清淤工程中淤泥体积与含水率变化关系的探讨

陈式华 ，马庆宏，沈水进

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020)



清淤工程中淤泥体积与含水率变化关系的探讨

陈式华1,2，马庆宏1,2，沈水进1

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020)

摘要：生态清淤技术已成为治理污水的重要手段之一。针对清淤工程所得淤泥其体积随含水率变化的问题，进行了不同含水率时室内质量密度测定，计算其对应含水率下一定质量干土的体积。通过理论分析并结合实践得出，在较高含水率下淤泥的体积与含水率基本上呈线性关系，并提出该清淤土方达到可运输状态时的含水率和填埋场所需的库容。试验成果可供相关管理部门和技术人员参考。

关键词：河道清淤；淤泥体积；含水率；运输状态

随着“五水共治”行动的扎实推进，生态清淤这一近十几年来发展起来的新兴技术已成为治理污水的重要手段。它不仅能够降低底泥中的污染物浓度，还可为水生态系统的恢复、航行与排涝行洪的改善创造条件，因此在城市河道、景观湖泊等治理工程中被广泛使用。

由于清淤工程是一个系统工程，需要综合考虑经济、技术和生态环境等因素，因此要选择适合的技术方法，并运用科学的实施策略，才能收到良好的效果。

清淤方式一般为污泥从河道中吸出、存放于排泥场(待含水率减低至可运状态)、运输、处理后填埋。这一过程中，淤泥的体积和含水率始终在变化着，为掌握淤泥体积与含水率的变化关系，本文通过理论分析、室内模拟试验并结合工程实践，提出淤泥体积与含水率的变化关系，进而推算河道清淤时运输的方量和填埋场库容，供相关管理部门和技术人员参考。

1试验原理

在淤泥处理过程中，其脱水固结的过程大致可分为：土粒沉淀排水和固结压密两个阶段[1]。淤泥运抵排泥场后，土粒在重力作用下逐渐向下沉淀，淤泥表面逐渐有水析出并沿排水沟流出。该段历时较短，且随着水的排出，淤泥体积迅速发生变化。随着沉淀排水，淤泥的干密度不断增大，在自重及渗流力的作用下产生压缩固结。固结阶段的历时较长，短期内体积变化小。清淤工程施工时间较短(1～3个月)，因此排泥场内的淤泥体积变化主要是由淤泥土排水沉积引起的，与其含水率变化存在一定的关联，因此可以通过试验获得两者的变化关系，并以此推算可运状态下淤泥土体积及填埋场库容。

(1)

式中：V原为一定质量干土对应湿土的体积，cm3；

md为干土质量，g；

ρd为土的干质量密度，g/cm3；

ω0为土的含水率，%；

ρ0为土的湿质量密度，g/cm3；

2工程应用

2.1工程概况

义乌江是钱塘江的一级支流，发源于磐安县山环乡龙鸟尖，主流长167.5km，流域面积3 378.5km2，是省级骨干河道。近年义乌江河床淤积严重，致使河道断面缩小、水生态环境较差，影响河道行洪和周边居民的生活质量及河道景观，故亟需实施河道生态清淤工程。

本次清淤属义乌江城区段，清淤河段长度6.668km，完成清淤总量190 129m3，工期为100d。采用4 010型环保绞吸式挖泥船方式清淤，由全封闭排泥管道(直径Φ414mm)将淤泥输送至指定排泥场。由于从河道中清出的淤泥其含水率很高，无法直接运输，故在排泥场内采取开挖排水沟及翻晒等措施以加快排水，待其通过蒸发、排水、固结减低含水率，以达到外运至永久堆放场的要求。

2.2试验方案

2.2.1原状土质量密度测定

采用水下真空取土器沿义乌江城区段流域采集水下淤泥原状土试样共17只，采集样品见图1。现场采集的原状土样仍保持原有的结构和形状，用环刀法(体积为120cm3)测定原状土的质量密度。试验按《土工试验规程(SL237—1999)》[3]中的规定操作。

图1　水下采集原状土样

2.2.2扰动土不同含水率制备及相对密度测定

在排泥场采集扰动样5只。将采集的土样风干、碾压、拌合、分份、称量(以100g干土为1份)。在每份土样中加入定量的水，拌合均匀，使得每个试样含水率从50%开始大致呈5%的阶梯递增到100%，当含水率大于100%时以50%阶梯递增。制备的土样静置24h。

调制的土样结构完全破坏，状态从糊状至流动状渐变，采用泥浆相对密度计测定浆液相对密度。试验按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(DL/T5148—2012)》[4]进行操作。

