土工管袋用于湿地疏浚淤泥脱水处理效果评估

郑 华，尹昭宇，林宇杰，詹良通

（1.温州理工学院，浙江 温州 325035；2.浙江大学岩土工程研究所，浙江 杭州 310058；3.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058）

1 问题的提出

随着经济社会的发展和城市化进程加快，作为“城市绿肺”的湿地正面临着诸多威胁[1-2]，其中，湿地底泥是富营养化物质与重金属重要的“汇”和“源”[3-4]，即便在截断外源污染的条件下，底泥中沉积的物质汇集到一定程度可以逐渐释放到上部水源[5]，仍可导致湿地水源污染。如何正确有效地清理和处置底泥是湿地保护和修复的关键[6-7]。

湿地内部水系发育窄而浅，大型的运输设备难以进入，需在疏浚后就地进行淤泥的减量化与无害化处置。土工管袋（geotextile tube）是一种由聚丙烯或聚酯纱线制成的具有过滤结构的土工织物包容体，具有设备简单、处理量大、生态扰动性弱、总体造价低的优点。而疏浚淤泥中的细颗粒含量较高[8]，在脱水过程中会逐渐堵塞土工管袋表面的排水通道，从而影响整体的脱水效果。章荣军[9]等研究表明絮凝调理能有效改良淤泥的排水固结能力，而Lawson[10]指出，不同疏浚淤泥的性质因地而异，差异较大，因此，对不同性质淤泥选用相适应的絮凝剂种类和掺量是土工管袋脱水效果的重要保障，目前未见有土工管袋用于湿地淤泥脱水工程实践的研究与报道。

本文依托温州生态园三垟湿地起步区清淤工程，对35.56 万m3底泥开展土工管袋用于疏浚淤泥就地脱水的工程实践，进行快速脱水试验（RDT），采用滤失量表征絮凝后淤泥的脱水性能，探究絮凝药剂的最佳种类及掺量；对竣工后的土工管袋进行破袋取样及脱水淤泥含水率测试，讨论该工艺的脱水效果，为湿地淤泥的正确有效处置提供借鉴与指导。

2 工程背景

三垟湿地一期清淤工程范围主要为三垟湿地概念性规划起步区3 个村落的水系，分别是上垟村、沙河村、丹东村，拟建设2 个堆场供就地脱水处置，疏浚分区见图1。清淤水系总长度达12 805.31 m，清淤底泥共35.56 万m3，建设淤泥堆场7.87 万m2。

图1 三垟湿地清淤工程概况图

分别对清淤量较大的上垟村、沙河村淤泥进行取样测试，基本物理性质见表1，根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》中土的分类方法，2 个样品均为浮泥。

表1 三垟湿地疏浚淤泥基本物理性质

3 絮凝剂添加方案的探究与优化

絮凝剂的种类和掺量是保障土工管袋脱水效果的重要工艺参数。詹良通等[11]研究结果表明，滤失量可以有效表征泥浆的脱水性能，确定絮凝剂添加方案，保证脱水效果稳定。

3.1 快速脱水试验

快速脱水试验（RDT）是以土工管袋作为过滤介质的快速滤水试验，具体是将淤泥与药剂充分混合后倒进装有土工管袋的过滤容器中，在重力作用下完成脱水过程，记录一定时间内的滤失量，反映絮凝后淤泥的脱水性能。

3.1.1 试验材料

试验所用淤泥取自温州三垟湿地一期清淤工程，基本土性指标见表1。

试验用过滤介质采用实际工程所用的高韧聚丙烯土工管袋。

试验采用法国爱森PAM 絮凝剂，包括非离子型、阴离子型和阳离子型共计11 种，具体参数信息见表2。

3.1.2 试验装置

快速脱水试验装置基于API 滤失试验改装而成，包括桶体、过滤器及底座滤液收集器等部分。

3.1.3 试验方案

为了模拟现场施工情况，按照以下步骤开展试验：①配制0.2%浓度的PAM；②根据实际含水率稀释淤泥原样；③向200 g 稀释淤泥中加入絮凝剂溶液，搅拌2 min；④将混合后的样品倒入试验装置，5 min 后记录量筒内液体体积，即为滤失量。

