高含水率疏浚泥堆場顆粒分選規律現場試驗研究

徐桂中 楊瑞敏 丁建文 沈敏怡 洪振舜

(1河海大學巖土工程科學研究所,南京 210098)

(2東南大學巖土工程研究所,南京 210096)

我國內陸河流、湖泊每年都會產生大量疏浚泥[1],由于疏浚泥具有含水率高、黏粒含量高、滲透性低、排水固結時間長等特點[2-4],堆場處理時需要占用大量土地.為了提高堆場利用率,減小土地占用面積和縮短占用時間,需要對疏浚泥進行處理.然而,諸多工程實踐表明,疏浚泥在吹填過程中發生了水力分選,導致堆場內土性分布不均勻[5-7].由于土性是影響疏浚泥工程特性的重要因素,如高含水率疏浚泥的壓縮特性及滲透特性與土樣的液限密切相關[8-10],因此疏浚泥的分選必然影響堆場處理面積的確定和處理技術的選擇.

現有研究表明[5-7],吹填過程中疏浚泥沿水平方向和垂直方向均會發生顯著的水力分選現象,導致吹填完成后,顆粒粒徑沿水平方向逐漸變細,沿深度方向逐漸變粗.一些學者[5-7]通過現場調查對疏浚泥在堆場中的分布規律開展了研究，并獲得了一些結論.然而疏浚泥在堆場中的顆粒分選規律很復雜,受到吹填方式、泥漿的含水率、土性等諸多因素的影響[7],所以目前對疏浚泥堆場顆粒分選規律的認識還遠遠不夠,需要進一步研究.本課題依托江蘇省南水北調東線金湖金寶航道疏浚工程,在金湖N1堆場中開展現場勘察與試驗,了解內陸吹填工程的特點,明確顆粒、含水率、界限含水率等基本物理指標在堆場中的分布規律,為疏浚泥后期處理提供依據.

1 吹填工程概況

試驗場地位于江蘇省金湖縣涂溝鎮境內,該地段土層分布穩定,河底大多為土質較好的灰黃色黏性土,在該土層上部為一層1～2 m厚的深灰色淤土[11].試驗場地長約400 m、寬約120 m,圍堰高度在1.5 m左右,試驗場地平面圖如圖1所示.疏浚工作自2012年3月中旬開始,2012年5月中旬基本結束,歷時約2個月.吹填過程中,采用絞吸式疏浚船施工,輸泥管的流量為350 m3/h.

圖1 試驗場地平面圖(單位：m)

由于疏浚船在工作時,需要重復提升或下降刀具來切削不同深度的底泥,而不同深度底泥的硬度、土性存在差異,導致形成的泥漿的含水率也會發生變化,大小介于500%～2000%之間.此外,一些沒有被刀具或高壓水流切碎的底泥,以大土塊的形式隨泥漿一起由輸泥管噴出,土塊的直徑一般不超過8 cm,含水率為30%～40%,液限為45%～50%,黏粒含量約55%.吹填過程中觀察發現,從輸泥管噴出的較大土塊在吹填口處堆積形成土堆.

圖2為吹填結束后一周左右拍攝的堆場內不同位置土樣的實景圖.可看出,沿吹填口至退水口的方向,土塊或土顆粒的粒徑逐漸變小.此外,吹填口處土堆上和土堆底部的土塊已經在自然條件下風干,而距吹填口50 m處和退水口處的泥漿的含水率仍非常大.由圖可直觀看出,由于水力分選作用,導致堆場中疏浚泥顆粒粒徑、物理力學性狀分布不均勻.

