真空负载方式对疏浚淤泥脱水过程中脱水规律的影响

浩 婷，王 曦，周 颜，吴 燕

（天津科技大学 材料科学与化学工程学院，天津 300457）

1 引 言

我国进行的滇池、巢湖、太湖等大型湖泊的疏浚工程，淤泥大多采用堆场存放，自然干化的方法[1]。疏浚淤泥沉降性能差，存放一两年后，表面虽然干化，但内部结构仍然呈水性胶状，无法开展有益利用[2]。因此，亟待开发适合我国内陆湖泊疏浚工程需求的疏浚淤泥堆场快速脱水技术，为此，探究脱水过程中水分在淤泥多孔介质中的迁移运动规律非常重要。

疏浚淤泥脱水过程可以概念化为水分在淤泥颗粒间的迁移和运动过程，其驱动力就是渗流[3]，各国学者在有关多孔介质内部流体的流动规律方面做了大量研究[4-8]，研究结果都表明，在孔隙层次上多孔介质内部流体的流动特性符合经典流体力学理论。此外，叶正强等[9]结合实际工程，研究了不同负压条件下原状土和击实土渗透系数的变化规律。欧孝夺等[10]将采用逐级加垂直压力方式进行渗压试验，模拟试样在不同压力状态的渗透系数。董志良等[11]研究真空预压下软土渗透系数对固结的影响，证明了前期固结压力对固结的影响。

淤泥脱水工程中，真空负载的利用已不罕见，但负载方式对淤泥脱水性能的影响研究极少，武亚军等[12]验证了真空加载方式对吹填流泥土颗粒移动具有一定的影响。本文进一步探讨不同负载方式如负载时间及负载压力梯度变化对淤泥脱水过程渗流规律的影响，为实际工程提供了可靠的优化和设计参数，也为渗流模型的建立和改进提供理论支撑。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试淤泥沿用取自云南滇池外海北部，物化性质为：含水率为48.13%，相对密度为2.59 g/cm3，pH值为6.8，有机物9.09 %，孔隙率为55.49%，比阻为13.25×1012/m·kg-1，比阻为淤泥过滤特性的综合性指标，其物理意义是：单位质量的淤泥在一定压力下过滤时，在单位过滤面积上的阻力。试验所用为原水，在试验前用抽气法或煮沸法进行脱气，试验时室温为21.5℃，水温高于室温3～4℃。由于疏浚淤泥经管道送入堆场初始含水率在85%左右，为模拟实际堆场淤泥脱水规律，试验所用淤泥含水率均配制为85%。

2.2 渗透试验

图1 淤泥渗透装置示意图Fig.1 Schematic of testing device for dredged sludge seepage

试验装置为按变水头渗透原理自制的渗透装置，主要由储水瓶、带刻度变水头管（刻度精确至1 mm）、渗透仪、缓冲瓶及真空泵组成，如图1 所示。渗透仪为TST-55 型土壤渗透仪（渗透容器为圆柱形，截面积为30.08 cm2，高度L=4.0 cm），真空负载时，将渗透仪底部一个出水口封闭，另一出水口通过带刻度缓冲瓶（容量100 ml，精度1 ml）连接真空泵。试验时预先配制含水率为85%的泥浆，配制方法为将供试淤泥加水后使用强力搅拌机搅拌均匀，待泥浆无块状后立即转至渗透仪容器，按照变压头渗透原理调试装置，并旋紧螺母密封至不漏水、不漏气。

2.2.1 负载时间

调节真空泵压力至100 kPa，当联通缓冲瓶的出水口有水溢出时开始记录变水头管中起始水头高度H1和起始时间t1，间隔5 min 记录水头变化为H2，则渗水量据式（1）计算，记录渗透仪出水口流入缓冲瓶的液体体积即为滤液量（精确至1 ml）。测量出水温，准确至0.2℃，0～60 min 内，计算不同负载时间下渗透系数及过滤常数。不同负载时间所得泥层平均含水率和平均孔隙率由实际测定得到。规定的负载时间结束后，将渗透仪容器中的泥层取出，测定泥层底部、中部、顶部的泥样平均含水率和平均孔隙率。

式中：ΔH为变水头管内水体积变化量；H1为变水头管起始水头高度；H2为变水头管终止水头；a为变水头管的内径面积（cm2）。

2.2.2 负载压力梯度变化

负载压力梯度变化下的渗流试验，需辅助缓冲装置调节真空泵的压力，调节方式如表1 所示，记录不同负载方式下水头变化，并据式（1）计算渗水量，计算不同负载方式下负载60 min 内渗透系数及过滤常数。负载结束后，记录缓冲瓶收集到的液体体积即为滤液量，将渗透仪容器中的泥层取出，测定泥层底部、中部、顶部的泥样平均含水率和平均孔隙率。

