鄭劍飛，衛(wèi)德，黃國(guó)林

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

東帝汶帝巴灣新集裝箱碼頭疏浚吹填工程主要內(nèi)容為基建性港池疏浚及碼頭后方堆場(chǎng)吹填造陸，經(jīng)對(duì)項(xiàng)目前期招標(biāo)技術(shù)文件的研究，發(fā)現(xiàn)疏浚區(qū)內(nèi)可能存在大量潛在酸性硫酸鹽土，由于當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求高，有效解決絞吸船疏浚吹填過程中潛在酸土的酸害問題成為項(xiàng)目成功的關(guān)鍵，同時(shí)也能為今后類似項(xiàng)目的實(shí)施提供有力的理論和技術(shù)支撐。

1 項(xiàng)目地形及周邊環(huán)境

東帝汶帝巴灣新集裝箱碼頭疏浚吹填工程位于首都帝力市西側(cè)10 km，地理坐標(biāo)為南緯8°34′，東經(jīng)125°34′，全年無寒暑交替，屬于典型熱帶雨林氣候。帝巴灣三面環(huán)山、北側(cè)臨海，經(jīng)港池區(qū)疏浚吹填后將成為深水良港，疏浚區(qū)地形為珊瑚砂礁盤及潟湖區(qū)，右側(cè)為潮汐帶紅樹林棲息地。

在熱帶高溫多雨氣候條件下紅樹林生長(zhǎng)旺盛，生物積累作用強(qiáng)烈。當(dāng)紅樹林枯枝落葉歸還土壤或紅樹林殘?bào)w被埋藏分解后，大量的硫進(jìn)入土壤并分解形成黃鐵礦[1]。熱帶地區(qū)沿岸潛在硫酸鹽土主要發(fā)育于紅樹林下，東帝汶帝巴灣東側(cè)為紅樹林棲息地，雖然近年來受到當(dāng)?shù)卮迕窨撤テ涿娣e已大幅度減少，但長(zhǎng)久以來大量的紅樹林殘?bào)w隨雨季山洪及河流沖刷進(jìn)入疏浚區(qū)，造成疏浚區(qū)形成潛在酸性硫酸鹽土。

在疏浚吹填施工中，潛在酸性硫酸鹽土經(jīng)疏浚吹填后上岸，暴露于大氣中，經(jīng)熱帶陽光曝曬其表層土體極易氧化釋放強(qiáng)酸（主要為硫酸）導(dǎo)致土體中的金屬元素溶解度增加，濃度提高至毒性水平，在降雨沖刷下，富含金屬元素的酸性水將對(duì)吹填區(qū)周邊及下游水質(zhì)造成嚴(yán)重污染[2]，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅。另一方面，因其深層土料無法充分暴露，其氧化酸化速率極為緩慢，在地基處理施工完成后，仍將繼續(xù)氧化產(chǎn)酸，導(dǎo)致土料中碳酸鈣顆粒溶解[3]，易使回填區(qū)發(fā)生地基沉降；同時(shí)酸性硫酸鹽土中的硫酸易使金屬建筑材料腐蝕，與混凝土材料反應(yīng)形成石膏等物質(zhì)使體積膨脹，影響混凝土的性能[4]。因此，在高承載力地基用地的回填施工中，需特別注意消除酸性硫酸鹽土的危害。

2 潛在酸性硫酸鹽土體的調(diào)查與分析

2.1 疏浚區(qū)分區(qū)與潛在酸土取樣鉆孔布設(shè)

經(jīng)分析東帝汶帝巴灣地形及潛在酸性硫酸鹽土形成原因，將疏浚區(qū)劃分為A、B、C、D、E五塊分區(qū)，其中A、B、C、D 為珊瑚砂礁盤區(qū)、E 區(qū)為潟湖區(qū)。疏浚區(qū)潛在酸性硫酸鹽土取樣鉆孔分布如圖1 所示。

圖1 疏浚區(qū)潛在酸性硫酸鹽土取樣鉆孔分布Fig.1 Distribution of sampling boreholes for potential acidic sulphate soil in dredging area

