港口疏浚泥在海涂圍墾工程中資源化利用研究

盧成標(biāo)，黃亦真，劉干斌

（1.浙江省蒼南縣發(fā)展和改革局，浙江 溫州325800;2.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

港口疏浚泥在海涂圍墾工程中資源化利用研究

盧成標(biāo)1，黃亦真2，劉干斌2

（1.浙江省蒼南縣發(fā)展和改革局，浙江 溫州325800;2.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

針對巴艚漁港和華潤浙江蒼南發(fā)電廠工程產(chǎn)生的大量疏浚量，提出疏浚量在江南海涂圍墾工程資源化利用方案。通過對巴艚漁港工程地質(zhì)條件和粒度成分分析，并進行疏浚泥落淤試驗，提出了疏浚泥吹填軟基真空預(yù)壓聯(lián)合堆載加固實施方案，并利用有限元技術(shù)對真空預(yù)壓聯(lián)合堆載處理軟基進行沉降計算，結(jié)果表明：本工程疏浚泥可以在海涂圍墾工程中資源化利用，真空預(yù)壓聯(lián)合堆載軟基處理可以達到加固效果。

疏浚泥；軟基處理；資源化利用

疏浚泥是一種大量發(fā)生，拋泥處理又會對環(huán)境產(chǎn)生污染的廢棄物。根據(jù)日本對建設(shè)廢棄物的處理經(jīng)驗，將廢棄物疏浚泥轉(zhuǎn)化為用于填土工程、水利工程、道路工程的良好材料，可以得到良好的技術(shù)經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。隨著社會的發(fā)展，我國東部沿海地區(qū)各項工程建設(shè)中產(chǎn)生了大量的疏浚泥，同時沿海地區(qū)土地資源稀缺，吹填造地勢在必行。

1 工程概況

蒼南縣位于中國黃金海岸線中段，海域遼闊，全縣海岸線252 km(其中大陸海岸線長168.8 km)，沿海灘涂面積97.24 km2，港灣、灘涂和海洋生物資源得天獨厚。擬建和正在建設(shè)的臨港產(chǎn)業(yè)項目（江南海涂圍墾工程，圖1）、浙江蒼南電廠項目、溫州蒼南（巴艚）中心漁港工程，總投資約180億元。江南海涂圍墾工程位于浙江省蒼南縣東部，東臨東海，南接琵琶山和巴艚港，北鄰鰲江。圍區(qū)灘地平坦，涂面寬廣，南北平均長8.5 km，東西平均寬3.5 km。該海涂外圍由北堤、順堤和舥艚堤3條堤線圍成，圍涂內(nèi)由上隔堤和下隔堤把圍區(qū)分隔成3塊，圍涂總面積約4.34萬畝（28.9 km2）。圍堤工程建設(shè)所需填料原擬采用石料、砂礫石和土，其中石料約620萬m3、砂礫石約9萬m3和土方約1 049萬m3。華潤浙江蒼南發(fā)電廠工程位于蒼南縣巴艚鎮(zhèn)境內(nèi)，碼頭區(qū)需浚深10 m，疏浚量為500萬m3，航道需浚深10 m，疏浚量為670萬m3，每年需維護疏浚量150萬 m3。溫州蒼南（巴艚）一級漁港依托于江南圍墾工程，漁港建設(shè)過程中，港池及航道需要疏浚，浚深到-6.5 m，疏浚量為367.69萬m3。

三大項目位于敖江口南岸區(qū)域，江南海涂圍墾工程需要接納大量的石料、砂礫石和土石方，而蒼南電廠和中心漁港的碼頭、港池、航道將產(chǎn)生大量的疏浚泥。若能有機結(jié)合疏浚物的傾倒和填埋，將疏浚物吹填到圍墾區(qū)內(nèi)，可以防止疏浚物污染海洋環(huán)境，形成疏浚、填埋、保護海洋環(huán)境三贏工程，同時達到降低三大工程的投資成本，提高經(jīng)濟效益具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

