疏浚淤泥脱水筑堤技术应用研究

陈 通，何华军，姚永新

（1.嘉善县太浦河红旗塘管理所，浙江 嘉善 314100；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

河道和湖泊是水资源的载体、行洪的通道、生态环境的组成部分，是人类生存、生活和生产的一种最基本自然资源，同时是水生物、陆生物相互依赖的纽带，是自然景观的依托。经济发展和人类活动导致河湖淤积较严重，而且表层多为高含水量、低强度的淤泥，无法直接用于工程建设，就地堆放需占用大量土地和影响周边环境，不符合“绿色发展的理念”。为有效解决上述矛盾，提出河湖疏浚淤泥筑堤技术研究，研究成果可为类似工程提供设计、建设和管理参考依据。

1 工程概况

为改善区域水环境、提高防洪排涝能力，嘉善县组织实施嘉兴市北部湖荡整治及河湖连通工程（嘉善片），工程概算总投资10.38亿元，主要建设内容包括堤防（护岸）加高加固、清淤疏浚、闸站建设、防汛道路建设和岸坡绿化等，工程建成后使嘉善县所属的骨干河道（结合航道和圩区整治工程）防洪标准达到20 a一遇，并改善河湖自然环境。

工程实施过程中，待清的河湖底泥方量高达600多万m3。因河湖底泥成分复杂、含水率高、体积大、可能含有害物质等不利因素[1]，导致其资源化利用率低，处置消纳难度大；与此同时，该工程的堤防（护岸）加高加固建设需大量土方，但因疏浚底泥工程力学性状差，不能直接用于筑堤，堤防建设所需土方需长距离从外运进。为解决淤泥堆放和运输问题，本工程提出淤泥固化筑堤技术设想，并通过室内试验和现场示范工程验证了技术的可靠性和成熟度。

2 化学固化试验

河湖库塘底泥含水率高，将其用于堤防建筑材料时，需将其脱水击实或化学固化压密，同时淤泥固化后是一种典型的结构性土，存在明显的固结屈服应力，屈服前后固化淤泥的力学性质显著不同[2-3]。通过大量实验来研究底泥击实和化学固化规律。

2.1 试验方案

试验土样采用嘉兴市北部湖荡整治及河湖连通工程（嘉善片）河湖疏浚淤泥，其物理性质见表1。底泥风干后（含水率约5%）磨碎过5 mm筛。

表1 试验淤泥基本物理性质表

为了研究含水率对固化土无侧限抗压强度的影响，本试验共设计8组不同的含水率试验，跨度设计为3%，分别为28%、31%、34%、37%、40%、43%、46%、49%。固化剂掺量选择5%，对试样进行标准养护，养护龄期为3 d，到养护龄期之后进行无侧限抗压强度试验。不同固化剂掺量在不同含水率下成型固化土无侧限抗压强度试验数据见表2。

表2 无侧限抗压强度总表

2.2 试验流程

1）配样：淤泥塑限34.6%，配置含水率分别为28%、31%、34%、37%、40%、43%、46%、49%的土8份，每份重约700 g。

2）养护：将配制好的土样搅拌均匀，放在密封袋中养护12 h以上，养护袋上写上编号。

3）击实：击实前将养护后的土再次搅拌均匀，每个含水率击实3个样，共21个样。每次击实前根据经验先完成搅拌均匀样称重，预先称取合适重量（预估每层土样重量），击实后每层高度应大致相等，且击实完成后超出击实筒顶的试样高度应小于4 mm。

4）称重：每次击实完成后，擦净击实设备并称重，计算土样容重。

5）无侧限抗压强度：密封养护12 h后，在击实筒下垫1块透水石，慢慢推出试样。无侧限抗压强度实验前确保试样两端完整且平行。要记录加载过程数据。

6）含水率：及时测无侧限抗压强度试验的残土含水率。

2.3 试验成果分析

养护龄期为3 d、固化剂掺量为5%、不同含水率固化土试样无侧限抗压强度试验的应力—应变关系曲线见图1。

图1 5%掺量固化剂在不同含水率下应力—应变曲线图

从图1中可看出，8组不同含水率的固化土试样破坏模式都很相似，应力—应变曲线可以大致被分为3个阶段，即线性增长阶段、塑性变形阶段和结构破坏阶段。虽然每个曲线都有这3个阶段，但是每条曲线也各有不同。固化土试样破坏应变随含水率的增加而增加，说明固化土含水率的增加能够增加水泥土试样的弹塑性变形。

