李盼盼，鄭宇，畢世明，王德詠，羅志強(qiáng)

（1.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 231232；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

0 引言

疏浚工程中產(chǎn)生的疏浚泥通常采用堆放或海洋外拋的方式處理，堆放要占用大量的土地，外拋則會(huì)引起環(huán)境污染問(wèn)題[1]，因此疏浚土的資源化利用研究一直是熱門(mén)話題。疏浚土的資源化利用方向主要包括土地利用（復(fù)墾、綠化等）和建筑材料兩個(gè)方向，其中土地利用被認(rèn)為是最有潛力的處置方式[2]。疏浚土以硅鋁酸鹽等無(wú)機(jī)礦物為主要成分，并富有較高含量的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽[3]，與土壤成分非常接近，且比城市污泥具有更大的安全性，是一種很好的肥源[4]。研究人員將污泥和垃圾配成有機(jī)復(fù)肥及培養(yǎng)土基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該利用途徑是可行的[5]。由于疏浚工藝的限制，一般新近的疏浚土含水率甚至可以達(dá)到400%～900%[6]，不具備直接資源化利用（如農(nóng)用地利用）的條件，需要進(jìn)行脫水固化處理。常規(guī)的疏浚土脫水固化技術(shù)包括機(jī)械脫水、化學(xué)絮凝脫水、電滲脫水，但上述技術(shù)存在成本高、具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、能耗高等缺點(diǎn)[2]。

近年來(lái)，植物被廣泛用于邊坡加固、防止土壤流失及改良等方面[7-8]。植物生長(zhǎng)過(guò)程中的蒸騰作用，會(huì)使根系對(duì)土體產(chǎn)生“吸水”效果，進(jìn)而使孔隙水壓力減小，相應(yīng)基質(zhì)吸力增大，土體剪切強(qiáng)度增大[9]，達(dá)到固土效果。植物根系是一種優(yōu)良的加筋材料[10]，能顯著提高土體抗剪強(qiáng)度，隨著土體含根率的提高，根系土體的抗剪強(qiáng)度值越大[11]。

皇竹草（Pennisetum hydridum）是一種多年生直立叢生的禾本科植物，由美洲狼尾草（P.americanum）和象草（P.purpureum）雜交而成[12]，其根系發(fā)達(dá)，對(duì)生存環(huán)境要求低[13]?；谥参锞哂小拔焙汀凹咏睢钡碾p重效果，本研究旨在依托安徽省引江濟(jì)懷工程江淮溝通段某疏浚項(xiàng)目，通過(guò)種植皇竹草，結(jié)合工程排水措施，探索一種生態(tài)環(huán)保的納泥區(qū)淺表層疏浚土的固化方法，使其具備一定的承載能力，滿足農(nóng)用地資源化利用的需求。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

1.1 依托項(xiàng)目概況

本研究依托引江濟(jì)懷工程江淮溝通段某航道疏浚項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于安徽省壽縣，疏浚航道總長(zhǎng)度41.0 km，疏?？偡搅繛?0 725 978 m3，采用環(huán)保絞吸工藝，疏浚土由輸泥管吹填至分布在湖泊兩岸的14個(gè)（1號(hào)—14號(hào)）納泥區(qū)內(nèi)，納泥區(qū)有效深度為3.5 m，總面積為402.9 hm2。所有納泥區(qū)完成疏浚吹填和固化處理后，全部用作農(nóng)用地資源化利用。試驗(yàn)區(qū)域位于最先吹填完成的3號(hào)納泥區(qū)，平面位置見(jiàn)圖1。

圖1 3號(hào)納泥區(qū)平面位置圖Fig.1 Location of the No.3 soil storage area

1.2 試驗(yàn)區(qū)概況

由于排泥口的水力分選作用，納泥區(qū)內(nèi)表層疏浚土內(nèi)形成2種性狀，見(jiàn)圖2。一種粒徑較大，稱之為土塊區(qū)，約占納泥區(qū)總面積的20%，土塊區(qū)由于地勢(shì)高，排水條件好，表層通過(guò)晾曬即可實(shí)現(xiàn)固化。另一種由于粒徑較細(xì)，稱之為細(xì)粒區(qū)，約占納泥區(qū)總面積的80%，細(xì)粒區(qū)排水條件差、含水率高，呈泥漿狀，部分區(qū)域存在表層覆水，難以固化處理，本研究只針對(duì)細(xì)粒區(qū)開(kāi)展。

圖2 納泥區(qū)內(nèi)2種性狀疏浚土的照片F(xiàn)ig.2 Two types of dredged soil in the soil storage area

通過(guò)取樣和土工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)粒區(qū)表層泥漿狀疏浚土的土質(zhì)為粉土，含水率為273.1%，塑限為19.7%，液限為26.8%，塑性指數(shù)為7.1，干容重為1.19 g/cm3。另外，納泥區(qū)表層覆水感官較為渾濁，經(jīng)過(guò)14 d的沉淀后，對(duì)其懸浮物（SS）含量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示SS濃度在140.6～138.6 mg/L之間，高于環(huán)保要求的70 mg/L濃度限值，因此排水時(shí)需要采取措施進(jìn)行凈化處理。