表1 负载压力的变化方式Table 1 Change patterns of load mode

2.3 渗透系数

渗透系数表示流体通过孔隙骨架的难易程度，是反映流体特性和流体透过多孔介质能力的综合指标。当介质渗透性很小时，试验时需施加负载压力，此时，要把负载压力换算成相应的水头[13]：

式中：h0为水头（cm）；ρ为流体密度（g/cm3）；g为重力常数（N/kg）；p′为负载压力（N/m2）。

再加上变水头管的水头高Hi即可，则渗透系数计算公式变为

式中：Kt为水温t℃时试样渗透系数(cm/s)，计算至3 位有效数字；2.3为ln和lg 的变换因素；L为试样高度；t1和 t2分别为渗透开始和终了时间（s）；H1和H2为起始和终止水头（cm）；A为试样的过水面积（cm2）。

标准温度下的渗透系数为

式中：K20表示标准温度下的渗透系数（cm/s）；ηtη20为黏滞系数比，通过查水的黏滞系数表可知，试验时水温为27.5℃，ηtη20对应为0.841 5。

2.4 过滤常数

过滤常数是单位面积上滤液体积和时间的常数，是衡量淤泥脱水快慢的重要指标。恒压过滤时，其过滤常数的确定参考朱金璇[14]恒压过滤常数测定方法，对于一定含水率泥浆悬浮液，从过滤开始到结束，过滤方程可写成为

由恒压过滤方程式可得：

上式表明，恒压过滤时θ/q与q 之间为线性关系，记录不同过滤时间θ 内的单位面积滤液量q，将θ/q对q 作图，可得一条直线，其斜率为1/K，而截距为2qeK 。即可求得过滤常数K。

2.5 含水率及孔隙率

疏浚淤泥负载过滤后含水率测试试验参见《土工试验方法标准》[15]。孔隙率计算参见土力学中孔隙率计算方法。

式中：n为孔隙率（%）；VV为孔隙体积（cm3）；V0为淤泥体积。

3 试验结果分析

3.1 负载时间对淤泥脱水规律的影响

3.1.1 对渗透系数及过滤常数的影响

渗透系数和过滤常数是衡量淤泥脱水快慢的重要指标，不同负载时间所得过滤常数与渗透系数如图2 所示。研究发现，时间对淤泥脱水过程中过滤常数和渗透系数的影响很小，60 min 内过滤常数和渗透系数分别在11.1～11.85×10-5m2·s-1和0.95～2.94×10-5cm·s-1范围。负载前期0～40 min，淤泥脱水过程过滤常数出现缓慢增大的趋势，这是因为细小淤泥颗粒的黏附水在重力和负载压力下连续释放所致，负载后期40～60 min，过滤常数逐渐降低，这是因为随着负载时间的延长，滤饼层增厚，颗粒结构崩塌，滤液通道堵塞，淤泥发生板结，从而导致过滤变得更加困难。

图2 负载时间对渗透系数及过滤常数的影响Fig.2 Effect of vacuum duration on permeability coefficient and filtration constant

整个脱水过程，渗透系数随负载时间的延长逐渐降低，且在负载20 min 后趋于平缓，表明20 min后泥浆在负载作用下逐渐沉降，淤泥孔隙逐渐减小，淤泥骨架结构逐渐坍塌，阻碍了水分在淤泥介质中的渗流。因此，综合考虑渗流及过滤效果，负载时间在40～50 min 总体上渗流及过滤系数均较大，脱水效率最高。

3.1.2 对渗水量和滤液量的影响

负载时间对渗水量和滤液量的影响如图3 所示。在负载压力为100 kPa 下，60 min 内滤液量和渗水量均随着负载时间的延长而增加，且液体体积相差不大。在负载后期液体体积增加趋势逐渐减缓，负载时间在50～60 min，水量趋于恒定。负载时间为40 min 后，渗水量大于滤液量，渗流开始占主导地位。

图3 负载时间对渗水量和滤液量的影响Fig.3 Effects of vacuum duration on volumes of seepage and filtrate

渗水量和滤液量分别为渗流过程和过滤过程所得液体体积，虽然两过程所得液体量差别不大，但其侧重点不同，渗流贯穿于整个脱水过程中，负载后期，即负载40 min 后，泥层在负载压力作用下不断压缩，泥层体积不断缩小，淤泥介质孔隙非常小，微米级别的通道逐渐增加，导致水分透过泥饼层更加困难，因此，过滤作用逐渐减小直至消失。与此同时，由于三维空间应力作用，加上泥层体积不断压缩减小，变水头管中的液体会继续渗入泥层孔隙中，即渗水量持续缓慢增加，而泥饼层板结程度逐渐变大，从而产生渗水量大于滤液量现象。表明负载时间在40～50 min 较理想。