經(jīng)初步判斷，由于疏浚C 區(qū)為珊瑚砂礁盤區(qū)，形成年代較為久遠(yuǎn)，近代紅樹林沉積物受山洪沖刷應(yīng)大部分淤積在潟湖疏浚E 區(qū)，因此在疏浚區(qū)布置潛在酸土取樣鉆孔ST01~ ST07，由于ST04、ST07 號(hào)鉆孔位于潟湖區(qū)，土質(zhì)為淤泥質(zhì)，土質(zhì)不符合吹填料要求，不對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)分析。

2.2 疏浚土潛在酸度及中和能力檢測(cè)

1） SPOCAS 試驗(yàn)

本項(xiàng)目疏浚A、B、C、D 區(qū)為珊瑚砂質(zhì)土富含CaCO3，因此需對(duì)疏浚土樣本進(jìn)行SPOCAS 試驗(yàn)（Suspension Peroxide Oxidation Combined Acidity and Sulfur method，懸浮過氧化物氧化酸硫聯(lián)合法）以測(cè)定土樣中的潛在酸性硫酸鹽土完全氧化后的凈酸度及土樣中CaCO3含量，以評(píng)價(jià)土體的自我中和能力及處置方式。

2）疏浚土理論中和能力分析

碳酸鈣對(duì)酸性硫酸鹽土中氫離子的中和反應(yīng)如下：

1 mol 碳酸鈣（100 g）理論可中和2 mol 氫離子，但上述反應(yīng)式為理想反應(yīng)式，在實(shí)際反應(yīng)時(shí)，需有水的參與使反應(yīng)向右進(jìn)行，實(shí)際反應(yīng)式為：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，各鉆孔土樣的碳酸鈣含量及理論酸中和容量檢測(cè)情況見表1。

表1 疏浚土樣還原態(tài)硫含量、凈酸度及酸中和容量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of reduced sulfur content,net acidity and acid neutralization capacity of dredged soil samples

在滴定過程中經(jīng)常觀察到在土壤懸浮液中形成的藍(lán)綠色沉淀物，可能由一種復(fù)雜的氧化亞鐵/氫氧化鐵組成。在充分氧化后測(cè)定其最大凈酸度，黃鐵礦氧化反應(yīng)式（1 mol FeS2氧化產(chǎn)生4 mol H+，1 mol FeS2=120 g）：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，ST01~ST07 還原態(tài)硫含量及潛在酸度檢測(cè)情況如表1 所示。從6 個(gè)孔的取樣情況看其酸中和容量均遠(yuǎn)大于其潛在酸度，證明現(xiàn)場(chǎng)的疏浚土中的潛在酸性可被珊瑚砂完全中和。

為探求珊瑚砂與潛在酸性硫酸鹽土完全中和（完全氧化后pH≥6.5）的最佳配比，使用不同比例的珊瑚砂中和酸性硫酸鹽土，由圖2，在珊瑚砂與潛在酸性硫酸鹽土質(zhì)量比例為1∶100（Ca∶S≈2∶5）的比例下，氧化產(chǎn)物的pH 值在30 min 后達(dá)到穩(wěn)定，pH 值穩(wěn)定在5.0，較原狀土3.2 的pH 值提升效果非常明顯，在珊瑚砂與酸性土質(zhì)量比達(dá)到 9 ∶100（Ca ∶S≈18 ∶5）時(shí)，潛在酸性硫酸鹽土的完全氧化時(shí)的pH 值達(dá)到6.5，滿足東帝汶現(xiàn)場(chǎng)疏浚土處置要求。

圖2 不同珊瑚砂添加比例對(duì)氧化后pH 值的影響Fig.2 The effect of different coral sand addition ratio on pH after oxidation

3）疏浚土有效中和能力分析

根據(jù)疏浚施工區(qū)土樣分析結(jié)果，原狀土理論酸中和容量大幅超過潛在酸度，但在實(shí)際中和過程中，受碳酸鈣粒徑影響，有效酸中和容量與理論值存在顯著差異，特征為碳酸鈣粒徑越大，有效酸中和容量越小[5]。

