陳明霞 朱金水

摘 要：玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖而成的人工湖，本文通過地質勘察、土工試驗及重塑狀態(tài)裂隙形成過程對比試驗，研究了其淤泥的物理特性，結果表明：玉湖淤泥具有結構強度低、含水量高、有機質含量高、呈流塑等物理特性，IP值高于一般的河相淤泥，為高液限黏質土，且表現(xiàn)出遇水膨脹微弱，但失水收縮強烈的特點。結合這些性質特點，本文對淤泥資源化利用進行研究，提出了固化處理技術規(guī)程、土地利用和建筑材料利用的相關準入標準和技術要求，以期為城市河湖淤泥的資源化利用提供技術支持，為建設“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)和重要參考。

關鍵詞：木蘭溪;淤泥資源化利用;建材利用

中圖分類號：S157;X37 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）05-0041-05

木蘭溪流域屬于中亞熱帶海洋性溫暖濕潤的季風氣候，多年平均降雨量約為1122mm，降水年際變化大，年最大最小降雨量相差1300mm;降水年內分配不均，7～9月份的臺風暴雨季節(jié)，降雨量占全年的45～65%，臺風災害頻繁。木蘭溪下游河段河床平均比降只有0.02%，河道蜿蜒曲折，上游發(fā)生山洪暴發(fā)，加上漲潮海水的頂托作用，洪澇災害頻發(fā)。1999年莆田開始對木蘭溪進行截彎取直和兩岸筑堤的整體治理工程，把原來16公里的行洪河道截直至8.64公里。玉湖是木蘭溪截彎取直后的老河道開挖的人工湖，水域面積超過700畝，采取的是“改道不改水”的開挖方式，由于闊口橋下緊鄰該市最大商業(yè)綜合體，又有城市內河匯入，老河道流速變緩，泥沙淤積，逐漸減少城市水域面積、降低防洪排澇能力，引發(fā)河湖富營養(yǎng)化及黑臭問題。玉湖作為莆田城區(qū)防洪排澇體系的重要組成部分，肩負著蓄淡、排澇、生態(tài)、景觀功能，無論是對城市“黑臭水體”整治，還是從淤泥資源化利用，豐富城市生態(tài)內涵，對淤泥的處理及利用都是一項重要的研究課題。

目前解決泥沙淤積的主要措施[1-3]有虹吸清淤、挖泥船清淤、氣力泵清淤及振蕩脈沖射流與氣舉清淤等裝置。國外河流淤泥治理更加重視城市淤泥脫水減量處理及對脫水后淤泥的資源化利用，技術比較常用的主要有中固化處理、分級壓榨脫水、移動式連續(xù)脫水、高壓脫水等。國內目前對河流淤泥主要沿用傳統(tǒng)的處理技術，采取的主要是進行填埋或運送至堆泥場堆放[4]，隨著人們對環(huán)保要求的提高，淤泥處置及資源化處理利用方面的研究逐漸增加[5-7]，但仍處于起步階段，尤其是資源化利用的技術標準幾乎是空白。玉湖是老河道開挖成的湖泊，又受潮流影響，淤泥深受河相、湖相及海相的影響，本研究結合實際工程地質情況，參考有關標準和規(guī)范，提出淤泥資源化利用的技術要求，能夠更好地為實現(xiàn)人水和諧的美麗城市提供重要參考。

1 研究區(qū)工程地質狀況

本區(qū)為海積平原地貌，地勢平坦，地質構造屬閩粵東南沿海新華夏構造體系，巖性為燕山晚期花崗巖。該區(qū)地質歷史時期由于受海水潮流、河水侵蝕及地殼升降等影響，沉積物中含泥量多，具有海陸交互相及濱海相沉積的特點。工程地質狀況自上而下主要分為以下幾層：

