利用植物配合工程排水措施生态固化浅表层疏浚土试验研究

李盼盼，郑宇，毕世明，王德咏，罗志强

（1.安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 231232；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；3.中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008）

0 引言

疏浚工程中产生的疏浚泥通常采用堆放或海洋外抛的方式处理，堆放要占用大量的土地，外抛则会引起环境污染问题[1]，因此疏浚土的资源化利用研究一直是热门话题。疏浚土的资源化利用方向主要包括土地利用（复垦、绿化等）和建筑材料两个方向，其中土地利用被认为是最有潜力的处置方式[2]。疏浚土以硅铝酸盐等无机矿物为主要成分，并富有较高含量的有机质和营养盐[3]，与土壤成分非常接近，且比城市污泥具有更大的安全性，是一种很好的肥源[4]。研究人员将污泥和垃圾配成有机复肥及培养土基质，发现该利用途径是可行的[5]。由于疏浚工艺的限制，一般新近的疏浚土含水率甚至可以达到400%～900%[6]，不具备直接资源化利用（如农用地利用）的条件，需要进行脱水固化处理。常规的疏浚土脱水固化技术包括机械脱水、化学絮凝脱水、电渗脱水，但上述技术存在成本高、具有环境风险、能耗高等缺点[2]。

近年来，植物被广泛用于边坡加固、防止土壤流失及改良等方面[7-8]。植物生长过程中的蒸腾作用，会使根系对土体产生“吸水”效果，进而使孔隙水压力减小，相应基质吸力增大，土体剪切强度增大[9]，达到固土效果。植物根系是一种优良的加筋材料[10]，能显著提高土体抗剪强度，随着土体含根率的提高，根系土体的抗剪强度值越大[11]。

皇竹草（Pennisetum hydridum）是一种多年生直立丛生的禾本科植物，由美洲狼尾草（P.americanum）和象草（P.purpureum）杂交而成[12]，其根系发达，对生存环境要求低[13]。基于植物具有“吸水”和“加筋”的双重效果，本研究旨在依托安徽省引江济怀工程江淮沟通段某疏浚项目，通过种植皇竹草，结合工程排水措施，探索一种生态环保的纳泥区浅表层疏浚土的固化方法，使其具备一定的承载能力，满足农用地资源化利用的需求。

1 试验场地概况

1.1 依托项目概况

本研究依托引江济怀工程江淮沟通段某航道疏浚项目，该项目位于安徽省寿县，疏浚航道总长度41.0 km，疏浚总方量为10 725 978 m3，采用环保绞吸工艺，疏浚土由输泥管吹填至分布在湖泊两岸的14个（1号—14号）纳泥区内，纳泥区有效深度为3.5 m，总面积为402.9 hm2。所有纳泥区完成疏浚吹填和固化处理后，全部用作农用地资源化利用。试验区域位于最先吹填完成的3号纳泥区，平面位置见图1。

图1 3号纳泥区平面位置图Fig.1 Location of the No.3 soil storage area

1.2 试验区概况

由于排泥口的水力分选作用，纳泥区内表层疏浚土内形成2种性状，见图2。一种粒径较大，称之为土块区，约占纳泥区总面积的20%，土块区由于地势高，排水条件好，表层通过晾晒即可实现固化。另一种由于粒径较细，称之为细粒区，约占纳泥区总面积的80%，细粒区排水条件差、含水率高，呈泥浆状，部分区域存在表层覆水，难以固化处理，本研究只针对细粒区开展。

图2 纳泥区内2种性状疏浚土的照片Fig.2 Two types of dredged soil in the soil storage area

通过取样和土工试验发现，细粒区表层泥浆状疏浚土的土质为粉土，含水率为273.1%，塑限为19.7%，液限为26.8%，塑性指数为7.1，干容重为1.19 g/cm3。另外，纳泥区表层覆水感官较为浑浊，经过14 d的沉淀后，对其悬浮物（SS）含量进行了检测，结果显示SS浓度在140.6～138.6 mg/L之间，高于环保要求的70 mg/L浓度限值，因此排水时需要采取措施进行净化处理。