通過對(duì)不同粒徑珊瑚砂（珊瑚砂與酸性土的質(zhì)量比均為 1∶50，即 Ca∶S≈4∶5）的中和能力探究（圖3、圖4）可以發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂與酸性土同步混合的情況下，隨著珊瑚砂粒徑的增大，pH 值的總體趨勢(shì)呈現(xiàn)下降的速率變快的特點(diǎn)，在珊瑚砂粒徑為0.15 mm（100 目）時(shí)顯示出最佳中和效果，粒徑與中和能力的關(guān)系并不是單純的粒徑越小中和能力越強(qiáng)，對(duì)于酸性土而言可能涉及到中和材料粒徑與土壤顆粒[6]是否相互匹配的情況。在中值粒徑（0.5 mm）時(shí)的 pH 值較粒徑 0.27 mm 時(shí)的 pH 值有大幅下降，最終pH 值穩(wěn)定在5.35 左右。隨著粒徑繼續(xù)增大，pH 值下降速率更快，粒徑變?yōu)?~4 mm 時(shí)，終點(diǎn)pH 值為4.27。通過對(duì)酸性土先氧化再中和試驗(yàn)顯示（珊瑚砂與酸性土的質(zhì)量比為1∶50，珊瑚砂添加量為0.1 g），隨著粒徑增大，珊瑚砂的中和能力和中和速率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖3 不同中和材料粒徑中和性能測(cè)試Fig.3 The particle size neutralization performance test of different neutralizing materials

圖4 不同粒徑珊瑚砂先氧化再中和試驗(yàn)Fig.4 Test of coral sand with different particle sizes oxidized before neutralization

綜上所述，珊瑚砂的中和酸性土能力與粒徑有很大關(guān)系，總的來說粒徑越小，中和能力越強(qiáng)，在0.15 mm 時(shí)有最佳效果，當(dāng)粒徑超過0.27 mm時(shí)，珊瑚砂對(duì)酸性土仍具有中和效果，在中值粒徑0.5 mm 時(shí)的中和能力較0.27 mm 以下的珊瑚砂下降了20%，當(dāng)粒徑增大至3~4 mm 時(shí)，中和能力下降50%。從混合方式看，先氧化后中和最終的pH 值均高于同步混合的pH 值，由此說明先氧化后中和可以使硫酸更好地與中和材料反應(yīng)。因此，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)疏浚土樣進(jìn)行PSD 實(shí)驗(yàn)，明確疏浚土大致粒徑分布，計(jì)算有效中和能力，各鉆孔土樣的原狀土粒徑分布情況見表2。

表2 土樣粒徑分布統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of particle size distribution of soil samples%

根據(jù)上述碳酸鈣有效酸中和容量比例和土樣粒徑分析結(jié)果，本項(xiàng)目對(duì)土樣的酸中和容量進(jìn)行修正，經(jīng)檢測(cè)與計(jì)算，5 個(gè)鉆孔共111 份土樣的有效酸中和容量與潛在酸度的比值為3.1~100.6，遠(yuǎn)超要求的安全系數(shù)（1.5）。因此，根據(jù)原狀土還原性硫及碳酸鈣含量檢測(cè)分析結(jié)果，東帝汶帝巴灣疏?；靥罟こ讨械暮细窳希ㄉ汉魃埃┦杩^(qū)，珊瑚砂中碳酸鈣含量完全滿足潛在酸性硫酸鹽土的中和要求。

3 潛在酸性硫酸鹽土體處置措施

鑒于疏浚吹填施工均為工程量巨大的土方工程，應(yīng)盡力避免大量潛在酸性土壤酸化風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)帝巴灣項(xiàng)目存在的潛在酸性硫酸鹽土的具體措施如下：

1）針對(duì)于疏浚E 區(qū)潟湖區(qū)疏浚土主要為紅樹林殘?bào)w及淤泥質(zhì)土，含潛在酸性硫酸鹽土且土體無珊瑚砂（鈣質(zhì)砂）不具備自我中和能力，不滿足吹填料質(zhì)量需求。吹填造陸后土體易酸化造成環(huán)境污染，作為棄土處置。棄土方式采用絞吸挖泥船挖掘并管道輸送至項(xiàng)目指定的海上拋泥區(qū)，排泥出口布置于水下12 m，降低對(duì)周邊水質(zhì)影響并可避免輸送過程中與大氣接觸。

2） 鑒于上述SPOCAS 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，疏浚A、B、C、D 區(qū)主要為珊瑚砂質(zhì)土，土體自我中和能力強(qiáng)，疏浚土作吹填料處置，采用絞吸船吹填上岸進(jìn)行造陸施工，具體措施如下。

