干滩河床淤泥浅层原位固化施工关键技术研究

2023-03-13陈伟李小刚周顺万李勇

中国港湾建设 2023年2期

陈伟，李小刚，周顺万，李勇

（1.武汉二航路桥特种工程有限责任公司，湖北武汉 430071；2.中交二公局第五工程有限公司，陕西西安 710065）

0 引言

针对年平均降雨量较小的西北城市，为保障河流的生态基流，部分河段修建拦河坝增加蓄水量；同时减缓了河道内水流速度，极大地增加了淤泥在坝前河段的沉积。而大部分城市内河兼有行洪、景观、排污等多种功能[1]，在泥沙沉积过程中，将吸附大量生活废水中的有机污染物，导致淤泥的成分十分复杂。在厌氧环境中，有机污染物逐渐被分解，并伴随NH3、NH4-N、H2S 等释放到水体中，成为水体的内源污染。由于沉积特征和成分组成的不同，导致城市河道底泥与湖相、海相淤泥的性质存在较大差异[2-3]，亟需研究河道受污染底泥的无害化、资源化处理处置技术，解决河道底泥的淤积和污染问题。

由于城市河道淤泥的含水率高、黏粒含量高、有机质含量高等特点，国内外已有大量学者从淤泥固化土的力学指标[4-6]、环境影响[7-9]和固化工艺[10-11]等多角度开展了研究。刘青松等[4]进行模型试验研究，结果表明淤泥上覆固化土地基的极限承载力随固化土的无侧限抗压强度的增加呈指数增加的趋势。夏威夷等[7]通过对比固化场地的浸出特性，结果表明原位固化场地重金属浸出浓度大幅降低。章云等[10]开展原位固化施工的现场试验，结果表明原位固化土场地承载力满足要求。

本文采用原位固化工艺对河床淤泥进行浅层固化处理，采用固化土的无侧限抗压强度、静力触探等力学指标，以及固化土浸出液的总磷、总氮、重金属浓度等环境影响指标，多角度论证了干滩河床淤泥浅层原位固化处理技术的可行性，为类似工程的设计、施工提供参考建议。

1 工程概况

灞河是渭河的一级支流，全长104.1 km，平原段长度70.6 km。施工河段位于西安市，枯水期流量仅为17 m3/s。因此，采用导流明渠导排上游的常水头径流，形成干滩河床，为原位固化工程的实施创造条件。

工程施工河段南起广运潭溢流坝，北至1 号液压坝，全长约2 645 m，河道平均宽度430 m，淤积区域总面积为816 278 m2。根据现场勘察情况，淤泥呈灰黑色，流塑，局部软塑，以黏性土为主，味腥臭，属高压缩性土。淤泥的分布特征为西侧厚，分布厚度在2.0～5.0 m；东侧薄，分布厚度在0.3～2.0 m。

2 工艺试验

2.1 工艺介绍

根据施工区域的淤泥性质，设计相应的配合比，固化剂采用浆剂（水灰比为0.7）。施工过程中，固化剂通过螺旋输送机输送至制浆搅拌机，并与水混合后制成固化剂料浆；再通过泥浆泵将固化剂料浆输送至原位搅拌设备的搅拌头喷浆口。

搅拌施工工艺流程如下所述：1）搅拌头对准设计桩位后，搅拌设备采用直插式对淤泥进行原位搅拌；2）搅拌设备正转运行缓慢下降搅拌头并喷射固化剂料浆，直至达到固化设计高程；3）搅拌设备反转运行缓慢提升搅拌头，直至达到原地面高程；重复上述步骤直至固化剂添加量达到设计使用量；4）上一区块拌合焖料养护24 h 后，可铺设钢板作为下一区块搅拌设备的支撑平台，同时对该区块起到预压作用。具体的原位固化工艺示意图见图1。

图1 原位固化工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of in-situ solidification process

2.2 试验方案

针对施工河段内的淤泥成分复杂、厚度分布不均匀、存在污泥夹层的情况，在河道桩号K1+800—K2+000 内，选取3 个矩形试验区（每个试验区面积为300 m2；为方便施工，将每个试验区分成10 个细分区块，尺寸均为5 m×6 m）。其中，试验A 区、B 区和C 区的试验固化深度分别为0.5 m、1.0 m、2.0 m；且每个试验区内选取3 个细分区块，固化剂设计掺量分别为3%、4%和5%。通过试验对比分析，确定适合该场地原位固化施工的配合比以及施工设备的运行参数。

2.2.1 配合比设计

由于施工区域淤泥成分复杂，性质不均匀，固化效果难以判断。针对每个分区，分别采用不同的固化剂掺量进行配合比试验，具体配合比设计如表1 所示。

表1 各细分区块的配合比设计表Table 1 Mixing ratio design of each sub-area

2.2.2 设备参数设计

由于固化剂掺量不同，需适时调整制浆系统、输送系统和搅拌系统的相关参数[10-11]，以保证固化剂掺量的准确度和搅拌的均匀性。固化剂输送流量计算公式见式（1），具体设备调整参数如表2 所示。