随着固化土含水率的增加，除了前面分析的破坏应变在增加，另外应力峰值先增大后减小，也就是无侧限抗压强度随含水率的增加而先增大后减小。第一阶段的线性增长阶段随含水率增大，直线斜率先增大后降低。也就是线性增长阶段应力随应变增加的速率是先变大后变小。从图1中还可看出，含水率从37%到43%时，第一阶段曲线的斜率是变大的。当含水率为46%~49%时，第一阶段曲线斜率下降。可见添加固化剂之后固化土有一个最佳含水率，最佳含水率条件下，固化土不仅无侧限抗压强度达到最大，线性阶段的增长速率也是最大的。

通过固化剂发生效果的作用机理分析含水率造成这些影响规律的原因：固化土的结构是由水泥胶凝材料水化产物包裹着土颗粒以及土颗粒之间的孔隙由具有一定刚度的水化产物填充。比如纤维状的水化硅酸钙，通过土体颗粒孔隙形成网状结构，能够增加整体强度的结构；或是网络状的水化硅酸钙和另一些无固定形状的水化硅酸钙凝胶，通过附着在土颗粒及土颗粒团的表面将其包裹起来。这2种作用并不是单独作用，而是联合作用于土颗粒间，这种联结和包裹作用大大增大了土体的强度。当固化剂掺量一定时，含水率也就成为这种作用的主要影响因素。不同固化剂掺量下破坏应变随含水率变化见表3。

表3 不同固化剂掺量下破坏应变随含水率变化表

图2为含水率与固化土无侧限抗压强度关系曲线图。从图2可看出，固化剂作用下，固化土的无侧限抗压强度随含水率的增大而先增大后减小。增大是由于含水率增加使得固化剂中水泥水化越充分，生成的水化硅酸钙等胶凝材料裹胶结土颗粒来填充孔隙，联结和包裹作用导致无侧限抗压强度增大；减小是由于含水率进一步增大，导致土体内部孔隙间充水，这些水分起到了润滑、溶解作用，降低了试样土体的内聚力和土颗粒之间的摩擦阻力，从而降低了水泥土试样无侧限抗压强度。随着固化剂掺量的增大，无侧限抗压强度达到峰值的含水率也在增大，固化剂掺量越高，水泥水化所需的水分越多，所以其无侧限抗压强度峰值所需的含水率会增大。

图2 含水率与固化土无侧限抗压强度关系曲线图

从图2还可以发现，固化土的无侧限抗压强度不仅随含水率的增加而先增大后减小，而且两者能较好的满足二次函数关系。为了验证这一规律，根据14%掺量固化剂的试验结果，得出固化土无侧限抗压强度和含水率二者关系的拟合曲线（见图3）。由图3可以看出，3 d养护龄期、固化剂掺量为14%的固化土的无侧限抗压强度不仅随含水率的增加而先增大后减小，而且两者确实满足二次函数关系。水泥土的无侧限抗压强度fcu与含水率w的函数关系可用式（1）表示。

图3 14%掺量时含水率与固化土强度拟合曲线图

式中：fcu为固化土无侧限抗压强度，kPa；w为固化土含水率，%；B1、B2、IN为拟合相关系数。

在图3的拟合关系中发现，B1=15 114.8，B2=-17 694.7、IN=-2 961.2。且拟合相关系数为0.979 67，显著性很高，说明养护3 d、固化剂掺量为14%的条件下，固化土的无侧限抗压强度与含水率成二次函数关系。