圖2 堆場內不同位置土樣實景圖

2 取樣方案

取樣時間定在試驗區吹填結束約一周后,此時泥漿厚度約為1.0～1.2 m.取樣路線順著吹填過程中泥漿流動方向,取樣點間間隔在15～30 m之間,取樣具體位置如圖1所示.針對同一水平位置分別在深度10,50,90 cm處取樣.對取回的土樣開展含水率、顆粒分析、液塑限等試驗,所有試驗均參照ASTM D421-D422(2002)規程.顆粒分析試驗時,首先取過2 mm篩后風干土樣50 g放入250 mL燒杯中,并加入4%的六偏磷酸鈉溶液125 mL浸泡過夜;此后,運用規定的機械攪拌器(轉速為10 000 r/min)對土樣攪拌1 min.將攪拌后的懸浮液移入1 000 mL量筒,并上下震蕩1 min,確保懸浮液均勻.震蕩后,將量筒放入溫度為20 ℃的恒溫室進行顆分試驗.試驗結束后,將懸浮液過0.075 mm篩,并將留在篩上的土樣烘干后稱量質量.最后,進行數據整理并繪制土樣的粒徑分布曲線.

3 試驗結果與分析

3.1 堆場內疏浚泥顆粒分布規律

圖3為堆場內深度10,50,90 cm的水平面內疏浚泥的粒徑分布曲線.由圖可知,不同位置處泥漿的顆分曲線存在顯著的差異,且粒度隨距吹填口距離的增加而減小.這充分表明疏浚泥沿水平方向發生了顯著的分選.

圖3 距吹填口不同位置疏浚泥的粒徑分布曲線

圖4為堆場內不同位置疏浚泥中黏粒含量隨距吹填口距離的變化規律.由于堆場中施工條件復雜,如泥漿的含水率、流速、吹填速率等均會影響疏浚泥的顆粒分選規律,所以不同深度疏浚泥的黏粒含量之間的差值隨距吹填口距離的變化規律性略差,但仍可以看出,不同深度疏浚泥黏粒含量間的差異隨距吹填口距離先增大后減小.距吹填口距離為87 m處,深度為10 cm和90 cm的疏浚泥中黏粒含量相差10%左右,遠小于水平方向疏浚泥間粒徑分布的差異.上述現象表明,疏浚泥沿水平方向的分選程度遠大于垂直方向,垂直方向疏浚泥的分選程度較小.

圖4還顯示,3個深度處疏浚泥的黏粒含量均隨距吹填口的距離的增加而增加.在距吹填口距離小于50 m處,黏粒含量隨距吹填口距離變化較小,穩定在35%左右.當距吹填口距離大于50 m時,黏粒含量隨距吹填口距離的增加迅速增加,當距吹填口距離達到170 m時,黏粒含量達到80%左右.當距吹填口距離大于170 m后,黏粒含量同樣隨距吹填口距離變化較小,穩定在80%左右.

圖4 黏粒含量隨距吹填口距離的變化規律

分析認為,高含水率疏浚泥在堆場中運動時,土顆粒在水流的紊動作用支撐下與水流一起運動,但隨著水流紊動作用的減小,顆粒由粗至細不斷從水中沉積下來,而細顆粒繼續隨水流運動,導致疏浚泥在流動過程中發生顆粒分選現象.

根據上述現象,可將堆場疏浚泥沿水平方向分為3個區域,在小于50 m內顆粒相對較粗,且沿水平方向變化較小,稱為粗顆粒區;大于170 m后,泥漿顆粒較細,沿水平方向變化較小,稱為細顆粒區;在50～170 m內,粒徑沿水平方向變化較大,稱為粒徑變化區.需要指出,在吹填口處,堆積的大塊形成的土堆位于粗顆粒區.圖5為堆場內顆粒分布區域劃分示意圖.