2.2.3含水率的测定

依据《土工试验规程(SL237—1999)》[3]中的规定，测定原状土及制备土样的含水率。考虑土样含有有机质成分，烘土温度控制在65℃～70℃。

3试验资料及成果分析

3.1土的基本物理性质

对2个排泥场取样5只进行基本物理性试验，试验结果如下：土样的相对密度为2.70～2.72；颗粒组成中砂粒(0.075～2mm)含量占4.7%～16.1%，粉粒(0.005～0.075mm)含量占大部分为50.7%～75.6%，而黏粒(<0.005mm)含量为20.0%～28.3%；液限含水率为36.4%～49.2%，塑限含水率为18.8%～25.2%，塑性指数为17.6～24.0，土的定名为低液限黏土[3]。

3.2室内不同含水率试验

经过充分搅拌的泥浆随着含水率的增大其状态逐渐由软塑变为流塑最终变为流动状态，不同含水率下土样的状态见图2。

图2　不同含水率下土样的状态图

当含水率达到50%～60%时，为灰黄色，糊状，黏滞性强，搅拌有阻力，吸附性强，刀切痕迹明显且不易恢复。

当含水率达到65%～75%时，为灰黄色，糊状，有轻微流动性，黏滞性较强，搅拌稍有阻力，吸附性较强，刀切痕迹明显，轻微震动变形，油脂光泽。

当含水率达到80%～90%时，为灰黄色，稀粥状，呈流动性，有少量黏滞与吸附性，摇晃可起浪，刀切无痕迹，稍有水析出。

当含水率达到95%以上时，为灰黄色，呈豆浆状，无黏滞与吸附性，稍停即水土分离明显。

3.3淤泥体积变化与含水率的关系

根据上述方案，河道原状土、室内配制土所得的体积与含水率的变化关系曲线见图3，2条趋势线拟合度较高，说明土样重复性较好。

由图3可得，本工程的淤泥质土在含水率大于50%的情况下，其体积的变化与含水率的变化基本成线性关系，拟合良好，且趋势线基本平行。在相同含水率条件下，100g干土对应原状土的湿土体积要稍大于扰动土的湿土体积。这是因为原状土是自然沉积而来的，具有一定的结构且存有一定气体，孔隙大；而调制的扰动土是充分搅拌的，土颗粒间的气体被释放，使得体积相对减小，所以出现图中所示的情况。

现场清淤土样已被扰动，但并未充分搅拌，其状态介于原状土及调制的泥浆之间。所以，该类淤泥体积变化与含水率变化关系式的斜率、截距可取图3中所示扰动土、原状土关系式的斜率、截距的平均值，见式(2)：

y=1.036 6x+36.793

(2)

式中：x为土样含水率，%；

y为100g干土对应湿土的体积，mL。

在清淤过程中，淤泥被搅拌扰动，其原状土样可采用所取17组土样的平均值：0.98g/cm3。所以，所清淤泥的干土质量约为：0.98×190 129×103=186 326.42×103kg，约合186 326.42万份100g的干土。选定土样目标含水率后，本工程所清淤泥体积V=186 326.42×104y=186 326.42×104×(1.036 6x+36.793)。

4结语

1)当土体含水率>50%时，清淤工程中所清淤泥的体积变化与其含水率变化基本呈线性关系。

2)土样含水率为50%～75%时，随着土样含水率的增大，土样的状态逐渐由软塑向流塑转变；含水率大于80%时，调制的泥浆一旦静置即有水析出。

3)在排泥场内的清淤土方，其含水率降低至65%[5]以下时，可运输至永久填埋场。

4)本工程所清淤泥其永久填埋场的库容需19.41万m3。

参 考 文 献

[1]唐益群, 何小军, 杨坪,等. 冲填土固结特性与变形沉降规律研究[J].工程地质学报，2010(18)：11-16.

[2]范利频, 刘学芹. 淤泥含水率与体积变化关系试验研究[C]// 第三届全国岩土与工程学术大会.成都：四川科学技术出版社，2009：610-615.

[3]南京水利科学研究院.SL237—1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.

[4]中国水利水电基础工程局.DL/T5148—2012水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2012.

[5]中国水力发电工程学会机械疏浚专业委员会，湖北长江清淤疏浚工程有限公司.SL17—2014疏浚与吹填工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

收稿日期：2016-04-19

基金项目：浙江省科技厅公益技术社会发展项目(2015C33059)；浙江省科技厅院所扶持专项项目(2015F50G5050020)

作者简介：陈式华(1962—)，女，浙江浦江人，高级工程师，从事岩土工程试验研究。

中图分类号：TV851

文献标志码：B

文章编号：1008-3707(2016)07-0024-03

Discussion on the Relationship between the SludgeVolume and the Variety of Water Content Rate in Desilting Work

CHEN Shihua1，2, MA Qinghong1，2, SHEN Shuijin1