河湖清淤底泥处理工艺

2023-03-25刘琲韩文杰嘉兴市世纪交通设计有限公司

珠江水运 2023年5期

◎刘琲韩文杰嘉兴市世纪交通设计有限公司

1.引言

近年来，针对河湖底泥清淤的项目层出不穷[1,2]。对河湖底泥进行清淤不仅可以增加河湖容积，减少洪涝灾害，同时还可以将河湖底泥中的污染物一并清除，消除水体污染。河湖底泥清理出水后一般先置于废弃的坑塘之中或根据底泥工程量专门配置一处纳泥场用于暂时储存，待清淤底泥中的水分下降后，再运走使用或直接就地使用[3,4]。河湖底泥因长期浸泡于水中，因此往往土体含水量大，物理力学强度低，清理出水后，多呈流塑状，无法直接使用。因此，若要对河湖底泥进行利用，就需要采取一定的措施对底泥进行处理，以降低其含水率，提高其强度。目前工程界常用的方法有吹填后天然晾晒工艺、真空预压处理工艺和土工管袋脱水固化工艺。上述几种工艺各有特色，各自有各自的适用条件，因此在选取时，应根据项目的具体情况进行甄选，文章对上述几种工艺进行了介绍并提出其适用的条件，可为类似工程提供参考。

2.底泥处理工艺

2.1 吹填后天然晾晒工艺

天然晾晒工艺指的是将清淤出水的河湖底泥，采用管道输送或者其他运输方式运输至底泥储存场地。底泥运输至储存场后不进行人工干预措施，而是借助日光进行晾晒，将底泥中的水分蒸发掉，同时风干作用也会对底泥中水分的蒸发提供助力。该种方法不需要工程投入，造价较为经济，且低碳环保，但是该种方法与其他措施相比，因底泥中的水分蒸发较慢，因此普遍工期较长。因底泥顶部受日光和风干作用较大，蒸发速度较快，而下部底泥受日光和风干作用较小，水分蒸发速度较慢，这样处理的底泥容易形成表层硬壳，而下部仍是含水量较高的软土。遇到雨、雪、冰雹等降水天气，降水渗入到底泥中，底泥中的水分含量会再次上升，进而对底泥干化的进度造成影响。底泥存储的时间过长，会长时间的占用场地，导致该部分场地不能用作他用，可能会对其他计划利用该处场地的项目产生影响。

图1 清淤船照片

图2 底泥自然晾晒照片

图3 人工插打塑料排水板照片

图4 真空泵照片

图5 真空预压膜上覆水照片

图6 土工管袋脱水照片

2.2 真空预压处理工艺

2.2.1 真空预压法的原理

真空预压法处理河湖清淤底泥，是指借助真空设备产生的真空负压将河湖清淤底泥中的水分抽出，使底泥发生固结硬化，提高其强度[5]。真空设备目前常采用射流泵或水汽分离罐，真空设备产生的真空负压通过滤管在底泥表层进行水平传递，滤管管身上连接有塑料排水板，排水板插入底泥中，滤管中的真空负压通过塑料排水板传递到底泥中。塑料排水板呈扁平的带状，由内部的排水凹槽和外部的土工织物滤膜组成，滤膜可以起到滤土排水的作用。

为降低真空设备产生的真空负压传递的损耗，在清淤底泥的表面铺设有不透气的密封膜，密封膜四周埋入清淤底泥中，这样可以隔绝清淤底泥与大气的交换。

土体是固、气、液三相物质，土体颗粒所受的作用力为总应力，总应力为有效应力和孔隙水压力之和，即满足下式要求：

σ（总应力）=σ′（有效应力）+μ（孔隙水压力）；

不同于堆载预压处理软泥的原理，真空预压法是基于有效应力原理，即土体所受的总应力不变，通过真空设备产生的真空负压将土体中的孔隙水排出，从而降低其孔隙水压力，则土体所受的有效应力相应增加。由于土体固结密实的原因使土体所受的有效应力增加，所以在真空预压作用下，土体中增加的有效应力将促使底泥发生固结。

真空预压法处理软泥常用于沿海的吹填成陆工程，从问世以来已经40余年，历经多年的发展，其工艺已逐渐趋于成熟并逐步应用到河湖清淤底泥的脱水处理之中。该种方法施工便捷、造价较为经济，且环保污染少，可以快速的对软土进行加强，是目前应用较为广泛的处理方法。

