探讨泥水分离技术在疏浚泥堆场处置工程中的应用

薛永忠

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州　225002）

1　工程背景

某工程位于江苏省境内，工程场地由南向北存在3种地质条件状况，分别为淤土段、砂土段和黏土段。该工程一期工程建设时东西两岸分别建有堆场，二期工程建设因工程弃土用地紧张，需在一期堆场上部再建设堆场，由此导致了排泥场排泥高度大、内外水头差大、部分排泥场围堰填筑高度大且土源紧张、排泥场维护难度大以及社会矛盾突出等一系列问题，施工期排泥场围堰的安全问题成为河道工程成败的关键性问题[1]。为此，需要对泥水分离技术应用展开研究。

2　泥水分离技术简介

泥水分离技术源于将混合物的固液两相分离的固液分离技术。泥水分离技术是固液分离在疏浚泥处置中应用的具体表现[2-4]。我国于70年代才开始试验各种泥水分离机和分离技术，部分成果应用到采矿工程矿液、城市隧道工程泥浆和城市生活粪便脱水，并开始逐渐应用到疏浚泥堆场处置工程[5]。

本课题通过室内试验和现场模拟试验研究，提出采用垂直排水系统与水平排水系统组合的泥水分离技术，实现了对高含水量高粘粒含量疏浚淤泥的快速泥水分离，有效解决了淤泥排水通道淤堵的技术难题，为高含水量疏浚淤泥快速处理提供了新的途径。

3　模型试验

3.1　试验方案

模型试验示意图和试验方案如图1和表1所示。

图1　模型试验示意图

（1）模型存泥装置：圆柱形，作为模型试验的存储容器，直径80 cm，高度110 cm，且各组试验的模型容器大小一致；

（2）反滤材料： 聚酰胺纤维滤布，为确定其最佳排水效果，选取4种目数的孔径：80目，100目，120目，160目。

（3）盲沟：直径5 cm，为工程中使用的盲沟直径的1/4，模型和实际工程的比率是1∶4；

（4）模拟间距：模型模拟盲沟的间距是盲沟直径的16倍，即径距比为1∶16；

（5）泥浆初始状态和制浆：初始密度控制在1.65 g/cm3左右，泥浆初始高度0.9 m，每组模型试验初始参数如表2所示。

3.2　排水方法

泥水分离技术是利用水压差连续不断的排出盲沟内的水，是一个连续排水过程，为了满足技术连续排水的条件，试验中采用连续吸气的方式排水，吸出的水分直接存于集水缸内，并实时测试出水质量。

3.3　测试内容

①不同时间的排水量；②不同时间的泥面和水面高度；③距离盲沟不同水平距离的水位高度变化，距离盲沟5 cm、15 cm、25 cm、35 cm位置布设水位管，水位管布置如图2所示。

图2　水位管布置照片

表1　试验方案

表2　各组模型试验配制的泥浆初始状态

泥水分离试验完成后的土样基本性质测试包括：含水率、密度、不排水强度，采用常规土工试验方法测试。

3.4　模型试验结论

（1）泥水分离技术能够将初始状态为自然沉积稳定状态的泥水进行分离，泥面沉降速率6.0～8.5 cm/h；在4 h内，淤泥体积缩减21%～24%，含水率从60%降低至33%～37%，密度从1.65g/cm3提高至1.84～1.88 g/cm3；2 d内排水稳定，含水率和密度达到29%～33%和1.90～1.94 g/cm3；

（2）不同孔径的反滤材料排出的水分含泥量均低于自然沉积稳定后表面水的含泥量，反滤材料过水阻泥性能良好；

（3）泥水分离技术能够快速降低泥浆中的水头高度，在初始泥浆高度0.9 m的模型试验条件下，在4h内水头高度降低0.6 m，12 h内水头高度降低到初始水头的20%以下；

（4）盲沟周围土体的含水率空间分布较为均一，其有效排水距离大于盲沟直径的7倍；

（5）对于初始状态为土水体积比1∶10的泥浆，泥水分离技术能够快速排除表面水，排水速率达到1.0 cm/min，能快速排除表面水的效果。

4　工程性试验

4.1　试验方案

工程性试验场地选择在泰州引江河。引江河工程的疏浚土性质差异较大，为此选择具有代表性的2个场地分别进行试验，分别为砂土段的西9排泥场粉土试验和黏土段的西18排泥场黏土试验。

试验坑设置：试验坑四周的围堰依据原设计方案进行填筑，填筑的土源采用前期工程的疏浚土，围堰填筑高度为4 m，内边坡1∶2，外边坡1∶3，顶宽2 m，底宽22.0 m，试验坑底长22.0 m，底宽6.0 m。