3.1.3 对孔隙率及含水率的影响

负载结束后，泥层的孔隙率及含水率是表征淤泥最终脱水程度的重要指标。不同负载时间对泥层含水率及孔隙率的影响如图4 所示。随着负载时间的延长，泥层含水率和孔隙率均呈下降趋势，负载在5～50 min 范围内，下降趋势最明显。这是因为较短的负载时间，微小的淤泥颗粒沉降较慢，泥层板结不明显，大孔隙的空间占有率较高，因此，水分渗透所受阻力小。过长的负载时间导致泥层板结，渗水通道堵塞，从而使泥层孔隙率和含水率趋于稳定。

图4 负载时间对泥层孔隙率及含水率的影响Fig.4 Effects of vacuum duration on void ratio and water content of mud cake

3.2 负载压力梯度变化对淤泥脱水规律的影响

3.2.1 对渗透系数和过滤常数的影响

图5(a)、(b)分别为1 h 内不同压力变化梯度对淤泥脱水过程中过滤常数和渗透系数的影响，由图5(a)可知，不同压力变化梯度所得过滤常数有很大差别，且压力变化梯度越小，最终所得过滤常数越大。其中压力梯度变化方式Ⅱ在80～100 kPa 压力范围过滤常数最大，为最理想负载方式。

图5 负载方式过滤与渗透系数的影响Fig.5 Effects of vacuum duration on permeability coefficient

由图5(b)可知，不同负载压力变化梯度对渗透系数的影响与过滤常数相似。比较Ⅱ、Ⅴ发现，在相同的压力变化区间80→100 kPa，两种压力梯度变化方式所引起的渗透系数并不相同，方式Ⅱ所得渗透性能更佳。比较Ⅰ和Ⅵ、Ⅳ和Ⅲ，同时得出结论，在后期脱水过程中，压力变化梯度越小，所得渗透性能越好。

3.2.2 对渗水量和滤液量的影响

负载方式对脱水过程的滤液量和渗水量的影响如图6 所示。整个脱水过程中，滤液量始终大于渗水量，其中在负载压力梯度变化方式Ⅱ、Ⅲ条件下所得渗水量分别达到71.3 ml和71.6 ml，滤液量分别达到77.1 ml和78.5 ml。此结论与武亚军等[12]试验所得初始真空荷载越小，最终的出水量越大这一规律一致。此结果进一步表明，负载压力梯度变化更有利于淤泥中水分的渗流，负载压力梯度变化方式Ⅱ、Ⅲ为最佳负载方式。

图6 负载方式对渗水量和滤液量的影响Fig.6 Effects of vacuum loading procedures on volumes of seepage and filtrate

3.2.3 对孔隙率和含水率影响

负载压力梯度变化对泥饼含水率及孔隙率的影响如图7 所示。负载压力梯度变化方式Ⅱ、Ⅲ呈现出相对较低的含水率，分别为37.48%、37.59%，相比于方式Ⅰ所得最高含水率39.27%，分别降低4.46%、4.28%。同时发现，负载方式Ⅱ、Ⅲ对应的泥层平均孔隙率最低，分别为49.26%、49.33%。此结论进一步论证了压力的梯度变化，更有利于淤泥的脱水，且负载前期负载压力越低，最终脱水程度越大。这是因为负载前期，介质表面并无滤渣，猛然的加压会使得较细的颗粒堵塞介质而增加过滤阻力，不利于后期水分的渗流。而循序加压起到了疏通原有过水通道的作用，因此，渗透性能得到提升。但负载压力变化梯度并不是越小越好，实际工程中，负载压力的频繁变化会对负载设备的寿命造成影响，同时在工业上间断性的操作对设备及操作控制的要求也较高。

图7 负载方式对泥层孔隙率和含水率的影响Fig.7 Effects of different vacuum loading procedures on void ratio and water content of mud cake

4 结 论

（1）多孔介质渗流理论在淤泥脱水过程中得到了较好的验证，恒压负载下的脱水过程，过滤和渗流同时进行，负载前期过滤占主导地位，负载后期渗流占主导作用。负载时间40～50 min为最理想负载时间，此时间段的负载过滤脱水性能较为突出。

（2）在淤泥脱水过程中，负载压力的梯度变化更有利于淤泥脱水，且负载前期负载压力越小，淤泥脱水程度越大。负载压力梯度变化方式Ⅱ、Ⅲ为最佳负载方式。

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