无砂真空排水排水预压法固结硬化吹填土的研究

无砂真空排水排水预压法固结硬化吹填土的研究

强制采用水力法、管道输送法和吹扫法，疏浚和疏浚河流、湖泊、水库和港口路线，提高河流和水库的防洪能力和航道的安全能力。改善河流和湖泊的水质和生态环境，确保城市和农村地区的供水安全，具有显著的社会和环境效应。水体底泥沉积物的成分与性质很复杂,含水率高、强度低,含有污染性物质或元素,如有毒重金属(Hg,Cr,Pb,As等)、有机污染物(N,P等化合物)等。据统计,我国的江湖河库底泥污染率达80.1%。河湖清淤泥水通过管道输送到排泥场堆置,经自然晾晒或固化处理后形成具有一定强度和承载力的吹填土地基,可用作工农业开发建设为加快建设周期,常采用无砂真空排水预压法本文结合太湖生态清淤工程对无砂真空预压法的固结硬化规律和效果进行了分析1工程概况和管理方案1.1项目总结苏州市吴江区一水厂水源地生态清淤吹填土固化工程,需清淤约92万m1.2排水固结硬化方案1.3堆泥场平整度调整(2)采用闸式泄水口,并将其设置在场内吹填死角,尽可能远离进泥口位置。通过闸门的开启提放,来控制排泄流量,改善泥浆沉淀效果,减小流失及提高堆泥场平整度等。(3)堆泥场内根据泄水口总体走向,设置由溢流堤和隔堤组成的环形流道,增加淤泥落淤行程,增强颗粒促淤分选效果。距进泥口由近到远,沉淀泥颗粒由粗到细,含泥量大大降低,有利于污染物的悬浮、漂流和排放。(4)闸式泄水口排放的尾水通过“沉淀池+水生植物过滤带+溢流堰”两级生态处置,实施沉淀、植物吸附过滤和物理阻隔等强化措施,进一步减少含氮、磷等污染物总量或浓度,以保障水质符合相关标准。1.4固结变形特性分析设置真空度、表层沉降、孔隙水压力等现场观测项目,进行十字板剪切强度测试,取土样进行室内物理试验,研究河湖清淤吹填土的固结变形特性,评价检验地基固结硬化效果。取样测试吹填土处治过程中有机质、氮磷元素、重金属元素含量以及浸出毒性指标,研究污染物的迁移变化过程,分析处治过程中排放的水体是否达标、固结硬化后的土体环境质量等级,是否对周边环境产生二次污染等。2吹扫土固结硬化治疗效果的试验分析2.1沉降观测结果分析图3~4给出了吹填土地基膜下真空度和泥面沉降的变化过程,从中可以分析河湖吹填土在负压排水固结联合生态处治过程中体现出的比较独特的性状规律。考虑到吹填泥十分稀软,泥面浮水多,土颗粒呈悬浮态,流动性大,采用逐步加载法进行抽真空,水、土、气在由小到大逐渐提高的负压抽吸作用下逐步移动、汇聚和排出,膜下真空度呈波动性上升。当水、土、气的移动、汇聚达到有序状态时,膜下真空度进入持续稳定阶段。逐步加载抽真空方式可有效减免水平管路和竖向排水体的淤堵,保障负压排水的长期通畅,较适合于清淤吹填土的固结处理。从图4的沉降观测结果来看,环形流道的总体方向是:1区(累计沉降量403mm)→2区(累计沉降量639mm)→3区(累计沉降量794mm)→6区(累计沉降量639mm)→5区(累计沉降量728mm)、9区(累计沉降量981mm)、8区(累计沉降量875mm)→4区(累计沉降量860mm)→7区(累计沉降量891mm)。越靠近进泥口颗粒越粗,越容易沉淀,沉降量较少且易稳定收敛;越远离进泥口,颗粒越细,越不易沉淀,沉降量较大,但收敛慢。不同分区沉降的差异性体现出环形流道具有延长泥浆流程、减缓流速、促进颗粒落淤分选的功能,可提高堆泥场充淤容量,有利于污染物悬浮排流。按变形计算吹填泥层的平均固结度均达到80%以上。图5列出了位于环形流道两个不同区域的淤泥地基内超静孔压的变化过程,可以看出,浅层的负超静孔压较大,深层相对较少,符合一般规律。受环形流道对泥浆沉积和颗粒落选的影响,超静孔压的分布呈现出明显的区域特征。2区位于第1道溢流堤后方,靠近进泥口,粗颗粒容易沉淀且含量较多,4区位于纵向隔堤的后方,距进泥口较远,细颗粒含量增加。浅层1~2m范围内2区的负超静孔压明显大于4区,随着深度增加,两个区域的深层超静孔压基本趋于一致。