2 试验方法

2.1 工程排水措施试验

2.1.1 排水沟结构设计及施工方法

采取开挖排水沟的方式进行排水，由于表层覆水的SS浓度超出设计排放标准，直接排放会污染周边水体，因此需要采取措施降低水体中SS的浓度。生物秸秆对水体中的SS具有良好的吸附效果，去除率可达60%[14]。考虑在排水沟中铺设水稻秸秆用于吸附排水沟出水中的部分SS。

本试验在纳泥区围堰上每隔25 m开挖排水沟，排水沟的纵断面和横断面如图3、图4所示。具体做法是：1）利用挖机按照1∶1放坡开挖沟槽，排水沟槽底标高与表层流态疏浚土的底标高一致；2）人工修整沟槽坡度约为5%；3）在排水沟内沿沟槽方向铺设捆扎整齐的水稻秸秆，并用挖掘机压实，压实后的秸秆敷设厚度不小于泥浆深度（本试验为80 cm）；4）回填原状土并进行压实；5）排水沟施工完成后派专人进行巡视维护，一旦发生於堵情况及时疏通，保证排水通畅。

图3 排水沟纵向断面图Fig.3 Longitudinal section of drainage ditch

图4 排水沟横向断面图Fig.4 Cross section of drainage ditch

排水沟开挖日期为2020年5月15日，共开挖9处，具体位置见图5所示。

图5 植物生态固化试验平面布置图Fig.5 Layout of plant ecological solidification test

2.1.2 数据检测及分析

1）SS浓度及去除率

在排水沟出水后，对9个排水沟的内侧上覆水和出水、以及疏浚航道的湖泊水体进行取样，每处采集3个水样，每个水样500 mL。采用GB/T 11901—1989《水质悬浮物的测定重量法》中的重量法测定水样中的SS浓度，根据得到的内侧上覆水和出水SS浓度计算去除率，计算方法如式（1）：

式中：a为去除率，%；ωo为内侧上覆水SS浓度，mg/L；ωi为出水SS浓度，mg/L。

2）表层疏浚土含水率

排水期间，每隔14 d对试验区域内9个排水沟内侧的表层疏浚土进行取样，取样位置做标记确保每次取样的位置不变，每个位置取3个土样，采用烘干法测定含水率，将3个土样的含水率结果取平均值，在此基础上将9个位置的平均值再取均值，作为整个试验区域的含水率代表值。

2.2 植物生态固化试验

2.2.1 试验设计

选取泥浆区3 000 m2作为试验场地，分为3个小区，其中1个小区作为空白对照（CK），面积为400 m2，另外2个小区种植皇竹草，面积均为1 300 m2，设置2种处理，分别为0.5 m种植间距（T1）和1 m种植间距（T2），平面布置如图5所示，皇竹草的种植时间为2020年7月3日。

2.2.2 数据观测与处理

观测内容包括土壤含水率、地基承载力，测定频率为1次/月，将每个观测指标的均值作为处理的代表值。数据观测时间为2020年9月20日—2021年11月29日。各指标的具体测定方法如下：

1）土壤含水率

每个区块选择6个固定取样点，利用钻土器取出1 m土柱并装入密封袋，保持密封袋封闭并将其充分混合后测定含水率。测定方法采用烘干法，使用101A-3型电热鼓风恒温干燥箱和电子天平进行测定。

2）承载力

在测定含水率的同一位置测定承载力，采用TSY-2.2型静力触探机、使用单桥探头进行测定，测定时尽量贴近植物根部，测定深度为1 m，每0.1 m记录一次比贯入阻力qs。承载力f0的换算采用《工程地质手册》（第五版）中粉土的承载力经验式（式（2））进行计算：