根据絮凝剂的推荐用量及预实验成果，共配置101 组絮凝后的淤泥开展RDT 试验，见表2。

表2 试验组设计表

3.2 试验结果与讨论

图2 分别表示3 个区域淤泥滤失量随不同絮凝剂种类及浓度的变化规律。同种絮凝剂对不同区域淤泥的作用效果不尽相同，这是因为泥浆的脱水性能与泥浆初始含水率及含砂率密切相关，沙河村区域的淤泥砂粒含量最低，黏粒含量最高，因此该区域的淤泥脱水性能最差。

图2 不同位置湿地淤泥滤失量受絮凝剂种类和掺量影响规律图

对于同一水系区域淤泥，在大多数絮凝剂作用下，其脱水性能随药剂浓度的增加先升高后下降，不同型号絮凝剂的最优添加浓度有一定差异。当超过最优浓度时，非离子型、阳离子型絮凝剂的作用效果略微下降，而阴离子型絮凝剂的作用效果显著下降，这表明阴离子絮凝剂作用效果受浓度影响更为敏感。

此外，随着絮凝剂分子量提高，非离子型絮凝剂试验组的滤失量略有提高，最优添加浓度不变；阴离子型絮凝剂试验组的滤失量总体呈下降趋势，最优添加浓度先降低后不变；阳离子型絮凝剂试验组的滤失量略有下降，最优添加浓度先升高后不变。阴离子型絮凝剂较优分子量在1 000 万～1 300万，当分子量超过1 300 万时絮凝效果反而下降；阳离子型絮凝剂较优分子量为800 万，当分子量进一步提高时，滤失量下降且最优添加浓度提高，经济性差。

综上所述，非离子型絮凝剂整体效果较好且适用于3 个区域的淤泥；低分子量的阴离子型絮凝剂效果稍次于非离子型，最适合沙河村淤泥；阳离子性絮凝剂整体效果较差且最优浓度高，对3 个区域的淤泥均不适宜。

综合考虑絮凝后淤泥的脱水效果及成本，最终的絮凝剂添加方案见表3。

表3 絮凝剂添加方案表

4 脱水效果测试与评价

本工程清淤量见表4，总计淤泥处理量355 550.65 m3，带水作业情况下混入水后，转化为泥浆711 101.00 m3，平均含水率为900.00%，分次充填至2 个场地的土工管袋中，有效容积总计97 020.00 m3。

表4 三垟湿地清淤量汇总表

本工程自2017 年6 月起开始清淤并同步填充管袋，至2017 年9 月所有疏浚泥浆（711 101.00 m3）充填完毕，此时体积减量率为86.36%，换算含水率为90.84%。此后经历自重固结及自然风干2 个固化阶段，至2020 年12 月，2 个场地的土工管袋平均高度为62 cm，计算得此时管袋实际体积43 785.00 m3，体积减量率达93.84%，如假设管袋内部脱水淤泥处于饱和状态，可反算得含水率48.84%。后经现场取样测试（见图3），得到实际平均含水率为33.61%，低于大多数城市淤泥渣土脱水干化后的含水率限值，且具有一定强度，达到预期的设计目标，实现土工管袋在湿地淤泥脱水工程中的成功应用。

图3 脱水淤泥取样现场图

5 结论

（1）依托温州生态园三垟湿地起步区清淤工程，开展土工管袋用于湿地疏浚淤泥就地脱水的工程实践，竣工后的测试结果表明，经过90 d 充填脱水阶段、810 d 自重固结+自然干化阶段，累计处置湿地疏浚淤泥35.56 万m3，其平均含水率由泥浆状态时的900.00%降低至33.61%，体积减量率达93.84%，总体脱水效果良好。

（2）受空间变异性的影响，温州三垟湿地不同区域淤泥的脱水性能具有一定差异，主要与其颗粒组成中的细颗粒含量有关；此外，絮凝剂对湿地疏浚淤泥脱水性能的改善效果显著，合理制定絮凝方案是土工管袋用于湿地疏浚淤泥脱水效果的重要保障。

（3）通过快速脱水试验（RDT）探究土工管袋用于湿地疏浚淤泥就地脱水的最优絮凝工艺，结果表明，在各自最优掺量下，3 种絮凝剂的平均絮凝效果排序为非离子型＞阳离子型＞阴离子型；最优添加浓度排序为阳离子型＞非离子型＞阴离子型。阴离子型絮凝剂较优分子量为1 000 万～1300万，当分子量超过1 300 万时絮凝效果反而下降；阳离子型絮凝剂较优分子量为800 万，非离子型絮凝剂较优分子量为800 万～1 200 万。