楊 洋，陳人瑗，邱珍鋒，王俊杰，武立清

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.華東勘測設(shè)計(jì)院(福建)有限公司，福建 福州 350003;3.重慶交通大學(xué)水工建筑物健康診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 400074)

城市河道疏浚一般采用低濃度淤泥疏浚方式，如水力沖挖。水力沖挖產(chǎn)生的疏浚淤泥含水率高、體積大、固結(jié)難，直接堆場棄置會消耗大量的城市土地資源[1-2]，增加社會矛盾和工程造價。疏浚淤泥黏粒小、沉淀慢、滲透性差、泥水自然分離時間長，傳統(tǒng)脫水方法無法滿足淤泥的脫水要求，開展淤泥中泥水快速分離方法的研究迫在眉睫。

許多學(xué)者對淤泥的脫水加固技術(shù)進(jìn)行了研究。付冠杰等[3]提出了一種堆載吹填淤泥并同步真空預(yù)壓加固技術(shù)，將吹填淤泥加固及軟土地基加固兩階段施工整合到一個真空預(yù)壓周期內(nèi)完成以縮短造陸工期，但設(shè)置堆載所需要的材料成本和時間成本較高。房營光等[4]采用以砂墊層和豎向砂井為排水系統(tǒng)的真空預(yù)壓法，進(jìn)行了電滲法與真空預(yù)壓法聯(lián)合作用加固堿渣土以及軟黏土的室內(nèi)試驗(yàn)研究，證明了真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法的有效性。王軍等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合理地設(shè)計(jì)電滲聯(lián)合真空預(yù)壓法，可以使兩種作用產(chǎn)生相互促進(jìn)的效果，電滲法可以提升遠(yuǎn)離排水板土體的加固效果，真空預(yù)壓法可以降低電滲陰極的含水率。Wang等[6]采用電滲聯(lián)合真空預(yù)壓法處理淤泥，當(dāng)真空預(yù)壓處理效果下降時再開啟電滲裝置。陶燕麗[7]發(fā)現(xiàn)在電滲過程中，黏土的排水速率與電流存在線性關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，可以通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算黏土的排水量。劉鳳松等[8]開展了大面積真空-電滲降水-低能量強(qiáng)夯聯(lián)合地基加固方法研究。俞家銳等[9]對溫州蒼南縣江南圍墾區(qū)進(jìn)行真空預(yù)壓-電滲加固現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明真空預(yù)壓-電滲聯(lián)合加固法取得了良好的效果，不僅地基承載力超過了預(yù)期，且相對于真空預(yù)壓法在縮短工期上優(yōu)勢明顯。儲旭等[10]結(jié)合福建省廈門市丙洲淺灘陸域形成工程實(shí)踐，將抽真空、電滲、強(qiáng)夯三者的優(yōu)勢相結(jié)合，不但能改變傳統(tǒng)地基處理方式的應(yīng)用局限性，而且能有效降低工程造價，縮短工期，提高處理后土體的強(qiáng)度，并具有無二次污染的特點(diǎn)。從以上研究可看出電滲固結(jié)脫水技術(shù)能有效提高軟土的固結(jié)度、縮短固結(jié)時間，解決低滲透性地基排水固結(jié)問題[11-13]。但是針對“超高含水率”的城市河道水力沖挖淤泥，真空聯(lián)合電滲法及其脫水處理效果評價方法的研究還較少[14]。已有的真空聯(lián)合電滲技術(shù)[15-18]存在以下問題：①淤泥處理堆場中淤泥往往深度較淺，真空預(yù)壓法的經(jīng)濟(jì)性不能體現(xiàn)；②電滲法的電極往往是豎直布置，處理后的電極之間產(chǎn)生自上而下的貫穿裂縫，這種縱向裂縫直接阻斷了陰陽極之間的電流，嚴(yán)重影響電滲效果。

