堆場疏浚泥顆粒分選規律及機理

楊瑞敏 徐桂中 丁建文 耿 威 洪振舜

(1 東南大學巖土工程研究所，南京210096)

(2 河海大學巖土工程科學研究所，南京210098)

為改善湖泊的水質問題，保證河道正常的泄洪能力和內陸航道的暢通，每年將產生大量疏浚泥［1-3］.由于國內常用水力疏浚方式，導致產生的疏浚泥具有含水率高、黏粒含量高、強度低的特點［4-5］.然而工程實踐［6-7］表明，疏浚泥在吹填過程中伴隨著明顯的水力分選現象，導致堆場內疏浚泥的土性具有區域分布的特點，故并非堆場內所有區域的疏浚泥都需要處理.在國外早期的疏浚工程中，由于吹填原土相對均質、土地資源相對充足，吹填過程中疏浚泥顆粒在堆場內的分選性并未受到足夠重視，疏浚泥堆場顆粒分選的研究幾乎是空白［8-11］.而在土地資源日益稀缺的今天，對大面積的疏浚泥堆場而言，疏浚泥顆粒分選的研究顯得尤為重要，因為它影響到疏浚泥處理面積的確定和處理技術的選擇.本文以泥沙運動力學［12-13］與高含沙水流運動學［14-17］為理論基礎，對疏浚泥顆粒分選機理進行探討，找出影響疏浚泥顆粒分選的主要因素，為疏浚泥顆粒分選數值模型的建立提供理論基礎與技術支撐.

1 試驗

研究依托南水北調東線江蘇段的金寶航道疏浚工程，現場調查取樣地點為江蘇淮安金湖縣金寶航道的N1 疏浚泥堆場，其具體位置為金寶航道CS10 +250～CS11 +950 段，長度約1 700 m，寬度約100～300 m，疏浚泥堆場容積約6.0 ×105m3.由于現場水文、地形條件的限制，課題組僅選擇了地形平坦、幾何形狀較規則的區域進行現場取樣，該區域取樣點布置情況如圖1所示.為了對高含水率疏浚泥堆場顆粒分選規律及機理進行研究，課題組對金寶航道N1 排泥場進行了系統的調查，并利用自制的泥漿取樣對疏浚泥堆場進行取樣.

圖1 取樣點平面布置圖

由于吹填完成一周后疏浚泥的厚度為1.0～1.2 m，故深度方向從上到下每隔40 cm 取一個點，即每個水平位置取3 個點.取樣后，將泥漿樣用塑料袋封裝，然后在室內進行含水率、顆粒分析試驗.試驗儀器主要包括自制泥漿取樣器、烘箱等，顆分試驗器材按照ASTM(D422-63)規范［18］要求選擇.

2 堆場疏浚泥顆粒分選規律

堆場疏浚泥顆粒的分選性主要體現在水平方向和垂直方向上，顆粒分選最終將導致堆場內淤泥土性的區域分布特性.

本文根據文獻［19］中的顆分數據(見圖2)分析顆粒分選規律及機理，以明確影響疏浚泥顆粒分選的主要因素.

圖2 距吹填口不同距離3 個深度疏浚泥顆分曲線［19］

從圖2可看出，隨著距吹填口距離的增大，各深度(10，50，90 cm)的堆場疏浚泥顆分曲線逐漸左移，疏浚泥顆粒平均粒徑逐漸減小.

從圖2(a)可看出，堆場內距離吹填口15 m 處10 cm 深的疏浚泥顆分曲線位于最右側，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約30%;而在距離吹填口203 m 處10 cm 深的疏浚泥顆分曲線位于最左側，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高達80%.從圖2(b)可看出，堆場內距離吹填口15 m 和27 m處50 cm 深的疏浚泥顆分曲線幾乎重合，位于最右側，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約為35%;而距離吹填口203 m 處50 cm 深的疏浚泥顆分曲線位于最左側，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高約為75%.從圖2(c)可看出，堆場內距離吹填口15 m 處90 cm 深的疏浚泥顆分曲線位于最右側，其顆粒平均粒徑最大，黏粒含量最低約為35%;而距離吹填口253 m 處90 cm 深的疏浚泥顆分曲線位于最左側，其顆粒平均粒徑最小，黏粒含量最高約為75%.