（1）耕作層：黃褐色、褐色，混有植物根系，主要成分以粘性土為主，含少量中、粗石英砂粒，局部地段有較多碎石，磚瓦等。

（2）粉質粘土：褐色。實測標貫擊數(shù)N=4.0～8.0擊，經桿長修正后標貫擊數(shù)N=4.0～7.9擊。

（3）淤泥？譹？訛：灰色或深灰色，有少量有機質，實測含水率>60%。

（4）中砂：黃色、灰黃色，飽和，成分以石英砂為主。實測標貫擊數(shù)N=6.0～13.0擊，經桿長修正后標貫擊數(shù)N=5.1～10.5擊。

（5）淤泥？譺？訛：灰色或深灰色，質地細膩，實測含水率>60%。

（6）砂礫卵石層：黃褐色或褐色，其間充填中砂。承載力基本容許值為180-350KPa。

（7）殘積土層：全風化、中風化花崗巖及強風化輝綠巖等，工程力學性能較好，未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面軟弱巖層，承載力基本容許值為450-3000KPa。主要由第四紀覆蓋土層及花崗巖基巖組成。

從各巖土層空間分布特征看，縱剖面上各土層及風化巖層厚度變化大，各風化巖層的力學強度、性狀特征存在一定程度的差異，其中（6）（7）承載力基本容許值較高，可作為工程建設的樁基持力層。

2 研究區(qū)淤泥特性

淤泥試樣取自莆田市玉湖兩館一宮至玉湖路地段，取樣深度為湖底0-0.8m。

2.1 淤泥特征

淤泥呈深灰色至黑色，飽和，呈流塑或流動狀態(tài)，具有緊實黏重特性[8]。淤泥包含生活垃圾及植物根系等腐殖質，有腥臭味，可見少量貝殼碎屑，稍有砂感。干強度中等，韌性中等，光澤反應有光澤。

2.2 基本物理性質

該段湖泊淤積深度約0-0.8m。根據(jù)GB/T50123 -1999土工試驗標準方法[9]，對淤泥的基本物理性質進行相關試驗，結果如表1、表2所示。

玉湖的淤泥中性到偏堿性，含水量高、重度低、孔隙比高，其中Il>1，說明淤泥為流塑狀態(tài)，IP>17，屬高液限黏質土。淤泥質地黏細是有顆粒組成決定的，從表2可以看出，淤泥顆粒直徑d<1mm占到98%以上，質地黏細。

表3為不同河湖淤泥物理性質比照表[10-13]，由表可知，在重度上除白馬湖未查看到相關資料外，其余三個地區(qū)的淤泥值均較小，說明淤泥高含水量，天然結構強度低;不同河湖淤泥含水率都很高，故淤泥在固化前要先進行脫水處理，減少固化材料的使用，提高固化效果;從塑性指數(shù)的角度來看，除秦淮河是粉質黏土外，其余為黏土，玉湖和秦淮河均屬于河相沉積，玉湖IP大于秦淮河，與玉湖是人工湖的原因有關，但其值又比湖相白馬湖、五里湖和海相大亞灣值要小得多，與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關，說明河相比湖相淤泥顆粒比表面積更小，顆粒吸附能力更低，表現(xiàn)為土壤顆粒間粘結力較差，表明淤泥固化處理上河相淤泥比湖相、海相淤泥更難處理。有機質含量上可以看出，河相淤泥>湖相>海相，據(jù)范昭平研究，4.3%是有機質含量極限值，當有機質含量不超4.3%時，有機質含量越高，越有利于固化[12]，玉湖淤泥有機質含量只比海相大亞灣略高，固化處理難度大。

2.3 重塑土裂隙實驗

本研究的重塑土指的是土樣取回經實驗室后自然風干后粉碎，并過1mm銅篩。在處理上將重塑土放置于鋁盤上，加足夠蒸餾水攪拌均勻抹平表面后蓋上保鮮膜靜置24小時，確保其含水量超過90%，觀察其在室溫下土體水分蒸發(fā)裂隙形成的過程。試驗中發(fā)現(xiàn)，重塑土裂隙形成及發(fā)展主要有四個階段（見圖2），即裂隙始成期、形成期、發(fā)展期及穩(wěn)定期。

為了區(qū)分淤泥與工程膨脹土、紅黏土（土樣來自福建莆田）性質上的差別，工程膨脹土與紅黏土重塑土處理上參考淤泥，觀測其裂隙變化。在裂隙始成期（見圖3），工程膨脹土裂隙形成是先從鋁盤中間部位形成[8]，原因是工程膨脹土遇水膨脹后向鋁盤四周擠壓的同時，受到來自鋁盤邊緣的“反箍”作用力，整個土體只好向中間“隆起”，所以中間部分水分蒸發(fā)快，裂隙最先形成。淤泥及紅黏土裂隙是從鋁盤四周開始形成，說明這兩種土體遇水膨脹微弱。