表2 原位固化施工工艺设备参数表Table 2 Parameters of technological equipment for in-situ solidification

式中：Q 为输送泵出浆流量，m3/h；r 为搅拌头半径，m；γ 为淤泥湿容重，kg/m3；α 为固化剂掺量，%；m 为水灰比；v 为搅拌头升降速率，m/min；n为喷浆循环次数；ρ 为固化剂料浆容重，kg/m3。

3 检测结果及分析

3.1 固化土强度指标试验

图2 为各试验区固化土28 d 无侧限抗压强度对比图。其中各指标的数值均为30～50 组土样数据的平均值。

由图2 可知，以试验C 区数据为例，固化剂掺量5%的固化土无侧限抗压强度相比掺量4%的平均增幅为71.3%，相比掺量3%的平均增幅为264%。这说明随着固化剂掺量的增加，胶凝反应物明显增加，固化土无侧限抗压强度明显增加。结合式（1）和表2 可知，固化剂掺量越高，搅拌头的转速不变、升降速率降低，搅拌均匀性更好。由此可知，固化剂掺量和搅拌均匀性是影响原位固化施工质量的2 个主要因素。

图2 各试验区固化土无侧限抗压强度对比图Fig.2 Comparison of unconfined compressive strength of solidified soil in test areas

对比各试验区不同固化深度的固化土无侧限抗压强度可知，当固化剂掺量为5%，固化深度为0.5 m、1.0 m 和2.0 m 时，固化土28 d 无侧限抗压强度呈非线性增长，分别为240.98 kPa、308.25 kPa 和375.43 kPa。这说明在固化剂掺量不变，搅拌头提升速率一致的情况下，随着设计固化深度的增加，喷浆循环次数增加，使得固化土的均匀性增加，固化效果更明显。

3.2 静力触探试验

图3 为各试验区固化土的Ps-Z 曲线图。以试验C 区数据为例，固化剂掺量5%的固化土Ps值相比掺量4%的平均增幅为60.09%，相比掺量3%的平均增幅为304.29%。对比各试验区不同固化深度的Ps值可知，当固化剂掺量为5%时，固化深度为0.5 m、1.0 m 和2.0 m 的比贯入阻力Ps平均值呈非线性增长，分别为1.01 MPa、1.20 MPa和1.87 MPa。上述2 种现象均与3.1 节的结论基本保持一致。

图3 各试验区的Ps-Z 曲线Fig.3 Ps-Z curve of each test area

对比各试验区的Ps值可知，干滩河床淤泥浅层原位固化的优化工艺参数为：固化深度2 m、固化剂掺量5%。根据《工程地质手册》（第5 版）的相关经验公式（2）可知[12]，在优化参数情况下，固化土Ps平均值为1.87 MPa，对应的不排水综合抗剪强度Cu为61.6 kPa ＞25 kPa，满足覆盖土的基本指标限值要求。

4 工程实施

综合考虑工期计划、淤泥厚度以及河道内现存水道位置，以南北向导流明渠为分界线，将施工范围划分为5 个区域（1 号坝坝前区、北一区、北二区、南一区、南二区）进行组织施工，具体施工总平面图见图4。根据各区域的淤泥厚度和受污染程度的不同，设计不同配合比和设备参数。其中，南一区使用配合比编号A-1、设备参数编号SCS-1；南二区和北一区使用配合比编号B-2 的配合比、设备参数编号SCS-2；北二区使用配合比编号B-3、设备参数编号SCS-3；坝前区使用配合比编号C-3、设备参数编号SCS-3。施工过程采用南北两幅同步施工，从东往西有序推进。经过施工养护28 d 后，对场地进行静力触探检测，其结果基本与3.2 节所述的试验数据保持一致。

图4 固化施工总平面图Fig.4 General plan layout of solidification process

5 固化土环境影响

为分析固化土对河道的环境影响性，在原位固化施工后养护28 d，分别对南二区、北一区、坝前区的固化土进行取样，检测其TP、TN、重金属的浸出液浓度，并与原状淤泥的各项检测指标对比分析，具体数据见表3。

表3 不同分区固化土检测数据Table 3 Test data of solidified soil in different sub-areas

由表3 所示，原泥浸出液中的总磷（TP）超标8.53 倍、总氮（TN）超标7.07 倍，重金属浸出液浓度均未超标；固化土浸出液中各检测指标均在GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准限值以内。对比原泥和固化土的数据可知，总磷、总氮、铜、锌、镍、砷的浸出液浓度明显降低。由此可知，固化土基本不影响河道水质，且固化土具有明显的固氮、固磷和稳定重金属作用，能阻隔下卧层的污染物向水体释放，具有一定的改善水质作用。