佘鵬等[19]通過試驗(yàn)對比了水平電滲和豎向電滲的固結(jié)效率，結(jié)果表明水平向電場的脫水效果明顯優(yōu)于豎直向電場的脫水效果，水平向電場降低了淤泥固結(jié)后開裂對電滲效率產(chǎn)生的影響，且電極區(qū)排氣問題也更易于處理。周詳?shù)萚20-21]將電極設(shè)計(jì)為水平布置，形成真空聯(lián)合水平電滲脫水法，在此基礎(chǔ)上，本文開展水平電滲聯(lián)合真空預(yù)壓的沖挖淤泥脫水試驗(yàn)研究，提出水力沖挖淤泥脫水量計(jì)算方法。計(jì)算思路為將電滲作用與真空作用分開考慮，分別計(jì)算兩種作用排出的脫水量，最后進(jìn)行疊加。將疊加之后排水量理論計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對比，對計(jì)算公式進(jìn)行修正，綜合考慮得出總脫水量。

1 真空作用下脫水量計(jì)算

1.1 試驗(yàn)方法

為測定真空作用下淤泥的脫水量，進(jìn)行了真空作用下脫水量測定試驗(yàn)。在模型試驗(yàn)過程中，僅使用真空排水結(jié)構(gòu)對駱家溝水力沖挖淤泥進(jìn)行處理，試驗(yàn)布置如圖1所示。試驗(yàn)槽長1.0 m，寬0.6 m，試驗(yàn)槽底部布置真空濾管排水結(jié)構(gòu)。將裁好的不銹鋼鋼筋按一定間距固定在薄木板上制成陽極；在直徑為5 cm的PVC管上鉆制排水孔，管外包裹兩層土工布以過濾淤泥，通過彎頭拼接陰極。陰極布置于淤泥底部，陽極布置于淤泥表面。淤泥自重作用可以有效抑制陰陽極之間的裂縫開展；陽極位置隨淤泥沉降而降低，陰、陽極距離不斷減小，電勢梯度不斷增大，有利于提升電滲脫水效果。淤泥表面至試驗(yàn)槽底部高0.4 m，淤泥密度1.022 g/cm3，初始含水率為470.0%。采用底部6支真空濾管持續(xù)工作，不開啟電滲電源的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)過程中監(jiān)測水氣分離罐中的累計(jì)脫水量。上部淤泥最靠近陽極，此處電場強(qiáng)度最大，再加上重力場作用，加速上部水分向下部運(yùn)移。因此呈現(xiàn)上部含水率變化較劇烈，底部含水率變化較緩和，中部含水率變化范圍相對較小。為減小試驗(yàn)結(jié)果的誤差，每24 h取試驗(yàn)槽中部淤泥測量含水率。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖(單位：cm)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

真空作用下淤泥含水率隨時間的變化如圖2所示。從圖2可以看出，隨處理時間的增加，淤泥含水率不斷降低且降低速率逐漸減緩。前24 h含水率下降速率較大的原因可能是淤泥初始含水率大，導(dǎo)致大量液態(tài)水通過濾管排出；24 h后含水率近似線性減小，且含水率降低速率明顯低于前24 h，其原因是真空濾管附近淤泥的含水率下降較快，遠(yuǎn)離濾管的水分又未及時運(yùn)移到濾管附近，因此排水速度減慢。

圖2 含水率隨時間變化

在試驗(yàn)過程中，觀察到24 h后，水氣分離罐中的水量增加十分緩慢，僅有少量的水滴排入罐內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)束后，水氣分離罐中收集到的液態(tài)水質(zhì)量僅為17.125 kg。含水率測試數(shù)據(jù)表明，240 h時淤泥試樣的含水率為366.7%，較初始含水率降低103.3%。假設(shè)淤泥含水率均勻分布，已知含水率變化，淤泥脫水質(zhì)量可由下式計(jì)算：

(1)