在裂隙穩(wěn)定時期，這三種土體都表現(xiàn)出強烈收縮，收縮能力表現(xiàn)為紅黏土>變性土>淤泥，說明在失水收縮中，淤泥體積減少最為劇烈，所以在淤泥綜合運用上應先進行脫水，有效減少體積有利于運輸處理。

3 淤泥的資源化利用

在全國不少地區(qū)，清淤主要以政府為投資主體，通常在每年冬春季節(jié)圍堰抽水，由于未對淤泥進行二次利用，淤泥的運輸及堆放一直是老大難問題，而對廢棄的淤泥通過技術處理進行資源化利用則是解決這一問題的重要途徑。淤泥具有高含水率、高天然孔隙比、高塑性指數(shù)、有機質含量高、高靈敏度等特點，如果清淤問題沒有及時妥善解決，不僅會占用大量的土地，還會污染環(huán)境造成嚴重的二次污染。依照《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》提出的對固體廢棄物控制的無害化、減量化和資源化的“三化”原則，要盡量對淤泥進行資源化利用。

3.1 淤泥的固化處理

淤泥固化技術已在國內外開展了許多研究，并取得一系列成果[14-18]。固化處理作為淤泥資源化利用的有效方式，主要是向淤泥中加入一定量的固化材料，改善淤泥的理化性質和力學性能，具備符合要求的承載力，能代替砂石和土料，并在筑堤壩、堤防加固工程、路基、填方等工程中得到應用[19]。

根據(jù)《堤防施工規(guī)范》（中華人民共和國水利行業(yè)標準SL260-98）[20]要求，淤泥不適宜用于筑堤，若需采用時，需具備較為寬敞的場地或淤泥池，用于晾曬或者是預先拌合，在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。木蘭溪利用在截彎取直工程中產生的大量淤泥筑堤，經過必要的技術處理，制定土堤型式施工技術，利用新挖河道的淤泥用于堤防填筑[21-22]，通過在河道淤泥上打沙井，使淤泥中的水分充分排干，再經過晾曬使之硬化，成為地基，壩體也是利用層層晾干后的淤泥砌筑而成，最后用繩索、土工布和混凝土塊等加固封壩體，這樣一方面可以保護環(huán)境、節(jié)約土地資源又可以實現(xiàn)土方平衡、減少工程投資。

玉湖新城正處在建設開發(fā)時期，大量道路還未布設，用淤泥填筑路基，可以就地取材，在填筑時，首先要使其含水率降到適宜路基壓實的含水量水平。石灰在降低含水率方面作用突出，但成本高，經濟適用性差。石灰粉煤灰含有大量的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等成分，但粉煤灰在長途運輸過程中含水率可以達到20%，在降低淤泥含水量作用上不大理想。莆田秀嶼城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的爐渣成分和粉煤灰類似，處理上可以將爐渣與石灰混合含水量高的淤泥，使爐渣與淤泥同時得到資源化利用，又能解決路基來土問題。

3.2 淤泥的土地利用

淤泥的土地利用主要是將經過處理的污泥用于園林綠化、農業(yè)填肥等方面，是實現(xiàn)污泥的資源化和循環(huán)利用的有效途徑，可以用作栽培介質土或土壤改良材料，改良土壤結構，提升土壤肥力，為植物提供營養(yǎng)元素。

在城建快速擴張過程中，由于缺乏整體性的考慮，場地“三通一平”前的優(yōu)質土壤沒有得到有效的利用，且土壤中混雜越來越多建筑垃圾，導致城市園林綠化無土可用，而經過處理改良后的淤泥可以滿足需要。目前我國園林綠化行業(yè)可操作的行業(yè)標準不夠健全，園林綠化用淤泥準入標準可以參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（CJ248-2007）[23]（見表3）。園林綠化用淤泥一般用作栽培介質土或土壤改良材料，也可作為制作有機肥的原料。要求淤泥比較疏松，無明顯腥臭味。淤泥施用時間最佳季節(jié)為9月份至次年的5月份，喜鹽堿的植物可以增加淤泥用量。