吹填土主要為浮泥～淤泥，屬于超軟弱土，含水率高、壓縮性大、強度及承載力極低，在荷載作用下會產(chǎn)生相當(dāng)大的沉降，影響建筑物的正常使用，需要利用真空預(yù)壓法或堆載預(yù)壓法進行軟基處理[1-4]，并對吹填地基的沉降進行計算[5-6]。因此，本文首先對疏浚泥粒度成分進行分析，進而闡明疏浚泥資源化利用的可行性，提出了吹填軟基處理的技術(shù)方案，并對處理軟基的沉降進行計算分析。

圖2 圍墾平面圖

2 疏浚泥粒度成分及資源化利用方案

2.1 疏浚泥粒度成分

疏浚泥的物質(zhì)組成，特別是其粒度組成及粘土礦物成分(見表1)是影響吹填泥漿沉降、固結(jié)特性的重要因素。土的粒度成分和顆粒形狀與土的成因類型有密切關(guān)系，各種成因的土都具有一定的粒度特點。通過對巴艚漁港的疏浚泥進行顆粒分析試驗，發(fā)現(xiàn)其粘粒含量較高。由加分散劑和不加分散劑的對比試驗可以看出：加入分散劑后，疏浚泥各粒組百分含量均有不同程度的改變，尤其是出現(xiàn)了粘粒組，表明改變較為顯著。其主要原因是，原土中含有一定量的由粘粒、粉粒結(jié)合形成的具有一定抗水性能的“團?！保瑘F聚度為1.61，如表2所示。按地礦部土工試驗規(guī)程中土的分類標(biāo)準(zhǔn)，將該土定名為粉質(zhì)輕粘土。

表1 吹填土的粒度

表2 落淤孔隙比

圖2 鹽度對孔隙比的影響

由于海水鹽度對落淤有一定的影響，不同鹽度條件下的落淤孔隙比如表2所示，孔隙比隨鹽度變化規(guī)律如圖2所示，可見鹽度在3.2%時孔隙比最大，即在這一鹽度條件下淤泥的沉落速度較慢，所需時間較長，土樣含水量最高。

2.2 疏浚泥利用方案

由于疏浚泥海洋傾倒對環(huán)境和生態(tài)帶來破壞性的影響以及臨時性海洋傾倒區(qū)外移引起的經(jīng)濟問題，疏浚泥海洋傾倒面臨諸多困難，這些困難將是今后相當(dāng)長時期困擾和阻礙港口、航道和海岸海洋工程建設(shè)和發(fā)展的巨大障礙。只有將疏浚泥轉(zhuǎn)化為再生資源，才能從根本上緩解海洋工程建設(shè)中疏浚泥的出路問題，根本上解決疏浚泥傾倒與海洋環(huán)境和資源保護的矛盾。將疏浚泥轉(zhuǎn)化為再生資源，要根椐疏浚泥的性質(zhì)科學(xué)合理地開發(fā)利用。根據(jù)目前國內(nèi)外疏浚泥的處理情況，可以將疏浚泥的再利用方式有物理方法、化學(xué)方法和熱處理方法三大類。從原理上講，處理疏浚泥的方法雖有以上3種，但從目前工程應(yīng)用出發(fā)，采用物理方法將疏浚泥吹填造地是應(yīng)用最多、技術(shù)成熟、造價低廉的方法。根據(jù)疏浚泥粒度成分分析及相關(guān)試驗，本工程疏浚泥適用于吹填。

3 吹填軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固及沉降計算

3.1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法實施

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固地基之前，對局部超軟弱場地先采用淺表層快速固結(jié)法加固。地基加固過程中應(yīng)注意的事項：(1)吹泥區(qū)在進行淺表層快速加固時，會發(fā)生較大的地表沉降，為防止加固區(qū)外的水和浮泥等進入加固區(qū)域，影響施工安全，吹泥區(qū)四周筑分隔圍堰。(2)排水板施打底標(biāo)高按試插結(jié)果控制，底部以穿透淤泥層并進入其下的粉質(zhì)粘土層或粘土層。(3)淤泥攪拌墻采用雙排長樁，長樁深度控制在以穿透透氣(水)層進入其下不透水層0.5為準(zhǔn)，施工時需要沿攪拌樁位置線每隔30～50 m進行鉆孔,確定實際打設(shè)深度。(4)密封膜在工廠熱合一次成型，密封膜上下均鋪設(shè)一層無紡布，保護密封膜不被刺破。(5)在真空膜下真空度達到80 kPa以上保持一段時間后，方可進行堆載預(yù)壓。

