土工管袋用于疏浚底泥脱水减容的分析与实践

江永超 陈磊

摘 要：本文从试验出发简要介绍了土工管袋的种类、选型要点、投药絮凝与充袋后的高度、受力特点、稳定性分析，并结合工程实际阐述了土工管袋脱水工艺流程与工程实施方法。

关键词：土工管袋；试验；系统匹配；工程实践

1 土工管袋概述

土工管袋（Geotextile Tube或Geotube）是一种由高强土工织物制成的大型管袋，其直径可根据需要变化，最大已超过5m，长度可达数十米。土工管袋最初用于围堤工程中，近几年逐渐被用于江、河、湖、库淤泥脱水处理。

2 土工管袋用于疏浚底泥治理的可行性分析

2.1 技术方案比选分析

当前，对疏浚底泥通常采用堆场排水固结的方法进行脱水处理，但随着经济的发展、环境的改变，此方案也存在着如下不足，诸如，占地大并需要修建围捻、工期长，减容效果受限、露天作业，难以控制污染物的迁移和扩散问题，针对以上不足，我们拟采用土工管袋這样一种新型的底泥脱水减容方式，土工管袋脱水耗能小，无需设备维护，可与填埋场地联合使用，省略了二次倒运，若能加上荷载进行预压，能加快淤泥的排水固结速率，工期一般为2个月左右，且为全封闭施工，不受天气的影响。

2.2 生产性实验研究

2011年～2012年，以我院承担的国家水专项示范工程—南淝河底泥治理工程为契机，我院成立了科研小组，系统的研究从土工管袋的自身特性、疏浚泥加药絮凝的特征、吹填后管袋的受力特征等几个方面对管袋内底泥含水率的变化关系作一个简要探讨。

2.2.1 结构特征分析

（1）机织土工管袋与编织土工管袋对淤泥固结脱水效果的影响

土工管袋不同织造模式对淤泥固结脱水效果会产生影响，我们将机织布与编织布内淤泥的含水率实验结果进行统计并列于表1，结果表明在不同时间段里机织布的淤泥含水率均低于编织布，机织布对淤泥固结脱水效果优于编织布，对机织布与编织布含水率数值进行独立样本T检验统计分析，两者之间处理差异也达到显著水平（p=0.001<0.05，双尾检验），表明机织布与编织布之间脱水效果的差异来源于其不同的织造结构，且机织布要好于编织的处理结果。

（2）斜纹布与平纹布对淤泥固结脱水效果的影响

我们将斜纹布与平纹布对淤泥固结脱水处理效果表征值含水率的实验结果进行整理分析，斜纹布对淤泥固结脱水效果略优于平纹布，在充填结束后初期斜纹布的脱水效果（50.98%）要明显好于平纹布的脱水效果（67.52%），充填结束半个月后两者的差别减小，表明斜纹布初期脱水速率快，脱水效果要优于平纹布，淤泥脱水后期两者的脱水速率、脱水效果无明显差别。

（3）管袋不同孔径对淤泥固结脱水效果的影响

我们将机织斜纹布不同孔径、不同时期的含水率的实验结果进行整理，数据表明孔径大小的变化并没有产生预期的效果，1.0mm孔径管袋后期的淤泥含水率与0.5mm孔径管袋的淤泥含水率差别不大，0.5mm孔径管袋脱水固结效果略微好于1.0mm孔径管袋，并非设想的孔径大的含水率一定低，但0.1mm孔径管袋后期淤泥含水率明显比大孔径管袋内淤泥含水率高，说明在袋体充填结束后主要靠泥浆液自重及渗水压力的脱水阶段，小孔径透水效果不佳，脱水速率慢、效果差。

2.2.2 絮凝加药分析

（1）改性药剂种类的选择

单独的将疏浚底泥直接吹填进土工管袋中则得不到有效的脱水减容效果，必须添加一定的改性药剂，例如高分子絮凝剂、促沉剂等，但絮凝剂结构性能及来源都不很明确，因此寻求更快速、高效、低耗的淤泥脱水方法是必要的。因此，对絮凝剂种类、比例和和淤泥含水率的控制是十分重要的。

由上述可知，用阳离子PAM处理后的淤泥在不同时期含水率明显低于其它药剂处理的结果，显示出阳离子PAM对土工管袋淤泥固结脱水有着显著的效果。对不同絮凝剂处理后固结淤泥含水率数值分别进行独立样本T检验统计分析（α=0.05，双尾检验），统计结果表明阳离子PAM与PAC处理结果之间差异显著（p<0.05），再次表明阳离子PAM处理效果优于PAC的处理效果。

（2）絮凝药剂投加量对土工管袋淤泥固结脱水的影响

通过上述分析确定了阳离子PAM与0.5mm孔径机织斜纹土工管袋组合使用对淤泥脱水固结的效果最好，在此基础上再来研究阳离子PAM投加量对淤泥脱水效果的影响。

根据实验数据发现在同等条件下，并不是PAM投加量越大对淤泥的脱水固结效果最好，通过统计学检验数据可知，PAM与不同时间段淤泥含水率的配对T检验p值均大于0.05，因此在统计学上也说明PAM投加量对土工管袋内淤泥脱水固结并无直接无显著差异，并非PAM投加量越大对淤泥的脱水固结效果最好，因此，PAM的投加量对土工管袋淤泥脱水固结的影响很重要，需要找到一个合适的投加剂量。