式中：mv為真空作用下脫水質(zhì)量，kg；w0為淤泥初始含水率，%；w為處理后淤泥含水率，%；m0為淤泥初始質(zhì)量，kg。

通過式(1)計(jì)算得到真空作用下淤泥脫水質(zhì)量為44.471 kg，明顯大于水氣分離罐中收集到的液態(tài)水質(zhì)量17.125 kg，可算出氣態(tài)水的質(zhì)量為27.346 kg，液態(tài)水和氣態(tài)水的質(zhì)量比約為3∶5。這說明淤泥中排出的水僅有一部分以液態(tài)形式貯存于水氣分離罐中，另一部分以水蒸氣的形式排出。

為了進(jìn)一步探究淤泥脫水規(guī)律，分析脫水過程中脫水速率的變化情況，對比理論脫水速率與水氣分離罐實(shí)際收集到的液態(tài)水脫水速率。理論脫水速率可以表示為當(dāng)前時段單位時間脫水量，即：

(2)

式中：q為當(dāng)前時段總脫水速率，kg/h；Δt為時長，取為Δt=24 h。

將式(1)代入式(2)得：

(3)

脫水速率與時間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，處理過程的前48 h，理論脫水速率迅速減小，與實(shí)際收集到的液態(tài)水脫水速率變化趨勢基本一致。這是由于處理前期，濾管排水結(jié)構(gòu)附近淤泥含水率極高，絕大部分水以液態(tài)形式在真空與重力作用下排出，被收集在水氣分離罐中。在48～240 h時段內(nèi)，理論脫水速率平均值在0.123 kg/h附近波動，而將水氣收集罐中的液態(tài)水質(zhì)量視為實(shí)際脫水量換算得平均脫水速率僅為0.008 kg/h。這是由于此階段水主要以氣態(tài)排出，并未被水氣分離罐所收集到。將真空作用下淤泥的脫水過程分為兩個階段：①快速排水階段。淤泥在處理開始的一小段時間內(nèi)脫水速率大，且以液態(tài)水為主，但速率衰減也很快。此階段淤泥含水率極高，液態(tài)水在重力和真空共同作用下快速排出，且重力作用對脫水速率影響很大。②穩(wěn)定促排階段。在第一階段后的大部分時間內(nèi)，水分主要以氣態(tài)的形式排出外界，且脫水速率在本階段平均值附近波動。此階段重力脫水作用可以忽略，真空作用為主要促進(jìn)作用。

圖3 真空脫水速率隨時間變化

1.3 真空作用下脫水量計(jì)算公式

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果與分析，作出以下假設(shè)：①真空作用下水均以氣態(tài)排出(快速排水階段重力作用排出的液態(tài)水歸入到電滲作用中考慮，具體計(jì)算方法在第2節(jié)中介紹)；②淤泥體內(nèi)部含水率均勻減小。由此可以得出真空作用下脫水量計(jì)算公式為

(4)

2 水平電滲作用下脫水量計(jì)算方法

2.1 基本假設(shè)

已有許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，對于不同類型的土體，電滲脫水速率與電流均呈線性關(guān)系，且土體含水率與土體電導(dǎo)率往往存在線性關(guān)系、指數(shù)關(guān)系或二次函數(shù)關(guān)系等，可以通過一些經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算土體的電導(dǎo)率[22]。假設(shè)水平電滲脫水量符合以下規(guī)律：①脫水速率與電流存在線性關(guān)系，即：q=CI，I為電流，C為與淤泥自身性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；②電導(dǎo)率與含水率呈線性關(guān)系[23](式(5))、指數(shù)關(guān)系[5](式(6))或二次函數(shù)關(guān)系[24](式(7))等較為簡單的關(guān)系；③電滲過程中，土體各處含水率均勻減小，即均勻分布；④電滲作用下水分全部以液態(tài)排出并貯存于水氣分離罐中，真空促排作用排出的水分全部以氣態(tài)逸出外界。

