框架真空预压法对水力冲挖淤泥脱水效果的 试验研究

刘丛阳

（重庆交通大学 重庆市高校水工建筑物健康诊断技术与设备工程研究中心， 重庆 400074)

0 引言

随着经济的发展和社会的进步，人们对生态环境提出了更高的要求，但由于区域内市政管线及污水处理设施建设未能跟上城镇化发展节奏，城市黑臭水体问题突出。[1-2]城市河道一般采用水力冲挖方式疏浚，淤泥含水量高、体积大，而淤泥黏粒小、沉淀慢、渗透性差、脱水时间长，传统方法无法满足淤泥的脱水要求，易造成城市土地资源浪费，增加社会矛盾和工程造价。[3-4]本文通过框架真空预压法进行试验研究，同时对比传统排水板真空预压法，探讨水力冲挖淤泥框架真空预压法脱水的性质。

1 试验装置及方案

本试验选取安徽省阜阳市城区水系综合整治项目骆家沟河道清淤工程的水力冲挖淤泥为试样，淤泥含水率513%。（1）试验槽为本文自行设计，为尺寸1×0.6×0.7（m）的有机玻璃槽，底部安装排水结构。底部排水结构由滤管连接而成，滤管制作方法为：PPR（R20）管沿纵向每间隔1cm 钻孔，孔直径2mm，外壁包裹多层无纺土工布，管经热熔焊接为闭合通路引出槽外。（2）排水板真空预压装置：使用5cm 塑料排水板，排水板共3 排，淤泥表面中间横贯一条出水管，排水板顶端使用塑料接头连接至出水管；待安装完毕后，将装置沉入试验槽，并于淤泥表面铺设密封膜。（3）框架真空预压装置（本文自行设计）：使用滤管，框架结构为3 层，每层三根滤管，框架的滤管内部焊接为连通的整体；框架顶由PV 软管连接至出水管；安装完毕后，沉入试验槽，并铺设密封膜。

试验过程中，淤泥试样泵送至试验槽中，试验槽分别安装排水板和框架真空预压装置。每2h 记录试验槽中淤泥高度和水汽交换罐的重量变化。试验结束后，进行十字板剪切试验并取样进行含水率测定。

2 试验结果及分析

2.1 排水量及排水速率分析

图1 累计排水量

图2 排水速率随时间变化

图3 淤泥沉降

根据水汽交换罐重量测定，排水量及排水速率变化情况图如图1、2 所示。（1）排水量持续增加，排水板真空预压法增加规律近似于二次函数；框架真空预压法的增加规律近似于幂函数。但框架真空预压法的排水量明显高于前者。（2）两种方式的排水速率均呈现三段变化趋势：50h 内，排水速率呈直线降低且幅度极大；50h—210h，框架真空预压法的排水速率逐渐降低；210h 后，框架真空预压法排水速率趋于稳定，为0.07kg/h；50h 后，排水板真空预压法排水速率逐渐降低，至0.03 kg/h 时趋于稳定。（3）本试验中，从排水量和排水速率两项指标来看，框架真空预压法明显优于传统的排水板真空预压法。

2.2 淤泥沉降分析

试验进程中，每日固定时刻监测淤泥的高度，淤泥沉降情况如图3 所示。其中：排水板真空预压法淤泥沉降幅度达5.53cm；试验过程中体积缩减17.91%。框架真空预压法淤泥沉降幅度达14.23cm 试验过程中体积缩减36.87%。框架真空预压法的效果远远大于前者。

2.3 含水率变化分析

两组试验分别选取表面及底部四个位置共8 个点测量淤泥含水率，试验结果表明：（1）由于底部设置排水结构，在真空吸力和上部预压的作用下，淤泥底部含水率低于表面。（2）排水板真空预压法表面平均含水率266.66%，底部为220.93%；框架真空预压法表面平均含水率246.95%，底部为209.97%。框架真空预压法对淤泥含水率的降低优于前者。（3）在真空吸力作用下，排水板及框架周围淤泥含水率低于同一平面其他位置，但框架法明显效果更优。

2.4 十字板剪切试验结果及分析

测量点的十字板剪切试验表明：（1）受真空吸力和上部预压的影响，越靠近底部，淤泥抗剪强度越高。（2）在同一深度不同位置，真空吸力对淤泥的固结效果显著。（3）由于试验结束时试样仍处于超高含水率状态，排水板与框架结构对试验结束时试样的抗剪强度影响并不明显。

3 结论与总结

本试验总时间超过400 小时，真空预压配合底部排水的方式效果显著，试验结束后的淤泥可当做渣土运输，为水力冲挖淤泥的处理提供了参考。主要结论如下：

（1）框架真空预压法排水量持续增加，但趋势渐缓，排水速率呈三段变化趋势：前期迅速降低，中期缓慢降低，后期排水速率稳定。框架真空预压法排水量远大于排水板法，试验结束时，淤泥体积缩减达36.87%，为排水板法的两倍。（2）试验结束后淤泥的十字板抗剪强度及含水率分别呈现相同趋势：随着深度的增加，含水率逐渐降低，抗剪强度逐渐增强；真空吸力越大，含水率越低，抗剪强度越高。（3）总体而言，使用真空预压法能极大缩减淤泥的脱水固结时间，随着淤泥深度的增加，对下部淤泥的脱水效果更优。