3 淤泥筑堤示范工程

3.1 试验堤段设计方案

试验堤位于嘉善县西塘镇茜墩村舜东桥西侧，试验堤总长度约413 m，位于坟头港西侧堤岸W0+808.18~坟W1+221.66。筑堤淤泥来自疏浚淤泥。最近的淤泥堆场距离该位置约2.5 km，为北祥符荡淤泥堆场。根据施工工艺和固化土掺量不同分3种典型断面进行试验：

第一种典型断面位于坟W0+808.18~坟W0+933.18（见图4），主要采用淤泥固化土填筑堤身；

第二种典型断面位于坟W0+933.18~坟W1+033.18（见图5），进一步采用不同配比固化土填筑堤身；

图5 第二种典型断面图 单位：cm

第三种典型断面位于坟W1+033.18~坟W1+221.66（见图6），主要试验采用模袋固化土填筑堤身，同时挡墙外侧填筑固化土平台和斜坡。

图6 第三种典型断面图 单位：cm

根据典型断面和试验堤总长度，所需淤泥固化土约6 595 m3。

3.2 工程实施

3.2.1 固化剂配制实验

工程施工前淤泥取样，测定淤泥的物理和化学性质，如含水率、颗粒级配、有机质含量和重金属含量，再根据各物质含量配制处理用固化剂。

固化剂的主要成分包括起固化剂作用的水泥（425高强度水泥）、生石灰（高质量白灰）和粉煤灰（干粉煤灰）等，根据不同的配合比分别进行制样，测定凝固时间，制样测定养护7 d、14 d和28 d的无限抗压强度，按最优性价比最终确定固化剂的掺量。经初步试验，本次固化剂配比为425水泥80%，生石灰15%，其他辅剂5%。

挖泥船疏浚淤泥泵送至沉淀池初步脱水，沉淀时间3~5 d（沉淀时间可根据试验要求适当调整），沉淀后淤泥含水率降至80%以下，必要时加絮凝剂。沉淀池的容量约0.4万m3，深度约2.0 m。

3.2.2 固化土搅拌与运输

淤泥在沉淀池自然沥水3~5 d后，根据实验配比添加固化剂，固化剂采用人工和机械抛洒，搅拌采用立式搅拌机，搅拌时间4~5 min。

1）泵送固化土。疏浚淤泥在沉淀池中沉淀3~5 d后，运至搅拌池并加入固化剂，采用搅拌机进行搅拌。施工前根据现场试验要求和搅拌效果确定搅拌机的搅拌参数，为较大规模施工创造条件。在固化剂初凝前，固化土采用吹泥泵泵送至堤身位置进行填筑。

2）非泵送固化土。挖机（船挖机）翻挖2~3遍后闷置1~2 d（闷置时间可根据试验要求适当调整），做好淤泥的覆盖。固化淤泥外运前，再进行翻拌3~4遍。固化后的淤泥，采用挖机挖泥、装车、外运并用于回填筑堤。

3.2.3 固化土堤身填筑

1）堤身填筑采用淤泥固化土（低含水率）直接回填的，宜采用分层加载的方式进行，分层厚度30 cm并压实确保土体强度，压实度不小于0.91，地基承载力特征值不小于80 kPa。

2）堤身填筑采用固化土（中含水率）模袋筑堤的，利用输送管将固化土吹填进模袋当中。模袋采用连体式管袋，由数个单体袋组成，单个袋子宽约2 m，长约20 m。

固化土填筑现场见图7。

图7 固化土填筑图

3.2.4 检测数据分析成果

固化底泥现场十字板强度成果见图8。施工30 d后已达30 kPa以上，大于一般天然土强度（在软黏土地区，20 m深处天然土十字板强度一般小于30 kPa），强度增长显著。

图8 现场十字板强度成果图

4 结 语

通过大量试验揭示了固化剂掺量、含水率、干密度和养护期等4方面对强度的影响规律，可为固化土的施工设计提供指导；完成淤泥筑堤示范工程的方案、工艺和技术要求设计，在此基础上开展淤泥填筑示范工程实施；现阶段的非模袋堤十字板现场检测表明，淤泥添加固化剂后强度显著提高，基本满足筑堤要求。