维试验步骤具体如下：

①在阴极板外侧、带有孔洞的间隔板上铺设滤纸，阻止土颗粒进入集水槽，随后将阴阳极板放入到装置中；

②电渗槽内涂抹凡士林，减小边界效应对试验结果的影响；

③将配置好的土样分层填入装置内，每层填入后对装置进行振捣以排出气泡，土样高度控制在10 cm，与阴阳极板齐平；

④连接电路和电流、电压等数据采集设备，之后开始试验。

1.3 试验方案

为验证三维电渗装置对不同土体的效用，使用三维电渗装置对1号太湖底泥和2号太湖底泥进行了电渗试验（S1、C1），并设置了一维电渗试验作为对比试验（C2），各组试验条件见表2。

表2 试验条件Table 2 Test conditions

2 三维渗流装置原理

三维电动-水力渗流固结装置起到水力渗流及电渗流的协同作用。集水井-阴极管-间歇式抽水组合设计，在抽水后，阳极和阴极区存在水头差，实现三维水力渗流。另外，在电势差的作用下，水流在水平方向流动的同时在竖直方向产生流动，实现三维电动-水力协同渗流作用。渗流过程见图3。

图3 三维渗流示意图Fig.3 Seepage diagram of 3D electroosmosis

从理论上，电渗试验过程中的电渗流量可以通过电渗流流量公式计算得出：

式中：qe——电渗流总流量/（m·s-1）；

Ke——电渗透系数/（m2·s−1·V−1）；

ie——电势梯度/（V·m−1）；

A——渗流的面积/m2；

ζ——zeta电位/mV；

ε——介电常数/（F·m−1）；

η——黏滞系数/（N·s·m−2）；

n——土壤孔隙率/%；

∆V——电势差/V；

L——电流路径长度/m。

图4 传统一维渗流示意图Fig.4 Horizontal seepage diagram of 1D electroosmosis

3 结果与讨论

3.1 三维和一维电渗电流

一维电渗在排水终止时结束试验，试验时长45 h。三维电渗试验的体量较大、时间较长，为了便于比较，选择S1与C1排水量大致相同的节点作为试验结束的时间。试验进行至80 h时C1排水基本结束，此时S1与C1排水量基本相同，因此，在80 h终止S1试验。

图5为C2、S1和C1试验电流随时间的关系。如图5（a）所示，一维电渗试验C2的电流值随时间逐渐减小，C2的电流最大值为254 mA，最小值为39 mA。这是因为，在试验过程中，水分子和阳离子结合形成水化阳离子，随着试验的进行，水分和水化阳离子随着电流逐渐排出，系统内总电阻值随之逐渐增大。由欧姆定律可知，输入电压保持不变的情况下，由于系统内总电阻增大，电流值减小。

图5 电渗过程中电流值Fig.5 Current values during electroosmosis

如图5（b）（c）所示，S1 和 C1 的电流在试验过程中由于间歇式抽水，表现出重复减小——增大的现象。S1电流的低值点几乎相等，维持在840 mA左右，高值点逐渐降低，最高值达到1 947 mA；而C1电流的高值点和低值点均逐渐降低，最高值为1 557 mA，最低值为513 mA。

电渗开始后至第1次抽水前，S1、C1电流值均逐渐减小，这是由于电渗时间较短，水分和水化阳离子仅在土体内迁移，还未积聚到集水井中，系统内总电阻增大导致电流值减小；由于水是导体，电阻率极小，土体中的水分向阴极迁移并开始在集水井中积聚后，系统中的总电阻逐渐减小，电流值随之逐渐增大。每8 h抽水1次，每次抽水后电阻值增大、电流值骤减，而随着电渗的进行，水再次迁移至阴极集水井中，电流值再次逐渐增大。

每次抽水之后的电流最高值随着排水次数的增加而逐渐减小，这是由于随着土体中水分和水化阳离子的排出，系统内总电阻逐渐增大，导致其电流值逐渐减小。由于2种太湖底泥取自不同地点，S1中的有机质含量较高，有机质细胞内的水分无法排出，因此，电流最低值几乎保持不变，且电流值高于C1。

根据ESRIG[30]的理论，电渗排水速率为：

式中： υe——电渗排水速率/（m·s−1）；

Ke——土体的电渗透系数/（m2·s−1·V−1）；

Et——施加在阴阳极之间的电压/V；

S——通过水流或电流的土体截面面积/m2。

将式（4）中的电势差用电流强度代替：

式中： ρ1——土体的电阻率/（Ω·m）；

I——电渗流系统中的总电流/A。

由式（5）可知，系统内电流值越大排水速率越高。三维电渗集水井的设计使土中向阴极迁移的水聚集在集水井中，使得系统内电流保持在较高的范围，这是本系统固结效率较高的重要原因之一。三维协同电渗系统为并联电路，试验电流值始终远远大于传统一维电渗试验电流，这是该系统电渗效率始终远远高于一维电渗的又一重要原因。