σ=Aw+B

(5)

(6)

σ=(Aw+B)2

(7)

式中：σ為淤泥電導(dǎo)率，S/m；A、B、D為與淤泥的物理性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

2.2 公式推導(dǎo)

根據(jù)電滲過程中假設(shè)③和④得到土體含水率隨脫水量的變化為

(8)

式中：me為電滲脫水量，kg。

假設(shè)待處理淤泥長、寬、高分別為l、a、b，電導(dǎo)率可由下式計(jì)算得到：

(9)

式中：U為電源電勢，V。

根據(jù)假設(shè)①和式(9)得：

(10)

以電導(dǎo)率為等量關(guān)系，分別將式(10)與式(5)(6)(7)聯(lián)立，將初值條件me(0)=0代入微分方程的通解，得到電導(dǎo)率與含水率的不同關(guān)系式，進(jìn)而得到如下3種不同的電滲脫水量me與時間t的關(guān)系式：

(11)

(12)

(13)

2.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述3種脫水量計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了水平電滲作用下脫水量測定試驗(yàn)。采用圖1試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯︸樇覝纤_挖淤泥進(jìn)行水平電滲脫水處理。為確定駱家溝水力沖挖淤泥電導(dǎo)率相關(guān)參數(shù)，模型試驗(yàn)采用持續(xù)電滲的通電方式，電源電壓為30 V，淤泥初始含水率為441%。

電滲脫水速率與電流的關(guān)系如圖4所示，可見脫水速率和電流的關(guān)系符合假設(shè)①，可以用線性函數(shù)來擬合，比例常數(shù)C=0.188 6。

圖4 電滲脫水速率與電流關(guān)系

根據(jù)式(8)和式(9)，計(jì)算處理過程中含水率和電導(dǎo)率值，以含水率為橫坐標(biāo)，電導(dǎo)率為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖(圖5)。采用式(5)擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)時，得到駱家溝水力沖挖淤泥的材料參數(shù)A=0.471 9，B=-1.227 5；采用式(6)擬合時，得到A=0.062 7，D=1.353 4，B=-0.411 1；采用式(7)擬合時，得到A=0.520 2，B=-1.172 0。根據(jù)式(11)(12)(13)，計(jì)算得到了3種擬合方式下淤泥的電滲脫水量，見圖6。

圖5 電導(dǎo)率與含水率關(guān)系

圖6 水平電滲脫水量計(jì)算結(jié)果

殘差平方和可以用來評價模型計(jì)算值與實(shí)測值的擬合程度。式(11)(12)(13)的殘差平方和分別為190.96 kg2、185.22 kg2和171.25 kg2，其中式(13)的殘差平方和最小，擬合效果最優(yōu)。但總體來講，采用3種擬合方式計(jì)算出的電滲脫水量與模型試驗(yàn)實(shí)測值趨勢和形態(tài)吻合均較好。這說明基于電導(dǎo)率的水平電滲脫水量計(jì)算方法能夠較好地?cái)M合水力沖挖淤泥電滲脫水過程。

3 總脫水量計(jì)算方法

假設(shè)基于真空聯(lián)合水平電滲法的脫水量計(jì)算方法符合以下規(guī)律：①淤泥的總脫水量是電滲作用與真空促排作用分別作用的疊加；②脫水速率與電流存在線性關(guān)系；③淤泥的電導(dǎo)率與含水率具有指數(shù)關(guān)系；④處理過程中，土體各處含水率均勻減小，即均勻分布；⑤電滲作用下水分全部以液態(tài)排出并貯存于水氣分離罐中，真空作用排出的水分全部以氣態(tài)逸出外界?？偯撍坑?jì)算公式為

(14)