2 試驗(yàn)方法

2.1 工程排水措施試驗(yàn)

2.1.1 排水溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方法

采取開(kāi)挖排水溝的方式進(jìn)行排水，由于表層覆水的SS濃度超出設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)，直接排放會(huì)污染周邊水體，因此需要采取措施降低水體中SS的濃度。生物秸稈對(duì)水體中的SS具有良好的吸附效果，去除率可達(dá)60%[14]?？紤]在排水溝中鋪設(shè)水稻秸稈用于吸附排水溝出水中的部分SS。

本試驗(yàn)在納泥區(qū)圍堰上每隔25 m開(kāi)挖排水溝，排水溝的縱斷面和橫斷面如圖3、圖4所示。具體做法是：1）利用挖機(jī)按照1∶1放坡開(kāi)挖溝槽，排水溝槽底標(biāo)高與表層流態(tài)疏浚土的底標(biāo)高一致；2）人工修整溝槽坡度約為5%；3）在排水溝內(nèi)沿溝槽方向鋪設(shè)捆扎整齊的水稻秸稈，并用挖掘機(jī)壓實(shí)，壓實(shí)后的秸稈敷設(shè)厚度不小于泥漿深度（本試驗(yàn)為80 cm）；4）回填原狀土并進(jìn)行壓實(shí)；5）排水溝施工完成后派專人進(jìn)行巡視維護(hù)，一旦發(fā)生於堵情況及時(shí)疏通，保證排水通暢。

圖3 排水溝縱向斷面圖Fig.3 Longitudinal section of drainage ditch

圖4 排水溝橫向斷面圖Fig.4 Cross section of drainage ditch

排水溝開(kāi)挖日期為2020年5月15日，共開(kāi)挖9處，具體位置見(jiàn)圖5所示。

圖5 植物生態(tài)固化試驗(yàn)平面布置圖Fig.5 Layout of plant ecological solidification test

2.1.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)及分析

1）SS濃度及去除率

在排水溝出水后，對(duì)9個(gè)排水溝的內(nèi)側(cè)上覆水和出水、以及疏浚航道的湖泊水體進(jìn)行取樣，每處采集3個(gè)水樣，每個(gè)水樣500 mL。采用GB/T 11901—1989《水質(zhì)懸浮物的測(cè)定重量法》中的重量法測(cè)定水樣中的SS濃度，根據(jù)得到的內(nèi)側(cè)上覆水和出水SS濃度計(jì)算去除率，計(jì)算方法如式（1）：

式中：a為去除率，%；ωo為內(nèi)側(cè)上覆水SS濃度，mg/L；ωi為出水SS濃度，mg/L。

2）表層疏浚土含水率

排水期間，每隔14 d對(duì)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)9個(gè)排水溝內(nèi)側(cè)的表層疏浚土進(jìn)行取樣，取樣位置做標(biāo)記確保每次取樣的位置不變，每個(gè)位置取3個(gè)土樣，采用烘干法測(cè)定含水率，將3個(gè)土樣的含水率結(jié)果取平均值，在此基礎(chǔ)上將9個(gè)位置的平均值再取均值，作為整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的含水率代表值。

2.2 植物生態(tài)固化試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取泥漿區(qū)3 000 m2作為試驗(yàn)場(chǎng)地，分為3個(gè)小區(qū)，其中1個(gè)小區(qū)作為空白對(duì)照（CK），面積為400 m2，另外2個(gè)小區(qū)種植皇竹草，面積均為1 300 m2，設(shè)置2種處理，分別為0.5 m種植間距（T1）和1 m種植間距（T2），平面布置如圖5所示，皇竹草的種植時(shí)間為2020年7月3日。

2.2.2 數(shù)據(jù)觀測(cè)與處理

觀測(cè)內(nèi)容包括土壤含水率、地基承載力，測(cè)定頻率為1次/月，將每個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的均值作為處理的代表值。數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間為2020年9月20日—2021年11月29日。各指標(biāo)的具體測(cè)定方法如下：

1）土壤含水率

每個(gè)區(qū)塊選擇6個(gè)固定取樣點(diǎn)，利用鉆土器取出1 m土柱并裝入密封袋，保持密封袋封閉并將其充分混合后測(cè)定含水率。測(cè)定方法采用烘干法，使用101A-3型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱和電子天平進(jìn)行測(cè)定。

2）承載力

在測(cè)定含水率的同一位置測(cè)定承載力，采用TSY-2.2型靜力觸探機(jī)、使用單橋探頭進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)盡量貼近植物根部，測(cè)定深度為1 m，每0.1 m記錄一次比貫入阻力qs。承載力f0的換算采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第五版）中粉土的承載力經(jīng)驗(yàn)式（式（2））進(jìn)行計(jì)算：