2.2.3 管袋充填与管路系统匹配

将疏浚泥吹填至土工管袋内进行充填是一个系统工程，涉及絮凝加药、管袋自身结构与力学特征、充填压力等特性，管袋充填主要是实验以下几方面的数据：

（1）充装压力的控制

进入管袋前的泥浆压力影响着土工管的几何形状、管袋外侧所受的拉力。将实验研究结果见图1～图3所示，管袋进泥口压力（P）和土工管袋最终高度（H）的关系为：当吹填高度从0m至2.5m之间时，吹填压力急剧上升，从0kPa迅速上升到50kPa，但当P超过50kPa时，P对H的影响很小，可以忽略不计。

注：①实验土工管袋截面周长9.0m，纵向长度12m；②充填泥浆比重1.15～1.25。

（2）投药点与管袋的混凝扩散距离

按疏浚管中的平均流速约3.5m/s左右，根据本次试验的结果，PAM在进管袋絮凝后约15～25s絮凝时间最好，絮凝颗粒体形成抱团后在此时间段内最易脱水沉降，由于絮凝体在管道中的流速过快，过长的混合流动时间反而会造成絮凝体分崩离析现象，使絮凝脱水效果大打折扣；而对于需要处理含有重金属的污染底泥添加的液体稳定剂与疏浚管道内泥浆的充分混合时间至少要达到3min以上（视药剂种类不同稍有差别）。

（3）投藥点的压力

对于城市内河、湖泊，水深较浅，一般均小于2.0m，以海狸1200环保型）挖泥船为例，其吃水深度与生产能力完全满足要求，为了满足充装袋子的压力要求，一般不低于0.05MPa（视疏浚距离的远近）。投药一般采用管式静态混合器使药剂与泥浆充分混合，其投药点一侧的管道压力应该比疏浚泥管道中的压力高0.01～0.02MPa，以满足泥浆对药剂管道的反冲压力。

3 工程实践

3.1 工程概括

2012年，我院承接萧县龙河城区段综合治理工程，科研小组人员在继续完善环保疏浚土工管袋脱水固化工艺的同时，通过对萧县城区内的龙河污染底泥进行小规模的土工管袋治理，从河道的疏浚、加药、管袋脱水、固化等工艺方面来集成，实现对龙河污染底泥的无害化处理。

3.2 工艺流程

环保挖泥船疏浚龙河受污染的底泥经泵送至试验区充填进土工管袋。为生产性试验的顺利进行，在工艺流程不同位置按试验需要设置取样口、手动阀、流量计、管道混合器、弯管混合器、压力计等控制元件、计量仪表等，泵送充填土工管袋前用管道混合器投加混凝剂，土工管袋滤除液经收集后再回流至龙河。此项工艺中，土工管袋及其承托的堆场，絮凝加药设备，吹填的泥浆流量、浓度、压力匹配是重点，工艺流程见图4。

3.3 匹配性控制

（1）疏浚、加药、土工管袋三者的协调配合至关重要，疏浚船的稳定、连续运行对管袋填充效率、脱水效果、药剂用量等影响明显。加药量的优化、药剂用量的有效性，与挖泥船移桩等使污泥浓度变化的协调配合，不仅可加快施工进度，还可节约处理药剂费用。在工程实施过程中，为了确保工程质量与施工进度，建立了一套较为合理的操作与自控方案，其具体框图如5所示：

（2）控制原理

由上面的协调控制原理图结合稳定剂与PAM移动加药站、施工供、排水等方面的技术要求，采用PLC闭环控制原理来实现整个系统的控制，主要由PLC主机、取源传感器（流量计、浓度计）、信号变送器、加药校验流量计，加药泵变频器四部分组成。

4 总结与建议

通过以上的实验研究与萧县龙河（城区段）底泥治理的示范工程说明用土工管袋治理疏浚污染底泥是行之有效的，具有造价低、施工简便、可靠性高、工期短、节约土地资源等众多优点，具有巨大的经济与环保效益。实施中应加强对土工管袋力学性能的监测与分析，如初始吹填的压力与管袋应力、应变关系、固结稳定后管袋内部与外部的变形与稳定性等内容，进一步加强对土工管袋脱水性能的机理研究，利用示范工程积累一定工程经验，不断丰富和完善土工管袋脱水技术。

参考文献

[1]朱远胜.土工管袋及其应用前景[J].纺织导报[J]，2005（12）.

[2]董晶等.土工管袋污泥脱水工程的设计注意事项[J].环境科技，2014（01）.

[3]袁永强等.土工管袋脱水技术在环境保护中的应用研究[J].有色冶金设计与研究，2009（06）.

作者简介：江永超（1962-），男，安徽滁州人，硕士研究生，毕业于河海大学水力学及河流动力学专业，主要从事生态水利及环境工程的研究、设计、咨询及项目管理工作。

陈磊（1980-），男，安徽长丰人，硕士研究生，毕业于河海大学环境科学与工程专业，主要从事生态水利及环境工程的规划设计与咨询工作。