圖5 堆場內疏浚泥顆粒分布區域劃分示意圖

3.2 堆場內疏浚泥含水率分布規律

圖6為堆場中疏浚泥含水率的分布規律.由圖可知,沿深度方向,含水率隨深度的增加而降低,但變化較小.沿水平方向,含水率均隨距吹填口距離的增加而增加.距吹填口的距離小于50 m時(粗顆粒區),泥漿的含水率較低,在50%～100%之間,并且沿水平方向變化較小,所以曲線接近水平.距吹填口的距離大于170 m時(細顆粒區),泥漿的含水率較大,在200%～300%之間,同樣沿水平方向變化較小.距吹填口的距離在50～170 m內(粒徑變化區),含水率隨距吹填口距離的增加呈增加的趨勢.分析認為,由于發生分選,疏浚泥的透水性產生差異,靠近吹填口的疏浚泥顆粒粗,透水性較好,泥漿固結快,含水率較低，而遠離吹填口的疏浚泥顆粒細,透水性差,自重固結緩慢,含水率高[6].

圖6 堆場內疏浚泥含水率分布規律

3.3 堆場內疏浚泥界限含水率分布規律

圖7為堆場內深度10 cm處疏浚泥界限含水率的分布規律.圖中顯示,疏浚泥的液限、塑限、塑性指數均隨距吹填口距離的增加而增加.在距吹填口的距離小于50 m處(粗顆粒區),液限、塑限、塑性指數的變化較小,當距吹填口的距離超過50 m后(粒徑變化區),液限、塑限、塑性指數均隨距吹填口距離的增加而顯著增加,但當距吹填口的距離大于170 m后(細顆粒區),液限、塑限、塑性指數隨距吹填口距離的增加逐漸趨于穩定.

圖7 界限含水率在堆場中的分布規律

圖8顯示了堆場內疏浚泥在塑性圖中的位置.由圖可見,分選后的土樣在塑性圖中均位于A線以上,因此屬于黏性土,液限小于50%時為低液限黏性土,大于50%時為高液限黏性土.其次,分選后的土樣均沿A線呈帶狀分布,并且帶狀與A線接近平行.上述現象在許多文獻中早有報道,Li和White[12]統計發現,塑性指數與液限間存在線性關系；Casagrande在提出塑性圖時指出:同一地區、同一成因的土,在塑性圖上大體占據與A線平行的位置,沿A線呈條帶狀分布[13].

圖8 分選后疏浚泥在塑性圖中的位置

土力學中通常將塑性指數Ip和小于2 μm顆粒含量之比稱為活動性,用nact表示.活動性是反映黏土性質的重要指標，nact小于0.75,nact在0.75～1.25間和nact大于1.25的土樣分別稱為低活動性土樣、中等活動性土樣和高活動性土樣.圖9給出了堆場內疏浚泥塑性指數隨小于2 μm顆粒含量的變化關系.圖中顯示,塑性指數隨小于2 μm顆粒含量的增加呈線性增大趨勢.分選后土樣的活動度都在0.75左右,這表明疏浚泥的分選不會引起活動度的顯著變化.此外,分選后土樣活動度的上述變化規律,也再次解釋了圖8中分選后疏浚泥在塑性土中沿A線分布的原因.

圖9 Ip隨小于2 μm顆粒含量的變化關系

4 結論

1) 堆場中疏浚泥沿水平方向發生了顯著的顆粒分選現象，沿垂直方向上的顆粒分選程度明顯小于水平方向.分選后疏浚泥在塑性圖中沿A線呈線性分布,活動度也基本相等.

2) 根據粒徑沿程的變化規律,可將堆場內疏浚泥劃分為粗顆粒區、粒徑變化區和細顆粒區.靠近吹填口處為粗顆粒區,遠離吹填口處為細顆粒區,在兩者之間為粒徑變化區,吹填出的大土塊形成的土堆位于粗顆粒區中.受顆粒分布規律的影響,疏浚泥的黏粒含量、含水率及液塑限在粗顆粒區均較小,在細顆粒區均較大,在粒徑變化區隨距吹填口距離的增加而增加.

3) 在本次試驗的N1堆場內,距吹填口距離小于50 m的區域為粗顆粒區,黏粒含量在35%左右；距吹填口距離大于170 m的區域為細顆粒區,黏粒含量達到80%以上；距吹填口距離50～170 m的區域為粒徑變化區.

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