式中：f0为疏浚土地基承载力，kPa；qs为单桥探头的比贯入阻力，MPa。

3 结果与分析

3.1 排水效果分析

1）表层疏浚土含水率变化

排水49 d后（2020年7月3日），表层土含水率由273.1%降低至50.4%，达到了皇竹草的种植含水率要求。

2）水稻秸秆对SS的去除效果

从表1的结果可以看出，铺设水稻秸秆的排水沟对SS的去除率在41.1%～56.9%之间，平均去除率为52.5%，出水中的SS浓度在48.7～68.1 mg/L之间，平均浓度为58.8 mg/L，低于环保排放要求的70 mg/L，说明排水沟底部铺设水稻秸秆可以有效去除水中的SS，保护周边环境免受污染。

表1 不同位置水样的SS的测定结果和去除率Table 1 Measurement results and removal rate of SS in water samples at different locations

3.2 植物对疏浚土的加固效果

1）土壤含水率变化

土壤含水率的变化可以一定程度说明植物的吸水效果，见图6。

图6 不同处理的含水率变化Fig.6 Changes in moisture content of different treatments

从图6结果可以看出，3个区域的初始含水率在37.7%～38.5%之间，试验结束时CK、T1和T2的含水率分别为33.4%、29.4%和28.5%，种植皇竹草区域的含水率明显低于空白对照区，说明种植植物皇竹草可以明显加快土体的失水。

2）地基承载力分析

图7为基于静力触探测定结果换算的地基承载力变化结果，可以看出，3个处理承载力均随时间变化而增大，过程中T1、T2处理的承载力始终明显高于CK，试验结束时的承载力T1、T2分别为CK处理的1.7和1.5倍，最高达到90.7 kPa，空白对照仅为53.6 kPa，说明相较于空白对照，种植皇竹草对表层1 m疏浚土产生了一定的固化作用。

图7 不同处理的承载力变化Fig.7 Changes in bearing capacity of different treatments

图8为试验结束时，每个处理的0～100 cm深度比贯入阻力值，从结果可以看出，3个处理不同深度的比贯入阻力均随着深度的增加而减小，其中CK处理减小趋势最明显。深度10 cm以下，比贯入阻力的大小表现为T1＞T2＞CK，50～100 cm深度范围内，CK比贯入阻力值明显小于T1和T2，说明皇竹草对0～100 cm深度的疏浚土具有加固作用，50～100 cm深度范围加固作用明显。0～100 cm深度范围内，T1的比贯入阻力均大于T2，说明0.5 m种植间距的固化效果优于1.0 m间距。

图8 不同深度比贯入阻力结果Fig.8 Penetration resistance results of different depth ratio

4 结语

针对新近吹填的疏浚土含水率高、工程性质差，难以直接资源化利用，传统脱水固化方法存在能耗高、具有二次污染风险的问题，通过现场试验，尝试了一种通过种植植物皇竹草、同时配合工程排水措施实现浅表层疏浚土生态固化的方法，验证了该方法的有效性，主要研究结论如下：

1）针对疏浚土纳泥区前期表层土壤含水率过高、存在覆水的情况，可在纳泥区围堰上每隔30 m开挖排水沟，并在沟槽铺设水稻秸秆，达到快速排干表层土壤水分，同时吸附净化水中SS的双重效果，SS的平均去除率为52.5%。

2）种植植物皇竹草可以加快浅表层疏浚土的失水，对土体具有加固作用，50～100 cm深度范围效果尤为明显。种植皇竹草约5个月后，承载力最高达到90.7 kPa，空白对照仅为53.6 kPa。0.5 m种植间距的固化效果优于1 m。

3）上述试验证明，通过在新近吹填的浅表层疏浚土种植皇竹草，同时结合工程排水措施，能够一定程度上促进浅表层疏浚土的脱水固化，有益于实现疏浚土的农用地资源化利用。

4）本方法实施过程中无需使用大型机械，能耗低，是一种生态环保的浅表层疏浚土固化技术，具有较大的推广应用价值。