3.2 三维和一维电渗试验排水量

由图5（a）可知，试验过程中一维电渗试验C2的电流值逐渐减小，电渗效率逐渐降低，导致其排水速率逐渐减缓，在45 h时排水完全停止，最终排水量为314 mL。由图5（b）可知，S1第3次抽水后的电流值维持在一个相对稳定的范围内，因此其80 h内排水速率变化幅度较小，排水稳定时间较长。C1的初始电流值高于S1，因此前期电渗过程中排水速率较快，但由于后期电流值在每次抽水后逐渐减小，排水速率减缓，排水稳定时间较短，C1在80 h时排水基本停止，且在80 h时排出了几乎等量的水。试验80 h时S1和C1的最大排水量分别为6 483 mL和6 433 mL。各试验排水量变化情况见图6（a）。

图6 电渗过程中排水量和总能耗Fig.6 Displacement and total energy consumption during electroosmosis

3.3 三维和一维电渗试验能耗

3.3.1 电渗过程中总能耗

电渗过程中的总能耗采用电流和电压对时间的积分进行计算：

式中：E——电渗过程中的总能耗/（W·h）；

U——电渗过程中的施加电压/V；

t——电渗时间/h。

三维试验时使用抽水泵抽水，抽水泵会消耗一定能量：

式中：W——抽水泵所消耗能量/（W·h）；

P——抽水泵的功率/W；

tp——抽水泵的使用时间/h。

本试验采用的抽水方式为间歇式抽水，每次时间较短，大约为3 min，抽水泵功率为150 W，三维电渗时每组试验共抽水10次，抽水消耗总电能为7.5 W·h。

S1电渗总能耗为2 602.82 W·h，与抽水消耗总电能相加总和为2 610.32 W·h；C1电渗总能耗为2 488.17 W·h，与抽水消耗总电能相加总和为 2 495.67 W·h ；C2总能耗为117.23 W·h，三维电渗试验的总能耗均为传统一维电渗试验的20倍左右，能耗之间的巨大差异主要由于三维试验与一维试验的体量相差较大。由图6（b）可知，3种试验条件电渗过程中的总能耗均呈现持续上升的趋势。

由于三维电渗系统的间歇式抽水使电流出现周期性减小——增大的现象，因此能耗在抽水前后出现波动，图7以S1为例示意了这种变化。由式（6）可知，在电源输入总电压不变的情况下，总能耗值只与电流值有关。抽水后至下一次抽水前，能耗的增长速率呈逐渐增大的趋势；抽水后，由于电流值骤然变小，能耗的增长速率骤然降低，其后再次逐渐增大，导致能耗增长速率波动。抽水后能耗增长率骤然降低，说明三维电渗装置中多功能集水井的应用及间歇式抽水设计有利于电渗过程中总能耗的降低，有利于提升电渗效率。

图7 S1、C1工况抽水点能耗变化示意图(以S1为例)Fig.7 Schematic diagram of energy consumption change at pumping point in S1 and C1 (Take S1 as an example)

3.3.2 平均能耗

三维电渗试验与一维电渗试验的体积和排水量均相差较大，为使能耗的对比更加准确，计算了2种试验结束时各组试验的平均能耗：单位体积排水能耗Ev，即每单位体积土体（1 m3）排水所消耗的平均能耗；单位体积单位排水量能耗Edv，即每单位体积土体（1 m3）排出单位排水量的水（1 mL）所消耗的平均能耗。计算方法为：

式中：V——土样体积/m3；

Q——排水量/mL。

图8为三组试验的Ev与Edv对比。试验结束时S1和C1的Ev和Edv大致相同， C2的Ev与Edv分别为三维电渗试验的1.5倍、30倍左右。因此，本研究采用的三维电渗装置单位能耗更低，电渗效率远大于传统一维电渗试验，且对于不同的土体均具有非常明显的降低能耗的效果。

图8 S1、C1和C2的Ev与EdvFig.8 Ev and Edv of S1, C1 and C2

需要说明的是，C1、C2试验在试验结束时排水均已停止，计算Ev、Edv的时间节点均为排水结束时间，S1选取80 h，即取S1、C1两组试验排水量大致相同的时间节点进行计算。此时S1的排水速率仍处于较高的状态，试验继续进行，排水量仍会持续快速增长，并且其能耗上升速率较慢。排水量上升速度快而能耗上升速度慢，S1的Ev与Edv仍会处于较低的水平，因此80 h时S1的计算结果能够代表S1的最终结果。

4 结论

（1）本研究采用的三维电动-水力渗透协同固结系统打破了传统一维和二维的电渗思路，采用环式布置电极，实现并联电路，提高系统电流。采用间歇式抽水方式，抽水后电流降低，减少能耗，结合多功能集水井使井内外形成水头差，并使电流维持在一定范围内，将水力渗流和电渗流相结合，达到二者协同的三维渗流效果，提高了电渗效率、降低了能耗。

（2）土体种类相同的情况下，三维电渗装置的单位体积排水能耗、单位体积单位排水量能耗分别为传统一维电渗排水装置的2/3和1/30左右，证明了三维电动-水力渗透协同固结系统拥有降低能耗的作用，并且该三维固结系统对不同种类的土体具有相同的降低耗能的效果。

（3）大尺寸三维电动-水力渗透协同固结系统可以解决电渗能耗高的关键问题，并且该装置及工艺易于现场操作，本研究成果可为实际工程应用提供可靠的数据支持和设计依据。