2.2.2 真空预压法的技术要点

①插打塑料排水板。塑料排水板即是传递真空负压的竖向通道，又是底泥中水体排出的竖向通道，对底泥处理具有至关重要的作用。塑料排水板的主要设计参数为排水板间距和插打的深度，目前塑料排水板的间距主要依据太沙基原理进行计算，常用的间距为0.8m～1.2m之间。塑料排水板的插打深度主要依据软泥的深度确定，一般应穿透软泥层并将塑料排水板的底端插入到不透气土层顶面以下0.5m左右。若软泥下部为透气土层，则塑料排水板的底端则不打透软泥层，而是将塑料排水板的底端高程插至软泥层底面以上0.5m，以防止透气。因河湖清淤底泥含水量较高，承载力较弱，无法为塑料排水板桩机提供承载力，因此多采用人工进行插打。

②真空系统安装。铺设滤管，将滤管与排水板连接并确保滤管平顺。滤管与出膜管等管路视情况采用二通、三通和四通进行连接。开挖压膜沟进行边界密封，压膜沟底部应挖至不透气土层顶面以下至少0.5m。安装射流泵（约每1000平方米布置一台泵），将出膜管与射流泵连接。射流泵的功率应不小于7.5kW，扬程不小于26.0m，安装后的射流泵应能形成不小于96kpa的真空压力。正式抽气前应进行试抽气，要求分3批循环开启真空泵，每批试抽气时间为3天，试抽气总时间不少于9天。试抽气期间应对密封膜的密封性进行检查，发现漏气情况及时处理。全部真空泵开启后膜下真空压力不小于85kPa。

③膜上覆水。开始抽真空且膜下真空度达到85kPa后，可在膜上进行覆水。膜上覆水深度0.2～0.3m为宜。因真空预压抽气时间多在3个月以上，在此期间，密封膜很容易受到太阳光紫外线和风化作用的损害而产生漏洞，进而产生漏气，影响真空预压处理效果，膜上覆水可以对密封膜起到保护作用。

2.2.3 真空预压法的适用范围

真空预压法适用于处理的底泥土质主要是软弱粘性土、淤泥等，不适用于处理渗透性较大的砂性土。同时真空预压工艺一般加固脱水深度可达15～20m，适用于处理深度比较大的底泥软土。

2.3土工管袋脱水固化工艺

土工管袋是一种由高强度土工织物编制成的大型管袋或包裹体，其直径可根据需要进行调整，实际应用中最大已超过10m，长度可达数十米。土工管袋在沿海吹填成陆工程项目中可用于制作围堰，施工效率高，且造价较为经济。伴随河湖底泥清淤项目的开展，目前已经逐步应用于内陆河湖清淤底泥的脱水处理中[6]。清淤底泥由清淤设备挖出后由管道进行输送时，将一定剂量的高分子絮凝剂溶液混入到底泥输送管道之中，混合后的絮凝剂溶液和清淤底泥泥浆一同流入到土工管袋中。混合后的浆液在土工管袋内部发生沉淀离析，固体颗粒在絮凝剂的作用下快速的沉淀，泥浆中的水体析出于土体的上部。析出的水体在重力作用下流出土工管袋的袋体，将底泥留置于土工管袋之内。

土工管袋脱水固化工艺主要由清淤、输泥、投药、脱水、固结五个阶段组成，每个阶段的主要内容如下：

1）清淤：采用挖泥船、气动泵、挖掘机等器械实施生态清淤。

2）输送：采用封闭式管道进行输送，密封性好，过程中不出现撒漏现象。

3）投药：采用投放絮凝剂的方式，提高底泥脱水的效率。

药剂投放操作步骤：根据工程实际，确定清淤泥浆流量、浓度、最佳絮凝剂浓度和流量以及土工管袋的材质、孔隙大小等指标。清淤底泥进入底泥输送管道以后，通过加药系统将具有提高底泥沉淀作用的高分子絮凝剂加入底泥泥浆之中。该种工艺通常在清淤底泥输送管路上设有底泥取样装置，可以及时对絮凝效果进行监控，从而对加药量进行动态调整。

4）脱水：在高分子絮凝剂和重力作用下，泥浆中的土体在土工管袋内发生沉淀，泥浆中的水体析出于上表层。重力作用下，析出的水体经土工管袋外壁的孔隙排出。排出的水体经提前布置好的排水通道流入到余水处理系统中进行处理。

5）固结：随着底泥中的水体不断的析出，土体不断的发生固结密实，物理力学性能得到提高。固结干化后的底泥可用于土地改良，当作绿化农田用土，也可以运至专业的水泥或制砖厂进行资源化再利用。

由于泥浆存储于土工管袋的袋体中，不会产生流溢现象，因此无需新建围堰用于挡泥，只需一处较为平整的空地作为作业场地即可。同时该种方法因采用了高分子絮凝剂加速了土体的固结速度，因此具有工期短的特点。与自然晾晒工艺相比，该种工艺受天气的影响较小、土工管袋的占地面积可以根据工程实际情况确定，具有较强的适用性、土工管袋可以相互堆叠多层，具有节约占地面积，提高土地利用率的积极效果。