真空预压处理废弃泥浆淤堵区渗透试验研究

马群超 马泉 廖乾凯 崔允亮

（浙大城市学院，浙江杭州 310015）

1 引言

随着我国城市化进程不断推进，基础工程施工过程中会产生大量废弃泥浆，由于废弃泥浆的产量大且固液分离难度大，废弃泥浆的处置成为工程施工的一项重大难题，若未经处理直接排放会对当地生态环境造成污染［1-2］。因此，探索有效处理废弃泥浆的方法具有重要的社会意义。真空预压法最早由W Kjellman 教授提出，但限于当时材料技术的不成熟，此工法并没有在当时广泛应用，直至1958 年，真空预压处理技术才第一次被真正应用于实际工程中［3］。随着各国学者不断地深入研究，真空预压技术逐步成熟，并且通过联合堆载、电渗、加热等其他技术，提升了处理效果。但不论通过何种方法，如何缓解排水板附近的淤堵是真空预压处理过程中始终绕不开的难题。

针对真空预压技术中的淤堵现象，Mc Gown 等在1978 年就给出了相关解释，淤泥中的小颗粒会随着脱水过程不断积聚在滤膜孔口周边，进而导致渗透系数的降低［4］。蔡袁强［5］等通过室内固结试验，揭示了淤泥液限和初始含水率影响淤泥屈服应力的作用规律，并基于粒子图像测速（PIV）和粒子追踪测速（PTV）技术，揭示了真空预压状态下淤泥固结的机理，提出了分级、增压式、絮凝—真空预压等多种防淤堵的淤泥处理技术。李晗峰等［6］通过室内真空预压处理淤泥的对比试验，揭示了淤泥的颗粒级配是影响排水板淤堵的重要因素。武亚军等［7］通过室内模拟试验证明了添加阴离子聚丙烯酰胺（APAM）等絮凝剂可有效缓解排水区淤堵的问题。刘景锦等［8］结合不同真空度条件下的室内模拟试验，揭示了真空预压处理过程中土颗粒内部的渗透路径随着大颗粒的迁移而逐渐变窄的形成机理。徐锴等［9］通过不同的真空加载方式进行真空预压淤泥处理室内试验，提出了分级加载且加载梯度较小的真空处理可有效缓解排水区淤堵的施工建议。

本研究为了进一步提升真空预压处理技术的排水效果，通过真空预压处理泥浆室内试验测得不同真空度下的废弃泥浆的排水量，并通过渗透试验测得相应真空度下淤堵区的渗透系数，对比判断真空预压脱水过程中合理的真空度范围和脱水处理时长，为工程施工提供参考。

2 模型试验方案

2.1 抽滤试验

首先配置干土∶水为3∶5 的淤泥混合液，通过搅拌机充分搅拌混合液，倒入无盖试验桶内即可进行抽滤试验。无盖试验桶的过滤装置由双层铁丝网和单层滤膜组成，无盖试验桶下部装备阀门控制试验开始和结束，其余各装置的连接见图1。本次抽滤试验共分为4 组，分别在60，70，80，90 kPa 真空度条件下进行，并且通过电子天平实时监测抽滤情况，记录其排水量，计算相应排水速率。

图1 抽滤试验装置

2.2 渗透试验

连接变水头渗透装置，检查装置气密性以及是否漏水；接着通过环刀取抽滤后的土堆底层中部的泥浆，放入渗透试验装置底座，依次安放滤纸、透水石等装置，静置待出水口有水溢出即开始计时。试验持续3 h，每隔1 min 读取1 次水头数据并记录。

根据读取后的试验数据计算变水头渗透系数，计算公式如下：

式中，KT为变水头渗透系数，cm/s；a 为变水头管的断面面积，cm2；2.3 为ln 和log 的变换因数；L 为渗径，即试样高度，cm；t1，t2分别为测试水头的起始和终止时间，s；H1，H2分别为起始和终止水头，cm。

3 试验结果分析

3.1 排水量和排水速率分析

真空预压过程中实时监测排水量，分别绘制在60，70，80，90 kPa 真空度条件下排水量及排水速率随时间变化曲线，如图2 所示。

图2 不同真空度下排水量和排水速率随时间变化曲线

由图2 可见，在同一真空度下，真空预压排水速率整体上先增大再减小，初期排水速率存在突增趋势，在2 min 左右时，排水速率达到最大值，主要是因为初期滤膜孔口无淤堵，排水通道畅通；但随着自由水快速流动，泥浆中颗粒物质飞快涌向滤膜孔口，造成排水通道的淤堵，排水速率发生突降；30 min 后排水速率呈缓慢下降的趋势，主要原因是滤膜顶部泥浆不断堆积，废水只能通过堆积泥层中的孔隙中透过，排水速率变慢；且随着滤膜顶部的泥浆不断堆积，在重力作用下，泥层不断密实，渗透路径逐渐狭窄，导致排水速率缓慢减小。不同真空度作用下，排水速率达到最大值的时间略有不同，其中90 kPa作用下最先达到最大值，其原因主要为真空度越大，自由水流动的速度越快，淤堵层堆积的速度也就越快。

3.2 渗透系数分析

根据上述变水头渗透系数计算公式，依次计算出各个真空度下不同时间点的渗透系数，选取部分时间点制得渗透系数随时间变化表。

60 kPa 真空度下渗透系数随时间变化见表1。

表1 60 kPa 真空度下渗透系数随时间变化

70 kPa 真空度下渗透系数随时间变化见表2。

表2 70 kPa 真空度下渗透系数随时间变化

80 kPa 真空度下渗透系数随时间变化见表3。

表3 80 kPa 真空度下渗透系数随时间变化

90 kPa 真空度下渗透系数随时间变化见表4。

表4 90 kPa 真空度下渗透系数随时间变化

由表1～4 可见，在同一真空度作用下，渗透系数随时间增加而逐渐减小，其原因主要为在重力作用下，泥浆不断堆积，密实度增大，渗透路径减小，相应的渗透系数也就变小；通过对比60，70，80 kPa 真空度处理下相同时间点的渗透系数可知，渗透系数随着真空度的增大略微增大，其原因主要是真空度越大，泥浆两端压力差越大，渗透系数也随之变大；但是通过对比相同时间点90 kPa 和其他真空度下的渗透系数可知，真空度越大，渗透系数反而越小，其主要是过大的真空度会导致自由水的快速流动，并且带动土颗粒不断积聚滤膜孔口，从而使得排水通道变窄，因此，工程上不宜直接采用90 kPa 的真空度。

4 结论

（1）在采用真空预压处理泥浆的过程中，真空度是影响淤堵区渗透系数的重要因素之一，过大的真空度会加快淤堵层的形成积聚，因此，在施工开始时不宜采用过大真空度，建议采用逐级增加真空度的方法。

（2）当真空度保持一致时，排水区渗透系数在0～20 min 内较大，20 min 后则保持较小数值，工程施工过程中，长时间真空预压容易造成淤堵，渗透系数下降，建议采用间歇施工，有利于保持良好的渗透性。

（3）真空预压处理过程中，自由水的排出主要集中在真空预压初期，排水板附近土颗粒随着自由水快速流动，不断积聚在排水板孔口，造成排水通道越来越窄，排水效率降低。