在泥沙運動力學與高含沙運動學［12-15］中，將粒徑為10 μm 的顆粒作為形成絮凝的臨界粒徑，所以在對堆場內疏浚泥顆粒分選規律進行分析時，將疏浚泥顆粒按照粒徑大小分為3 個粒組，即0～5μm(黏粒)、5～10 μm 和10～75 μm 三個粒組，分別繪制各粒組的顆粒含量沿程和深度變化關系曲線(見圖3).為便于對深度方向的分選規律進行探討，又繪制了圖4.

圖3 3 個深度的顆粒含量沿程變化關系

圖4 3 個粒組的顆粒含量沿程變化關系

從圖3可看出，在各深度(10，50，90 cm)，粒組0～5 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸增大，在靠近吹填口附近最小，在退水口附近最大;粒組5～10 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離增大基本保持不變;粒組10～75 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸減小，在靠近吹填口附近最大，在退水口附近最小.隨著距吹填口距離的增大，粒徑小于5 μm 的黏粒含量增大，大于10 μm 的顆粒含量減小，充分體現了吹填過程中顆粒在水平方向的分選性.從圖4可看出，在各深度，粒組0～5 μm 的顆粒含量沿程逐漸增大，在吹填口附近最小為30%左右，在退水口附近最大約為70%;粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在10%左右不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填口附近最大為60%左右，在退水口附近最小為10%左右，同時也可看出，距離吹填口不同位置的各斷面，粒組0～5 μm 以及10～75 μm 的顆粒含量是沿深度方向變化的，而粒組5～10 μm 的顆粒含量沿深度方向基本保持不變.

從圖3(a)可看出，在10 cm 深度，黏粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在吹填口附近最小約為35%，在退水口附近最大約為75%;粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填附近約為60%，在取樣區末端約為6%.

從圖3(b)可看出，在50 cm 深度，粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在靠近吹填口附近最小約為32%，在退水口附近最大約為68%.粒組5～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填口附近約為60%，在取樣區末端約為10%.

從圖3(c)可看出，在90 cm 深度，粒組0～5 μm的顆粒含量沿程逐漸增大，在靠近吹填口附近最小約為32%，在退水口附近最大約為68%.粒組0～10 μm 的顆粒含量沿程保持在8%～12%不變;而粒組10～75 μm 的顆粒含量沿程逐漸減小，在吹填附近約為55%，在取樣區末端約為8%.

在距離吹填口約100 m 的堆場區段內，隨著深度的增加，粒組0～5 μm 以及5～10 μm 的顆粒含量先減小后增大，呈現“兩頭大、中間小”的趨勢;隨著深度的增加，粒組10～75 μm 的顆粒含量先增大后減小，呈現“兩頭小、中間大”的趨勢(見圖5)，在深度方向顯示出一定的分選性.在距離吹填口100 m 至退水口的堆場區段，隨著深度的增大，粒組5～10 μm 和10～75 μm 的顆粒含量逐漸減小，而粒組0～5 μm 的顆粒含量則逐漸增大(見圖6).隨著深度的增加各粒組顆粒含量的變化，體現了疏浚顆粒在深度方向上具有一定的分選性，但分選規律不如水平方向明顯.

圖5 距吹填口100 m 內顆粒含量沿深度變化關系

圖6 距吹填口100～253 m 顆粒含量沿深度變化關系

3 疏浚泥顆粒分選機理分析

堆場疏浚泥顆粒分選是指疏浚泥顆粒(單粒、絮團或集合體)在水動力作用下，按粒度、形狀或密度的差別發生分別富集的現象.顆粒分選是顆粒在一定水力條件下運動、沉積的過程，與顆粒的尺寸、形狀及組成、水動力條件、堆場地形及幾何邊界條件等有關，疏浚顆粒分選機理可以借鑒泥沙運動力學及高含沙水流運動理論進行分析.