2.2吹填土的含水率为分析吹填土的固结硬化过程和效果,在抽真空不同阶段分别取样测试其主要物理性质指标,统计整理后见图6。持续抽真空约50d,含水率从122.8%降低至43.87%,降幅高达78.9%,中后期的约40d内,含水率降幅仅为2.4%,说明吹填土中的浮水、孔隙水主要在抽真空前中期排出,后期土体结构形成且日趋固结密实,排水较少。土体液塑限得到不同程度的提高,土体在可塑状态的含水量范围增大。液性指数由4.67降至0.7左右,吹填土由流泥态变为软塑。固结硬化以排水为主,黏粒含量变化不大,有利于水溶态污染物的排出。3水环境处理效果评价分析3.1悬浮固体杂质及总碳toc取样取泥区太湖原水、堆泥场沉淀表层浮水、真空预压排出水、沉淀池余水测试水样的pH值、悬浮固体(SS)、总碳(TC)、总有机碳(TOC)、无机碳(IC)、总氮(TN)、总溶解氮(TDN)、硝态氮(NO据图分析可知:水体的pH值变化很小,符合水质标准;经历绞吸、管道输送到堆泥场后,悬浮固体杂质增多,SS值迅速增大;负压固结硬化过程中泥面浮水、孔隙水通过具有过滤吸附功能的排水通道抽吸排出,悬浮固体杂质、粗颗粒被有效阻隔,SS值显著减小;总碳(TC)中无机碳(IC)占比例较大,碳元素通过机械绞吸溶解迁移到水体,总碳(TC)含量增加。经过处治后总有机碳(TOC)降幅较大,而无机碳(IC)增加较多。总有机碳(TOC)是表征湖泊水质中有机质含量的重要参数,表明处治过程中吹填土水中的有机质含量大幅度减少,部分分解转化为无机物,降低了水体的有机污染性;总氮(TN)和总溶解氮(TDN)含量增大,反映出氮元素在扰动、释放、再悬浮、迁移过程中逐渐富集。经过沉淀和水生植物过滤吸附后含量有所降低。硝态氮(NO3.2水质污染指数评价4固结后土壤生态处理效果评价分析4.1有机质om分布取样测试处治前后土体中的有机质OM、总氮TN和总磷TP的含量见表2,绘制指标含量的变化曲线见图10,以分析有机污染物在处治过程中的迁移排出规律。土样中有机质的含量远高于总氮、总磷,有机污染物以有机质为主。固结后3项指标均得到了较大幅度的降低,说明悬浮的有机污染物在负压抽吸作用下较易迁移排出,真空负压、水平与竖向交织的排水管道为底泥有机污染物的迁移排出提供了动力和途径。两个区的有机质(OM)含量沿深度分布的规律明显不同,不同点位检测值的差异也较大。3区有机质含量沿深度递减,5区呈现“两头小,中间大”的形态,与吹填土硬化后强度分布“两头大、中间小”的规律相似,有机质含量越大,强度越低。泥浆先流经3区,经过纵向隔堤流往5区,测试结果反映出有机质主要吸附于土颗粒,随颗粒分选沉积而变化。流程越短,沉积快,土层沉积物多,有机质含量多。远离进泥口的区域,泥浆流动慢,细颗粒、悬浮物含量大,沉积慢,有机质容易随悬浮物排走,或负压作用下被抽吸往浅层迁移进入管道排出,总体表现出浅层有机质含量低,中下部含量高。总氮(TN)、总磷(TP)主要呈水溶态、离子态,容易随孔隙水被抽吸迁移排出,故两个区的总氮(TN)、总磷(TP)含量分布沿深度呈递减趋势,规律基本一致。计算固结前土体的有机污染指数OI4.2重金属污染分布分别于处治过程中和硬化后取土样测试主要重金属含量,结果见图11。Zn的含量最高,其余依次是Cu,Ni,Cr,As,Pb,Cd,均符合《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)Ⅲ类标准。硬化前后重金属含量有增有减,规律性不明显,场地内不同区域重金属的重分布具有一定的差异性。硬化后5区的大部分重金属含量平均值高于3区(Cd除外),说明重金属容易吸附于细颗粒并随之悬浮迁移。检测重金属的浸出量(mg/L)为:Ni(0.019~0.04,平均值0.025),Cu(0.012~0.054,平均值0.021),Zn最大(0.094~0.541,平均值0.274),Pb(0.002~0.056,平均值0.017),Cr(0.035~0.045,平均值0.041),Cd(0~0.003,平均值0.001),As(0.004~0.020,平均值0.010)。