①由于疏浚吹填過程中，將會(huì)對(duì)原珊瑚砂層破碎輸送重組，并伴有吹填料流失，實(shí)際進(jìn)入吹填區(qū)的潛在酸性硫酸鹽土含量將會(huì)減少，珊瑚砂粒徑分布也將與原疏浚區(qū)取樣有所區(qū)別，因此需分區(qū)分層吹填（圖5）以避免潛在酸性硫酸鹽土局部匯集，造成后期處置難度。

圖5 分層吹填進(jìn)展Fig.5 Progress of stratified reclaiming

②加強(qiáng)吹填過程中土體的過氧化pH 值監(jiān)控，確保符合環(huán)保質(zhì)量要求，對(duì)部分不符合要求的區(qū)域采取水力沖填加大流失或機(jī)械推散拌合等手段，控制潛在酸土含量占比。

③碾壓破碎部分珊瑚砂以作為備用拌合料，為后期局部區(qū)域的深層拌合處置做好準(zhǔn)備。

4 吹填成陸后的土體酸度檢測(cè)

吹填土酸度監(jiān)測(cè)包括原位酸度（pHF）檢測(cè)和經(jīng)過氧化氫氧化后的酸度（pHFOX）檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)的pHF 值應(yīng)≥6，pHFOX 值應(yīng)≥5。珊瑚砂采用分層吹填成陸，當(dāng)吹填高度>0 m 時(shí)開始取樣檢測(cè)，根據(jù)吹填施工進(jìn)度分層取樣，取樣檢測(cè)頻率為每吹填250 m3干砂檢測(cè)1 次，于典型吹填料中人工取樣。每份樣品質(zhì)量為200 g，現(xiàn)場(chǎng)采用ADWA pH 檢測(cè)儀測(cè)定土樣酸度。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法為[7]：取樣品置于量杯中，加水充分混合并沉淀，20 min 后采用pH 檢測(cè)儀測(cè)定上清液酸度，獲取吹填土原位酸度pHF；取樣品置于量杯中，加20%濃度過氧化氫溶液充分混合并沉淀，40 min 后采用pH 檢測(cè)儀測(cè)定上清液酸度，獲取吹填土氧化后的酸度pHFOX?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)，土樣與水或過氧化氫溶液體積比采用1∶3，根據(jù)上清液酸度計(jì)算土樣實(shí)際酸度：

pH土樣=pH上清液-lg 4=pH上清液-0.602 0

實(shí)際吹填施工時(shí)，共取樣472 組。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，0 m 以上吹填土的原位酸度pHF 為8.1~9.4，滿足環(huán)境限值6 的要求；經(jīng)過氧化氫氧化后的酸度pHFOX 為6.9~9.7，僅1 個(gè)樣品實(shí)測(cè)值為4.7，滿足環(huán)境限值5 的要求。

5 結(jié)語

在熱帶地區(qū)紅樹林棲息地周邊疏浚吹填含潛在酸性硫酸鹽土體時(shí)，應(yīng)根據(jù)土體特性及潛在酸性硫酸鹽的總量、環(huán)境允許極限、處置措施可行性、工期及經(jīng)濟(jì)效益等[8]，綜合規(guī)劃疏浚土的處置。對(duì)于土料中還原態(tài)硫含量較高或土的自身酸中和容量不足時(shí)，采用以下方法：

1）水下拋填：即采用耙吸船、抓斗船配合泥駁進(jìn)行水下拋填或絞吸船水下拋吹工藝。

2）添加中和料：①中和料因地取材，推薦采用碳酸鈣（石灰石）或珊瑚砂，因中和料有效中和容量與粒徑負(fù)相關(guān)，故中和料應(yīng)粉碎至0.5 mm以下。②中和料添加量應(yīng)以最低水位以上砂土的體積為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。通常珊瑚砂與疏浚土質(zhì)量比為 9 ∶100（Ca∶S=18∶5）時(shí)便可將潛在酸性硫酸鹽土的pH 值提升至6.5。③宜采取分區(qū)、分層吹填工藝降低分層吹填的厚度，便于采用陸上機(jī)械將中和料與土料攪拌均勻，同時(shí)增加土內(nèi)氧氣含量，加速潛在酸性硫酸鹽土的氧化過程，提高中和速度。