3.2 沉降計算模型

選取圍涂區(qū)舥艚堤一側(cè)約1 300 m2有代表性的淤泥吹填地基進行塑料排水板－真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理數(shù)值模擬分析，采用ABAQUS軟件，建立了二維有限元模型，并進行有限元計算和分析。

3.2.1 基本假定

對于塑料排水板-真空聯(lián)合堆載預(yù)壓地基處理，做出以下幾點假定:(1)孔隙水的流動符合達西定律，即水、土為流固耦合體；(2)土體的滲透系數(shù)假定為不變；(3)土體完全飽和；(4)不考慮在堆載過程中地下水位的變化；(5)塑料排水板按等效滲透系數(shù)的原則，簡化為等效均質(zhì)地基;(6)按實際的土層情況分為5層，土層之間的接觸面的豎向位移完全耦合。

3.2.2 有限元計算模型

根據(jù)以上假設(shè)，利用ABAQUS有限元計算軟件建立有限元計算模型。模型的幾何計算參數(shù)如下：吹填標(biāo)高至+6 m地基處理范圍寬36 m，塑料排水板采用SPB-Ⅱ型排水板，正方形設(shè)置，間距1.0 m，打設(shè)深度至-32 m標(biāo)高。根據(jù)對稱性，以地基處理中心線對稱軸，取整個地基的1/2建立模型。根據(jù)土質(zhì)條件及堆載預(yù)壓的影響范圍，地基的計算寬度為66 m，其中18 m是加固區(qū)，48 m是影響區(qū)。根據(jù)吹填標(biāo)高至+6 m和土質(zhì)條件，取真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的影響深度至-32 m標(biāo)高，計算深度取為38 m。

3.2.3 土體計算參數(shù)

根據(jù)浙江廣川工程咨詢有限公司提供的《蒼南縣江南海涂圍墾工程初步設(shè)計工程地質(zhì)勘察報告》以及塑料排水板地基簡化方法中等效滲透系數(shù)的計算方法，確定各層土體計算參數(shù)如表3所示。海涂圍墾區(qū)地層：①粉質(zhì)粘土淤混碎石；②淤泥；③粉砂；④淤泥；⑤淤泥質(zhì)粘土夾砂。

表3 土體計算參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，流動勢為應(yīng)力空間子午平面的雙曲函數(shù)，計算單元采用孔壓/位移耦合的CPE8RP平面應(yīng)變單元。在ABAQUS中，摩爾-庫侖模型的計算參數(shù)還包括偏心率e、子午線偏心率ε和膨脹角ψ。偏心率e由下式計算：

子午線偏心率ε則選用默認值0.1。膨脹角ψ選用無膨脹流動，ψ取值為0。

4 施加荷載步的確定

表4 加載情況

真空聯(lián)合堆載加載如表4所示，其加固方案如下：

(1)地基設(shè)計承載力達到60 kPa；(2)膜下真空度要求穩(wěn)定在80 kPa以上，堆載荷載為60 kPa；(3)加固后地基平均固結(jié)度達到90%；(4)80 kPa真空恒載滿110 d，聯(lián)合堆載穩(wěn)載滿60 d；(5)豎向排水體采用SPB-B型排水板，正方形布置，間距l(xiāng) m，打設(shè)至-32 m。

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 沉降計算結(jié)果分析

圖3 加固區(qū)中心表面時間-沉降關(guān)系曲線圖

計算的加固區(qū)中心表面隨時間沉降曲線如圖3所示。從圖上可以看出，因為現(xiàn)有的計算模型、計算參數(shù)與實際情況仍有一定差距，因此不能完全模擬實際土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但固結(jié)有限元總的計算結(jié)果還是令人滿意的，計算的總