河道中的淤泥經挖泥船耙頭打碎絞吸混合后被泵送至堆場中形成疏浚泥流，它是由水和固相顆粒組成的，固相顆粒除了堆積在吹填口周圍的大土塊外，主要為中性懸浮質、懸移質、推移質3 種.中性懸浮質是較細部分的顆粒，這些顆粒與水相互作用，結合形成一個類似均質的漿體，在運動過程中這些細顆粒與水不發生分離，由賓漢姆極限剪切力所支持，懸浮于水體中，顆粒與周圍漿體在流向和垂直方向上均不發生相對運動;懸移質由紊動漩渦所挾帶，在流動方向上與泥漿等速運動，但是在運動過程中與其周圍漿體在垂直方向上存在相對運動;推移質是指在疏浚泥流流動過程中以跳躍、流動、滑坡或在底部成層移動的顆粒.

根據兩相流理論［16-17］，可認為疏浚泥流為兩相流，其中，由粒徑d≤dmax(dmax為中性懸浮質最大粒徑或分界粒徑)的中性懸浮質顆粒與水組成液相，而d ＞dmax的懸移質和推移質顆粒為固相.如圖7所示，在流動的過程中，中性懸浮質顆粒與液相無相對運動，故不會發生分選沉降，一直被泥流挾帶至退水口附近停積;懸移質顆粒與液相在垂直方向存在相對運動，故在隨泥流運動過程中會發生分選沉降;而推移質顆粒主要在已沉積的淤泥表面整體成層移動，顆粒不發生分選.分析時可認為在疏浚泥流動過程中參與分選的主要是懸移質顆粒，如圖7所示，1，2，3 為懸移質中粒徑不同(從大到小)的3 個顆粒，3 個顆粒在流動方向與液相保持相同的速度運動，在垂直方向3 個顆粒在下沉的過程中均受到重力和液相阻力的作用，在開始時顆粒的沉速較小，顆粒受到的重力大于液相阻力，顆粒加速下沉;隨著顆粒的沉速逐漸增大，顆粒所承受的液相阻力不斷增大，當阻力增大到和重力相等之后，顆粒便等速下沉.3 個顆粒所受的液相阻力相差不大，而顆粒1，2，3 所受的重力是由大到小的，從而顆粒1 最先下沉至沉積層，隨水流運動的距離最小，在距吹填口較近的位置停積;顆粒3 最后下沉至沉積層，隨水流運動的距離最大，在吹填口較遠的位置停積;而顆粒2 最后停積的位置位于顆粒1 和顆粒3 之間，故在水平方向顯示出較為明顯的分選性.

圖7 水平分選示意圖

為對深度方向分選機理進行分析，根據水平方向的分析結果將堆場取樣區分為Ⅰ區和Ⅱ區(見圖8)，當疏浚泥流進入堆場時Ⅰ區以粒徑較大的粗顆粒居多，粗顆粒(包括單顆粒和團粒)以離散沉降為主，故在深度方向上具有一定的分選性;而疏浚泥顆粒經過Ⅰ區的分選沉降除去粗顆粒后，Ⅱ區主要分布粒徑較小的細顆粒以及液相中挾帶的中性懸浮質顆粒，這些顆粒具有較大的黏性，使Ⅱ區的疏浚泥流呈非牛頓體，細顆粒易形成絮凝團和絮凝網狀結構，阻礙了沉降，故在深度方向分選性較差或無分選性.

圖8 垂直分選示意圖

4 結論

1)堆場疏浚泥顆粒分選主要體現在水平方向和深度方向.在水平方向上，隨著距吹填口距離的增大顆粒粒徑逐漸減小，粒組0～5 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而增大，粒組5～10 μm的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大基本保持不變;粒組10～75 μm 的顆粒含量隨著距吹填口距離的增大而逐漸減小，水平方向疏浚泥顆粒的分選性較為明顯.

2)在深度方向上，在靠近吹填口的堆場前段，粒組0～5 μm 及5～10 μm 的顆粒含量隨深度的增加先減小后增大，粒組10～75 μm 的顆粒含量隨深度的增加先增大后減小，在此區段沿深度方向顯示出了一定的分選性;在距離吹填口較遠的堆場中、后段，深度方向分選性不明顯且分選規律較差.