浸出毒性指标符合《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准。4.3种评价方法的比较按照《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)Ⅲ级标准,分别采用内梅罗指数法、地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法3种评价方法各有其侧重点和适用性,目前尚未有统一的规范标准。综合来看,3种方法对重金属污染性的评判级别基本一致,硬化后地基土中的重金属污染程度总体为轻微。5固结硬化工程中重金属污染的去除(1)河湖清淤疏浚工程的堆泥场中设置分层碾压黏土围堰、底部黏土封层压实、溢流堤、纵向隔堤、闸式泄水口等工程措施对于阻隔吹填土污染物扩散、减缓泥浆流速、延长流程、促进颗粒落淤分选和污染物沉淀是有效的。(2)无砂真空预压法处理河湖清淤吹填土的固结硬化效果显著。受环形流道、颗粒落淤分选的影响,吹填土的固结沉降、超静孔压变化过程体现出明显的差异性特征。(3)按照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类标准,吹填土经过堆置沉淀、负压固结、尾水沉淀、水生植物吸附等处治过程,水质pH值变化小,符合标准。水中悬浮固态杂质和有机质含量大幅度减小。排放的尾水中总氮(TN)含量略有超标,总磷(TP)未超标准值,水质污染综合指数值由0.8~1.0降低到0.7,处于合格状态。(4)固结后吹填土中的有机质、总氮、总磷含量降幅较大,有机污染指数提高了1个等级,有机污染程度降低了。按照《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)和《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅲ类标准,主要重金属含量及浸出量均未超标,采用内梅罗指数法、地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法3种方法对重金属的污染程度评价结果总体为轻微。(5)在固结硬化清淤吹填土的同时,真空预压的工艺和材料为污染物的迁移排出提供了动力和途径,通过阻隔、过滤、吸附作用对水质产生净化,但对重金属的去除效果不明显。建议在河湖清淤吹填土的处治和资源化利用过程中发展真空排水固结联合电渗技术,以增强去除重金属污染的能力。采用浅层无砂真空预压技术进行固结硬化处理,“板-管一体化”施工和逐级加泵抽真空,处理后地基表面承载力特征值≥50kPa,如图1所示。清淤底泥经管道吹填至排泥场后,采用“环形流道+闸式泄水+多级溢流+多级沉淀、水生植物过滤带”相结合的方式进行生态处治,平面布置见图2。方案要点:(1)铲除堆泥场底部表层浮土,整平后碾压数遍密实。四周围堰采用黏粒含量高、渗透性低的黏土进行分层碾压堆筑而成,从而形成防渗层,吸附阻隔吹填土中的污染物质可见,真空排水预压法的工艺和材料(排水通道、泥面编织布无纺布、密封膜、密封沟、真空负压等)能有效阻隔、过滤、吸附吹填土中的污染物质,具备一定的生态处治功能。水质污染指数法根据水质污染物组分浓度相对于其环境质量的标准值来判断水的质量状态,污染指数P的计算见文献[5]。依据2010年上海市环境状况公告将水体分为合格(P≤0.8)、基本合格(0.8<P≤1.0)、污染(1.0<P≤2.0)和重污染(P>2.0)四类。按照《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅲ类水质标准(视为非湖、库的一般地表水),关注水质的富营养化问题,选择参加评价的污染物为总氮(TN)和总磷(TP)