圖4 堆載結(jié)束時沉降云圖

圖6 堆載結(jié)束土層水平位移云圖

沉降量約1 774 mm，基本達到了設(shè)計要求。堆載結(jié)束時沉降云圖如圖4所示，越是靠近預(yù)壓中心沉降量越大；預(yù)壓區(qū)中心正下方的土體深度與沉降量的關(guān)系，可以看出隨著深度增加，沉降量也減小，而且隨著深度的增加，減小的速度越快。最終地面的沉降曲線，越靠近預(yù)壓區(qū)，沉降量越大；由于堆載對周圍土體的擠壓作用，在距預(yù)壓區(qū)中心水平距離為27～66 m的范圍內(nèi)土體發(fā)生了微小的向上隆起，隆起的最大值約為426 mm。

3.3.2 側(cè)向位移計算結(jié)果分析

加固區(qū)趾腳水平位移計算曲線如圖5所示，位移以向加固區(qū)方向移動為正。從圖上可以看出，堆載后土體向加固區(qū)方向移動。圖6為堆載結(jié)束土層水平位移云圖，若正值表示節(jié)點向預(yù)壓區(qū)中心移動，可以看出地面水平位移的情況，遠離預(yù)壓區(qū)的土體發(fā)生向外的擠壓變形，而在預(yù)壓區(qū)和趾腳外一定區(qū)域內(nèi)，土體向預(yù)壓中心位移，最大位移處發(fā)生在加固區(qū)趾腳處；預(yù)壓區(qū)邊緣正下方不同深度處的水平位移，在深度為2.4 m左右，由于填土的作用，導(dǎo)致這部分區(qū)域的土體發(fā)生向預(yù)壓區(qū)的位移，隨著深度增加，其值很快減少;2.4 m以下，土體向遠離預(yù)壓區(qū)的方向位移，深度19.2 m處發(fā)生的水平位移最大。為了使土體表面的水平位移趨于穩(wěn)定，工程中常常采用在距預(yù)壓區(qū)外一定距離處設(shè)置隔離溝的方法來進行控制。

3.3.3 孔壓計算結(jié)果分析

圖7為孔壓隨時間變化云圖。加載初期，加固區(qū)內(nèi)孔壓值隨著深度增加逐漸增大；加固區(qū)外孔壓值隨著深度增加而增加，隨著與中心點距離增加而減小。隨著加載時間的增加，高孔壓值區(qū)域逐漸向加固區(qū)邊緣過渡，加固區(qū)內(nèi)孔壓逐漸消散。

圖7 孔壓隨時間變化云圖

4 結(jié)論

結(jié)合蒼南三大工程項目，通過對疏浚泥粒度成份和落淤試驗的分析，提出了疏浚泥在江南海涂圍墾工程資源化的實施可行性。在此基礎(chǔ)上，對疏浚泥吹填軟基對真空預(yù)壓聯(lián)合堆載的實施進行了闡述，最后利用有限元技術(shù)對位真空預(yù)壓軟基處理軟基沉降進行了計算，并分析加固效果，利用該方案進行軟基處理可以達到加固的預(yù)期效果。疏浚泥資源化利用可以防止疏浚物污染海洋環(huán)境，形成疏浚、填埋、保護海洋

環(huán)境三贏工程，同時達到降低三大工程的投資成本，提高經(jīng)濟效益具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

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Abstract：Based on the existing dredged mud in Bacao fishing port and Huarun power plant engineering,the resource utilization scheme of dredged mud in Jiangnan beach reclamation engineering is presented.According to the analysis of the engineering geological condition and the particle ingredients of Bacao fishing port and the fall silting test of the dredged spoils,the scheme of vacuumsurcharge preloading is presented to reinforce the hydraulic fill soft foundation.At last,the finite element method is used to calculate the settlement of the soft foundation.The results show that the dredged mud could be utilized in the reclamation engineering,while the vacuum-surcharge preloading method could reinforce the foundation.

Key words：dredged mud;soft foundation treatment;resource utilization

Resource Utilization of Port Dredged Mud in Beach Reclamation Engineering

LU Cheng-biao1,HUANG Yi-zheng2,LIU Gan-bin2
（1.Cangnan Development and Reform Bureau,Wenzhou Zhejiang 325800,China;2.College of Civil Engineering,Ningbo University,Ningbo Zhejiang 315211,China）

P748

B

1003-2029（2011）01-0078-05

2010-10-20

盧成標(biāo)（1960-），男，高級工程師，主要從事重大工程管理工作。E-mail:cndc88@163.com