堆肥化是淤泥應用在農業(yè)的主要途徑，根據(jù)《農用污泥中污染物控制標準》GB4284-2018[24]的規(guī)定，生污泥必須經過高溫堆腐處理后才能施用于農田，可施用于大田、園林和花卉上，但不能施用于蔬菜地和當年放牧的草地上，并且規(guī)定干污泥通常用量不超過30t/（hm2.a）。有研究資料表明[25]，堆肥能夠顯著降低底泥中的鹽分，如果淤泥的連續(xù)施用率不超過50t/（hm2.a），底泥中鹽分不會對周邊環(huán)境造成危害。參考《農用污泥中污染物控制標準》GB4284-2018（見表4），可以看出，除了總養(yǎng)分要求外，其他標準與園林綠化用值差不多，其中生物學指標與園林綠化用淤泥一致，所以淤泥應用于園林綠化或農業(yè)堆肥施用時先進行脫水處理盡量以干燥形態(tài)應用。除此之外，在淤泥的土地利用中，還需要嚴格控制淤泥中有機毒性物質，減少其對周圍環(huán)境和人類食物鏈安全造成的影響[26]。

3.3 建筑材料利用

莆田在將淤泥作為原料生產建筑材料上有成功的經驗可以借鑒。莆田于2007年引進清淤挖泥船，并將清理的淤泥用于生產環(huán)保淤泥多孔磚，淤泥經脫水破碎處理技術處理后摻合煤渣，以木屑、竹屑等為燃料，加入配方到多孔輪窯里燃燒。經檢測，多孔磚安全、環(huán)保，達到新型墻體建筑材料要求，這樣既解決木蘭溪南北洋河道淤泥處置問題，又實現(xiàn)淤泥資源化，對改善南北洋水環(huán)境起到很大的作用。

許多研究和應用表明，將淤泥應用于各種類型建筑工程中使用的材料，主要包括制磚、水泥、陶粒等，產品都能夠滿足標準要求[27-30]。淤泥中含有豐富的蒙脫石、伊利石等黏土礦物，可以代替黏土礦物應用于制磚和水泥。與利用耕地黏土制磚相比，淤泥制磚既解決城市河湖清淤問題，又實現(xiàn)淤泥資源化利用，對改善河湖水環(huán)境將起到很大的作用，具有明顯的社會效益、經濟效益及生態(tài)效益。

根據(jù)《中華人民共和國國家標準燒結普通磚》GB 5101-2017[31]規(guī)范要求，規(guī)范規(guī)定制磚主要原料分為黏土磚（N）、頁巖磚（Y）、煤矸石磚（M）和粉煤灰磚（F）、建筑渣土磚（Z）、淤泥磚（U）、污泥磚（W）和固體廢棄物磚（G）。淤泥制磚時，其尺寸偏差、外觀質量、強度、抗風化性能、石灰爆裂和泛霜、放射性物質等必須符合規(guī)范上的要求。

4 結論

（1）對比不同地區(qū)淤泥基本物理性質，玉湖淤泥主要特征為中性到偏堿性，含水量高、重度低、孔隙比高，塑性指數(shù)IP=18.14，屬于高液限黏質土，IP值高于一般的河相淤泥，與玉湖是人工湖的原因有關;IP值又低于湖相、海相淤泥，與玉湖是木蘭溪截彎取直后的舊河道原因有關，說明玉湖淤泥固化處理難度比湖相、海相淤泥更大;除此以外，玉湖淤泥受有機質含量低的影響，淤泥固化處理難度大。

（2）淤泥在固化前，需具備較為寬敞的場地或淤泥池，用于晾曬或者是預先拌合，在拌合的過程中也必須翻曬和拌混。從經濟性及適用性看，固化處理采用爐渣與石灰混合含水量高的淤泥。

（3）參考相關標準和規(guī)范，提出了土地利用和建材利用的相關準入條件和技術要求，為城市河湖淤泥的資源化利用提供重要參考，為建設“最美木蘭溪”提供決策依據(jù)。

參考文獻：

〔1〕向文英，程光均，李曉紅，等.水射流氣舉在水庫河道環(huán)境疏浚與清淤中的應用[J].重慶大學學報（自然科學版），2005（08）：129-131.

〔2〕CHEN S C， WANG S C， WU C H. Sediment removal efficiency of siphon dredging with wedge-type suction head and float tank[J]. International Journal of Sediment Research 2010， 25 ：149-160.

〔3〕Manap N， Voulvoulis N. Environmental management for dredging sediments–the requirement of developing nation[J]. Journal of Environmental Management 2015，147：338-348.