式中：m為基于真空聯(lián)合水平電滲法的總脫水量，kg。

為了驗(yàn)證本文計(jì)算方法的適用性和上文所測參數(shù)的可靠性，設(shè)置了小尺寸模型試驗(yàn)，應(yīng)用上文所得參數(shù)，預(yù)測模型試驗(yàn)的脫水量。試驗(yàn)在18 V電源電壓下進(jìn)行，試樣仍采用駱家溝水力沖挖淤泥，試驗(yàn)按照圖1布置，水力沖挖淤泥初始含水率為448%，淤泥密度為1.022 g/cm3。

根據(jù)第2.3節(jié)中獲得的水平電滲參數(shù)，分別計(jì)算3種擬合方式下水平電滲脫水量與實(shí)測脫水量(13.18 kg)的相對誤差和殘差平方和如表1所示。繪制水平電滲脫水量隨時間變化的關(guān)系曲線(圖7)，并與實(shí)際收集到的液態(tài)水質(zhì)量進(jìn)行對比。

表1 水平電滲脫水量誤差統(tǒng)計(jì)

圖7 水平電滲脫水量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值對比

由圖7可見，采用3種擬合方式計(jì)算出的水平電滲脫水量與模型試驗(yàn)實(shí)測值趨勢和形態(tài)吻合較好。這說明基于電導(dǎo)率的水平電滲脫水量計(jì)算方法能夠較好地?cái)M合水力沖挖淤泥電滲脫水過程。結(jié)合表1數(shù)據(jù)可得，3種擬合方法中，式(11)的殘差平方和最小，電滲脫水量相對誤差最小，擬合效果最優(yōu)。同時考慮到式(11)計(jì)算公式簡單，電滲脫水量計(jì)算僅需要確定A、B兩個參數(shù)，因此，采用線性關(guān)系擬合電導(dǎo)率與含水率關(guān)系對于計(jì)算駱家溝水力沖挖淤泥電滲脫水量具有一定的優(yōu)越性。

根據(jù)式(8)計(jì)算試驗(yàn)結(jié)束時淤泥的理論含水率為93.30%。為了檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠性，再一次對試驗(yàn)結(jié)束時淤泥的含水率進(jìn)行測試，含水率取樣點(diǎn)位置如圖8所示，測試結(jié)果如表2所示。

圖8 含水率測量點(diǎn)位置(單位:mm)

表2 含水率測試結(jié)果

由表2可得，淤泥上部較干燥，含水率平均值為86.15%，下部較濕潤，含水率平均值為137.67%，整體含水率平均值為94.23%。由于脫水處理時淤泥內(nèi)部的水分流動方向是由上部的陽極流向下部的陰極，因此脫水處理后的淤泥呈現(xiàn)上干下濕的現(xiàn)象。理論含水率是假設(shè)淤泥體含水率分布均勻時通過式(8)計(jì)算出的，對比含水率測試結(jié)果，其值93.30%處于干燥位置含水率值和濕潤位置含水率值之間，且與試驗(yàn)測得的整體含水率94.23%接近。這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的基于電導(dǎo)率的脫水量計(jì)算方法的適用性。

4 結(jié) 論

a.真空作用下，淤泥的脫水過程可分為主要排出液態(tài)水的快速脫水階段和主要排出氣態(tài)水的穩(wěn)定促排階段，液態(tài)水和氣態(tài)水的質(zhì)量比約為3∶5。

b.對于駱家溝水力沖挖淤泥，電滲脫水速率與電流呈線性關(guān)系，土體的電導(dǎo)率與含水率呈線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)或二次函數(shù)關(guān)系，其中基于線性函數(shù)關(guān)系擬合得到的電滲脫水量與模型試驗(yàn)實(shí)測值之間的殘差平方和最小，相對誤差最小。

c.根據(jù)本文提出的計(jì)算方法計(jì)算得到的總脫水量所對應(yīng)的淤泥理論含水率與模型試驗(yàn)實(shí)測值僅相差1%，表明將真空作用和水平電滲作用下脫水量分別計(jì)算后再疊加用于估算水力沖挖淤泥脫水量是基本合理的。