3)通過對吹填時疏浚泥顆粒運移及分選機理的探討，明確了疏浚泥的初始條件、顆粒級配、尺寸以及水流條件等是影響堆場疏浚泥顆粒分選的主要因素.

References)

［1］Lee S L，Karunaratne G P，Yong K Y，et al.Layered clay-sand scheme of land reclamation ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1987，113(9):984-995.

［2］Cargill K W.Prediction of consolidation of very soft soil［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1984，110(6):775-795.

［3］朱偉，馮志超，張春雷，等.疏浚泥固化處理填海工程的現場試驗研究［J］.中國港灣建設，2005(5):27-30.

Zhu Wei，Feng Zhichao，Zhang Chunlei，et al.Field experiment of dredged spoil solidified with cement for marine reclamation works ［J］.China Harbour Engineering，2005(5):27-30.(in Chinese)

［4］吉鋒，張鐵軍，張帥，等.高含水量疏浚淤泥填料化處理土的干密度變化規律［J］.東南大學學報:自然科學版，2010，40(4):840-843.

Ji Feng，Zhang Tiejun，Zhang Shuai，et al.Variation of dry density of high-water-content dredged clays treated with quick lime［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(4):840-843.(in Chinese)

［5］鄧東升，張鐵軍，洪振舜，等.南水北調東線工程高含水量疏浚泥材料處理技術研究［J］.河海大學學報，2008，36(4):559-562.

Deng Dongsheng，Zhang Tiejun，Hong Zhenshun，et al.Technique for utilization of high-water-content dredged clayey soil as fill material for the eastern route of southto-north water diversion project ［J］.Journal of Hohai University，2008，36(4):559-562.(in Chinese)

［6］Zhu W，Zhang C，Chiu A C F.Soil-water transfer mechanism for solidified dredged materials［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2007，133(5):588-598.

［7］汪順才，張春雷，黃英豪，等.堆場疏浚淤泥含水率分布規律調查研究［J］.巖土力學，2010，31(9):2823-2827.

Wang Shuncai，Zhang Chunlei，Huang Yinghao，et al.Study of diversification of water contents in dredged sediment storage yard ［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(9):2823-2827.(in Chinese)

［8］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Predicting and monitoring dredged material movement，technical report DS-78-3［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［9］U.S.Army Corps of Engineers.EM 1110-2-5027 confined disposal of dredged material ［S］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1987.

［10］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Prediction and control of dredged material dispersion around dredging and open-water pipeline disposal operations，technical report DS-78-13 ［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［11］Montgomery R L，Thachston E L，Parker F L.Dredged material sedimentation basin design ［J］.Journal of Environmental Engineering，1983，109(2):466-484.

［12］張瑞瑾，謝鑒衡，陳文彪.河流動力學［M］.武漢:武漢大學出版社，2007.

［13］錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學［M］.北京:科學出版社，2003.

［14］錢寧.高含沙水流運動［M］.北京:清華大學出版社，1989.

［15］王明甫.高含沙水流與泥石流［M］.北京:水利水電出版社，1995.

［16］倪晉仁，王廣謙.固液兩相流基本理論以及最新應用［M］.北京:科學出版社，1991.

［17］Wang Guangqian，Ni Jinren.Kinetic theory for particle concentration distribution in two-phase flow ［J］.Journal of Engineering Mechanics，1990，116(12):2738-2748.

［18］International Association for Testing Materials.D442-63 standard test method for particle-size analysis of soils［S］.West Conshohocken:Barr Harbor Drive，2002.

［19］徐桂中，楊瑞敏，丁建文，等.高含水率疏浚泥堆場顆粒分選規律現場試驗研究［J］.東南大學學報:自然科學版，2013，43(3):634-638

Xu Guizhong，Yang Ruimin，Ding Jianwen，et al.Field experiment on grain sorting behaviors in reclaimed land of dredged slurries with high water content［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2013，43(3):634-638.(in Chinese)