〔4〕張春雷，管非凡，李磊，等.中國疏浚淤泥的處理處置及資源化利用進展[J].環(huán)境工程，2014，32（12）： 95-99.

〔5〕曹雷.天津市河道淤泥脫水技術與資源化利用技術要求研究[D].天津大學，2016.

〔6〕宋闖，李冰，邱艷茹.河道淤泥處理及資源化應用[J].中國水利，2018（23）：35-37.

〔7〕許宇平，張軍，李慧英，等。河湖庫塘淤泥處理及資源化再利用研究[J].哈爾濱商業(yè)大學學報（自然科學版），2018，34（01）：36-40.

〔8〕陳明霞.福建變性土物理特異性研究[D].福建師范大學，2014.

〔9〕GB/T50123-1999，土工試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社，1999.

〔10〕徐楊，閻長虹，許寶田，等.城市河道淤泥特性及改良試驗初探[J].水文地質工程地質，2013，40（01）：110-114.

〔11〕吉鋒，張鐵軍，張帥，等.高含水量疏浚淤泥填料化處理土的干密度變化規(guī)律[J].東南大學學報（自然科學版），2010，40（04）：840-843.

〔12〕范昭平，朱偉，張春雷.有機質含量對淤泥固化效果影響的試驗研究[J].巖土力學，2005（08）：1327-1330+1334.

〔13〕朱偉，張春雷，高玉峰，等.海洋疏浚泥固化處理土基本力學性質研究[J].浙江大學學報（工學版），2005（10）：103-107.

〔14〕TANG Y X， Miyazaki Y， Tsuchida T. Practices of reused dredgings by cement treatment[J]. Soils and Foundations， 2001，41（05）：129-143.

〔15〕Jongpradist P， Jumlongrach N ， Youwai S. Influence of fly ash on unconfined compressive strength of cement admixed clay at high water content[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2010，22（01）：49-58.

〔16〕紀文棟，張宇亭，顏容濤，等.高吸水材料改善高含水率淤泥流動性的試驗研究[J].巖土力學，2015，36（21）：281-286.

〔17〕張麗華，范昭平.石灰-粉煤灰改良高含水率疏浚淤泥的試驗[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2013，35（01）：91-95.

〔18〕丁建文，洪振舜，劉松玉.疏浚淤泥流動固化處理與流動性試驗研究[J].巖土力學，2011，32 （S1）：280-284.

〔19〕Kamali S， Bernard F， Abriak NE et al. Marine dredged sediments as new materials resource for road construction [J]. Waste Management， 28（05）：919-928.

〔20〕SL260-98，堤防工程施工規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2000.

〔21〕陳國華.木蘭溪下游防洪工程淤泥施工技術研究[J].水利水電技術，2004（11）：64-67.

〔22〕郭遠鎰，陳建平.木蘭溪下游防洪工程軟基處理技術與施工質量控制[J].水利水電技術，2013，44（03）：57-59.

〔23〕CJ248-2007，城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質[S].北京：中國標準出版社，2007.

〔24〕GB4284-2018，用污泥污染物控制標準[S].北京：中國標準出版社，2018.

〔25〕馮發(fā)堂.城市黑臭河流底泥處理處置技術研究——以深圳市茅洲河流域為例[D].西安理工大學，2018.

〔26〕付克強.城市污泥與湖泊底泥土地利用效應研究[D].保定：河北農業(yè)大學，2007.

〔27〕王立華，劉佳，陳理達.水庫淤積物建材化利用研究[J].中國農村水利水電，2012（07）：106-109.

〔28〕Tang C W. Engineering properties of lightweight concrete masonry units made from sedimentary lightweight aggregate [J]. Journal of the Chinese Institute of Civil and Hydraulic Engineering 2010，22（01）：55-64.

〔29〕Kuo W Y， Huang J S， Tan T E. Organo-modified reservoir sludge as fine aggregates in cement mortars [J]. Construction Build Materials 2007， 21（03）：609–615.

〔30〕Chen J H， Huang J S ， Chang Y W. A preliminary study of reservoir sludge as a raw material of inorganic polymers [J]. Construction and Building Materials， ?2009， 23（10）：3264–3269.

〔31〕GB 5101-2003，中華人民共和國國家標準燒結普通磚[S].北京：中國標準出版社，2017.