式中：f0為疏浚土地基承載力，kPa；qs為單橋探頭的比貫入阻力，MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 排水效果分析

1）表層疏浚土含水率變化

排水49 d后（2020年7月3日），表層土含水率由273.1%降低至50.4%，達(dá)到了皇竹草的種植含水率要求。

2）水稻秸稈對(duì)SS的去除效果

從表1的結(jié)果可以看出，鋪設(shè)水稻秸稈的排水溝對(duì)SS的去除率在41.1%～56.9%之間，平均去除率為52.5%，出水中的SS濃度在48.7～68.1 mg/L之間，平均濃度為58.8 mg/L，低于環(huán)保排放要求的70 mg/L，說(shuō)明排水溝底部鋪設(shè)水稻秸稈可以有效去除水中的SS，保護(hù)周邊環(huán)境免受污染。

表1 不同位置水樣的SS的測(cè)定結(jié)果和去除率Table 1 Measurement results and removal rate of SS in water samples at different locations

3.2 植物對(duì)疏浚土的加固效果

1）土壤含水率變化

土壤含水率的變化可以一定程度說(shuō)明植物的吸水效果，見(jiàn)圖6。

圖6 不同處理的含水率變化Fig.6 Changes in moisture content of different treatments

從圖6結(jié)果可以看出，3個(gè)區(qū)域的初始含水率在37.7%～38.5%之間，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CK、T1和T2的含水率分別為33.4%、29.4%和28.5%，種植皇竹草區(qū)域的含水率明顯低于空白對(duì)照區(qū)，說(shuō)明種植植物皇竹草可以明顯加快土體的失水。

2）地基承載力分析

圖7為基于靜力觸探測(cè)定結(jié)果換算的地基承載力變化結(jié)果，可以看出，3個(gè)處理承載力均隨時(shí)間變化而增大，過(guò)程中T1、T2處理的承載力始終明顯高于CK，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的承載力T1、T2分別為CK處理的1.7和1.5倍，最高達(dá)到90.7 kPa，空白對(duì)照僅為53.6 kPa，說(shuō)明相較于空白對(duì)照，種植皇竹草對(duì)表層1 m疏浚土產(chǎn)生了一定的固化作用。

圖7 不同處理的承載力變化Fig.7 Changes in bearing capacity of different treatments

圖8為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，每個(gè)處理的0～100 cm深度比貫入阻力值，從結(jié)果可以看出，3個(gè)處理不同深度的比貫入阻力均隨著深度的增加而減小，其中CK處理減小趨勢(shì)最明顯。深度10 cm以下，比貫入阻力的大小表現(xiàn)為T(mén)1＞T2＞CK，50～100 cm深度范圍內(nèi)，CK比貫入阻力值明顯小于T1和T2，說(shuō)明皇竹草對(duì)0～100 cm深度的疏浚土具有加固作用，50～100 cm深度范圍加固作用明顯。0～100 cm深度范圍內(nèi)，T1的比貫入阻力均大于T2，說(shuō)明0.5 m種植間距的固化效果優(yōu)于1.0 m間距。

圖8 不同深度比貫入阻力結(jié)果Fig.8 Penetration resistance results of different depth ratio

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)新近吹填的疏浚土含水率高、工程性質(zhì)差，難以直接資源化利用，傳統(tǒng)脫水固化方法存在能耗高、具有二次污染風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，嘗試了一種通過(guò)種植植物皇竹草、同時(shí)配合工程排水措施實(shí)現(xiàn)淺表層疏浚土生態(tài)固化的方法，驗(yàn)證了該方法的有效性，主要研究結(jié)論如下：

1）針對(duì)疏浚土納泥區(qū)前期表層土壤含水率過(guò)高、存在覆水的情況，可在納泥區(qū)圍堰上每隔30 m開(kāi)挖排水溝，并在溝槽鋪設(shè)水稻秸稈，達(dá)到快速排干表層土壤水分，同時(shí)吸附凈化水中SS的雙重效果，SS的平均去除率為52.5%。

2）種植植物皇竹草可以加快淺表層疏浚土的失水，對(duì)土體具有加固作用，50～100 cm深度范圍效果尤為明顯。種植皇竹草約5個(gè)月后，承載力最高達(dá)到90.7 kPa，空白對(duì)照僅為53.6 kPa。0.5 m種植間距的固化效果優(yōu)于1 m。

3）上述試驗(yàn)證明，通過(guò)在新近吹填的淺表層疏浚土種植皇竹草，同時(shí)結(jié)合工程排水措施，能夠一定程度上促進(jìn)淺表層疏浚土的脫水固化，有益于實(shí)現(xiàn)疏浚土的農(nóng)用地資源化利用。

4）本方法實(shí)施過(guò)程中無(wú)需使用大型機(jī)械，能耗低，是一種生態(tài)環(huán)保的淺表層疏浚土固化技術(shù)，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。