土工管袋用于疏浚底泥脫水減容的分析與實踐

江永超 陳磊

摘 要：本文從試驗出發簡要介紹了土工管袋的種類、選型要點、投藥絮凝與充袋后的高度、受力特點、穩定性分析，并結合工程實際闡述了土工管袋脫水工藝流程與工程實施方法。

關鍵詞：土工管袋；試驗；系統匹配；工程實踐

1 土工管袋概述

土工管袋（Geotextile Tube或Geotube）是一種由高強土工織物制成的大型管袋，其直徑可根據需要變化，最大已超過5m，長度可達數十米。土工管袋最初用于圍堤工程中，近幾年逐漸被用于江、河、湖、庫淤泥脫水處理。

2 土工管袋用于疏浚底泥治理的可行性分析

2.1 技術方案比選分析

當前，對疏浚底泥通常采用堆場排水固結的方法進行脫水處理，但隨著經濟的發展、環境的改變，此方案也存在著如下不足，諸如，占地大并需要修建圍捻、工期長，減容效果受限、露天作業，難以控制污染物的遷移和擴散問題，針對以上不足，我們擬采用土工管袋這樣一種新型的底泥脫水減容方式，土工管袋脫水耗能小，無需設備維護，可與填埋場地聯合使用，省略了二次倒運，若能加上荷載進行預壓，能加快淤泥的排水固結速率，工期一般為2個月左右，且為全封閉施工，不受天氣的影響。

2.2 生產性實驗研究

2011年～2012年，以我院承擔的國家水專項示范工程—南淝河底泥治理工程為契機，我院成立了科研小組，系統的研究從土工管袋的自身特性、疏浚泥加藥絮凝的特征、吹填后管袋的受力特征等幾個方面對管袋內底泥含水率的變化關系作一個簡要探討。

2.2.1 結構特征分析

（1）機織土工管袋與編織土工管袋對淤泥固結脫水效果的影響

土工管袋不同織造模式對淤泥固結脫水效果會產生影響，我們將機織布與編織布內淤泥的含水率實驗結果進行統計并列于表1，結果表明在不同時間段里機織布的淤泥含水率均低于編織布，機織布對淤泥固結脫水效果優于編織布，對機織布與編織布含水率數值進行獨立樣本T檢驗統計分析，兩者之間處理差異也達到顯著水平（p=0.001<0.05，雙尾檢驗），表明機織布與編織布之間脫水效果的差異來源于其不同的織造結構，且機織布要好于編織的處理結果。

（2）斜紋布與平紋布對淤泥固結脫水效果的影響

我們將斜紋布與平紋布對淤泥固結脫水處理效果表征值含水率的實驗結果進行整理分析，斜紋布對淤泥固結脫水效果略優于平紋布，在充填結束后初期斜紋布的脫水效果（50.98%）要明顯好于平紋布的脫水效果（67.52%），充填結束半個月后兩者的差別減小，表明斜紋布初期脫水速率快，脫水效果要優于平紋布，淤泥脫水后期兩者的脫水速率、脫水效果無明顯差別。

（3）管袋不同孔徑對淤泥固結脫水效果的影響

我們將機織斜紋布不同孔徑、不同時期的含水率的實驗結果進行整理，數據表明孔徑大小的變化并沒有產生預期的效果，1.0mm孔徑管袋后期的淤泥含水率與0.5mm孔徑管袋的淤泥含水率差別不大，0.5mm孔徑管袋脫水固結效果略微好于1.0mm孔徑管袋，并非設想的孔徑大的含水率一定低，但0.1mm孔徑管袋后期淤泥含水率明顯比大孔徑管袋內淤泥含水率高，說明在袋體充填結束后主要靠泥漿液自重及滲水壓力的脫水階段，小孔徑透水效果不佳，脫水速率慢、效果差。

2.2.2 絮凝加藥分析

（1）改性藥劑種類的選擇

單獨的將疏浚底泥直接吹填進土工管袋中則得不到有效的脫水減容效果，必須添加一定的改性藥劑，例如高分子絮凝劑、促沉劑等，但絮凝劑結構性能及來源都不很明確，因此尋求更快速、高效、低耗的淤泥脫水方法是必要的。因此，對絮凝劑種類、比例和和淤泥含水率的控制是十分重要的。

由上述可知，用陽離子PAM處理后的淤泥在不同時期含水率明顯低于其它藥劑處理的結果，顯示出陽離子PAM對土工管袋淤泥固結脫水有著顯著的效果。對不同絮凝劑處理后固結淤泥含水率數值分別進行獨立樣本T檢驗統計分析（α=0.05，雙尾檢驗），統計結果表明陽離子PAM與PAC處理結果之間差異顯著（p<0.05），再次表明陽離子PAM處理效果優于PAC的處理效果。

（2）絮凝藥劑投加量對土工管袋淤泥固結脫水的影響

通過上述分析確定了陽離子PAM與0.5mm孔徑機織斜紋土工管袋組合使用對淤泥脫水固結的效果最好，在此基礎上再來研究陽離子PAM投加量對淤泥脫水效果的影響。

根據實驗數據發現在同等條件下，并不是PAM投加量越大對淤泥的脫水固結效果最好，通過統計學檢驗數據可知，PAM與不同時間段淤泥含水率的配對T檢驗p值均大于0.05，因此在統計學上也說明PAM投加量對土工管袋內淤泥脫水固結并無直接無顯著差異，并非PAM投加量越大對淤泥的脫水固結效果最好，因此，PAM的投加量對土工管袋淤泥脫水固結的影響很重要，需要找到一個合適的投加劑量。