排水系统的设置：排水系统设置沿着试验坑长度方向布设3排盲沟，排间距为3.0 m，每排5根盲沟，互相的间距分别为3.0 m、3.0 m、4.0 m和5.0 m；另外，在每排盲沟布设起始处的围堰边坡上斜向布设一根盲沟，整个试验坑共布设盲沟18根，盲沟外套一层100目的聚酰胺纤维滤布，底部设置一根主动排水的PVC管，PVC管和盲沟使用土工布密闭连接，各排PVC管在排水末端和穿过坑底延伸至集水坑的主管连接。排水系统布置平面示意图见图3。

4.2　试验结论

（1）砂性土试验主要结论：①采用泥水分离技术处理引江河工程砂土段的疏浚土，松散系数可以降低至1.06；②在吹填过程中和吹填后场地内不会形成表面水；③泥水分离技术处理引江河工程砂土段的疏浚土，垂直盲沟排水对3.0 m范围的土体最能发挥排水效果，实际工程中的盲沟布设间距建议不超过6.0 m。

（2）黏性土试验主要结论：①在围堰边上布设盲沟排水系统为3.0 m间距时，吹填过程中围堰内的最高水位为1.3 m，满足围堰防渗的安全水位高度要低于1.5 m的要求，当不采取排水措施时，围堰内的最高水位2.7 m；②对于引江河黏土段的疏浚土，盲沟最优的排水距离是1.5 m，在此范围内的吹填土水位高度上升最为缓慢、高度也最低，建议工程实施时盲沟间距不宜超过3.0 m；③吹填工期对泥水分离技术处理黏土段疏浚土的效果有很大影响；试验中，在吹填后20 d，盲沟布设3.0 m间距的吹填土松散系数从吹填结束时的1.34降低至1.03，而不布设盲沟区域的松散系数仍是高达1.23。

5　工程应用

5.1　工程实施

图3　排水系统布置平面示意图

（1）砂性土段排泥场快速泥水分离排水系统布设

布设3排，排距4.0 m；退水口门两侧150 m范围内增设2排垂直排水体，排距6.0 m。垂直排水体间距3.0～4.0 m，其中排泥场围堰内坡脚处的1排垂直排水体间距3.0 m，其余排的垂直排水体间距4.0 m。

（2）淤土段排泥场快速泥水分离排水系统布设

布设2排，排距4.0 m；退水口门两侧150 m范围内增设2排垂直排水体，排距6.0 m。垂直排水体间距3.0～4.0 m，其中排泥场围堰内坡脚处的1排垂直排水体间距3.0 m，其余排的垂直排水体间距4.0 m。

（3）黏性土段排泥场快速泥水分离排水系统布设

背河侧布设2排，垂直排水体间距3.0～4.0m，其中排泥场围堰内坡脚处的1排垂直排水体间距3.0 m，另1排的垂直排水体间距4.0 m。临河侧布设1排，排水体间距4.0 m；退水口门两侧150 m范围内增设2排垂直排水体，间距4.0 m，排距6.0 m。

5.2　实施效果

通过泥水分离系统实施，优化了工程总体土方调运方案，取消了黏性土段的二期围堰，节约工程造价2000万元，缩短工期6个月。在总体工程实施过程中，疏浚泥堆场未出现坡脚、河坡窨潮、渗流现象，保证工程总体安全。尤其是砂土围堰，在高达8 m的条件下，未出现任何垮塌的现象，并且在疏浚完成后短期内实现排泥场移交。

6　结论

通过对泥水分离技术的理论研究和相关试验，确定了该技术的最佳布设方案，预测了工程效果，为技术的大规模推广应用奠定了基础。验证了泥水分离技术能够有效排除排泥场表面水，消除了富余水深和风浪超高，有效避免围堰发生渗流破坏等安全隐患，提高围堰的安全性、稳定性，加速疏浚土的快速固结；同时，能有效提高土地资源利用率，减少工程投资，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[ 1 ]张国安，虞志英 . 连云港疏浚工程的环境效应——以羊窝头抛泥区为例 [ J ] . 黄渤海海洋，2001，19（2）：46-56 .

[ 2 ]别学清，熊佩中 . 浅析防渗排水复合体在泰州引江河二期工程砂性土段排泥场中的应用[ J ] . 江苏水利，2016（2）：39-41 .

[ 3 ]赖永辉，谈广鸣，等 .深圳港西部港区进出港航道工程疏浚泥水抛泥沙输移扩散规律研究[ J ] .武汉大学学报，2006，39（3）：41-45 .

[ 4 ]周源，刘传俊，吉锋，等 .透气真空快速泥水分离技术室内模型试验研究[ J ] . 真空科学与技术学报，2010，30（2）.

[ 5 ]朱伟，张春雷，刘汉龙，等 . 疏浚泥处理再生资源技术的现状 [ J ] . 环境科学与技术，2002，25（4）：39-41 .