2.2.3 管袋充填與管路系統匹配

將疏浚泥吹填至土工管袋內進行充填是一個系統工程，涉及絮凝加藥、管袋自身結構與力學特征、充填壓力等特性，管袋充填主要是實驗以下幾方面的數據：

（1）充裝壓力的控制

進入管袋前的泥漿壓力影響著土工管的幾何形狀、管袋外側所受的拉力。將實驗研究結果見圖1～圖3所示，管袋進泥口壓力（P）和土工管袋最終高度（H）的關系為：當吹填高度從0m至2.5m之間時，吹填壓力急劇上升，從0kPa迅速上升到50kPa，但當P超過50kPa時，P對H的影響很小，可以忽略不計。

注：①實驗土工管袋截面周長9.0m，縱向長度12m；②充填泥漿比重1.15～1.25。

（2）投藥點與管袋的混凝擴散距離

按疏浚管中的平均流速約3.5m/s左右，根據本次試驗的結果，PAM在進管袋絮凝后約15～25s絮凝時間最好，絮凝顆粒體形成抱團后在此時間段內最易脫水沉降，由于絮凝體在管道中的流速過快，過長的混合流動時間反而會造成絮凝體分崩離析現象，使絮凝脫水效果大打折扣；而對于需要處理含有重金屬的污染底泥添加的液體穩定劑與疏浚管道內泥漿的充分混合時間至少要達到3min以上（視藥劑種類不同稍有差別）。

（3）投藥點的壓力

對于城市內河、湖泊，水深較淺，一般均小于2.0m，以海貍1200環保型）挖泥船為例，其吃水深度與生產能力完全滿足要求，為了滿足充裝袋子的壓力要求，一般不低于0.05MPa（視疏浚距離的遠近）。投藥一般采用管式靜態混合器使藥劑與泥漿充分混合，其投藥點一側的管道壓力應該比疏浚泥管道中的壓力高0.01～0.02MPa，以滿足泥漿對藥劑管道的反沖壓力。

3 工程實踐

3.1 工程概括

2012年，我院承接蕭縣龍河城區段綜合治理工程，科研小組人員在繼續完善環保疏浚土工管袋脫水固化工藝的同時，通過對蕭縣城區內的龍河污染底泥進行小規模的土工管袋治理，從河道的疏浚、加藥、管袋脫水、固化等工藝方面來集成，實現對龍河污染底泥的無害化處理。

3.2 工藝流程

環保挖泥船疏浚龍河受污染的底泥經泵送至試驗區充填進土工管袋。為生產性試驗的順利進行，在工藝流程不同位置按試驗需要設置取樣口、手動閥、流量計、管道混合器、彎管混合器、壓力計等控制元件、計量儀表等，泵送充填土工管袋前用管道混合器投加混凝劑，土工管袋濾除液經收集后再回流至龍河。此項工藝中，土工管袋及其承托的堆場，絮凝加藥設備，吹填的泥漿流量、濃度、壓力匹配是重點，工藝流程見圖4。

3.3 匹配性控制

（1）疏浚、加藥、土工管袋三者的協調配合至關重要，疏浚船的穩定、連續運行對管袋填充效率、脫水效果、藥劑用量等影響明顯。加藥量的優化、藥劑用量的有效性，與挖泥船移樁等使污泥濃度變化的協調配合，不僅可加快施工進度，還可節約處理藥劑費用。在工程實施過程中，為了確保工程質量與施工進度，建立了一套較為合理的操作與自控方案，其具體框圖如5所示：

（2）控制原理

由上面的協調控制原理圖結合穩定劑與PAM移動加藥站、施工供、排水等方面的技術要求，采用PLC閉環控制原理來實現整個系統的控制，主要由PLC主機、取源傳感器（流量計、濃度計）、信號變送器、加藥校驗流量計，加藥泵變頻器四部分組成。

4 總結與建議

通過以上的實驗研究與蕭縣龍河（城區段）底泥治理的示范工程說明用土工管袋治理疏浚污染底泥是行之有效的，具有造價低、施工簡便、可靠性高、工期短、節約土地資源等眾多優點，具有巨大的經濟與環保效益。實施中應加強對土工管袋力學性能的監測與分析，如初始吹填的壓力與管袋應力、應變關系、固結穩定后管袋內部與外部的變形與穩定性等內容，進一步加強對土工管袋脫水性能的機理研究，利用示范工程積累一定工程經驗，不斷豐富和完善土工管袋脫水技術。

參考文獻

[1]朱遠勝.土工管袋及其應用前景[J].紡織導報[J]，2005（12）.

[2]董晶等.土工管袋污泥脫水工程的設計注意事項[J].環境科技，2014（01）.

[3]袁永強等.土工管袋脫水技術在環境保護中的應用研究[J].有色冶金設計與研究，2009（06）.

作者簡介：江永超（1962-），男，安徽滁州人，碩士研究生，畢業于河海大學水力學及河流動力學專業，主要從事生態水利及環境工程的研究、設計、咨詢及項目管理工作。

陳磊（1980-），男，安徽長豐人，碩士研究生，畢業于河海大學環境科學與工程專業，主要從事生態水利及環境工程的規劃設計與咨詢工作。