堆場疏浚泥顆粒分選特性初步量化方法

楊瑞敏,丁建文,周志彥,徐桂中,張遠兵

(1.安徽科技學院建筑學院,安徽 滁州 233100; 2.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096;3.江蘇鴻基巖土工程有限公司,江蘇 揚州 225002; 4.鹽城工學院土木工程學院,江蘇 鹽城 224051)

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堆場疏浚泥顆粒分選特性初步量化方法

楊瑞敏1,丁建文2,周志彥3,徐桂中4,張遠兵1

(1.安徽科技學院建筑學院,安徽 滁州 233100; 2.東南大學交通學院,江蘇 南京 210096;3.江蘇鴻基巖土工程有限公司,江蘇 揚州 225002; 4.鹽城工學院土木工程學院,江蘇 鹽城 224051)

為了準確評估堆場存儲能力和合理選擇疏浚泥處理工藝,以泥沙運動學為理論基礎,將疏浚泥顆粒分為d<0.005 mm、0.005 mm≤d≤0.01 mm和d>0.01 mm 3個粒組,分析了各粒組相對含量的沿程變化規律,明確了堆場疏浚泥分選的主要原因是d>0.01 mm粒組與0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組的相對運動;以分選系數量化堆場疏浚泥分選的顯著程度,以偏離系數量化原泥顆粒組成對堆場疏浚泥分選的影響,分析了分選系數、偏離系數分布與堆場疏浚泥土性分布的關系,提出了堆場疏浚泥分選特性的初步量化方法。研究結果表明:隨著離吹填口距離的增大,分選系數沿程減小，呈冪函數分布,堆場疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數最大,顆粒分選顯著,粒度差異大,退水口附近分選系數趨近于零,分選不明顯,顆粒分布均勻;偏離系數沿程先減小后增大，呈勺形分布,反映堆場前、后段疏浚泥土性與原泥相差較大,而堆場中段疏浚泥土性與原泥接近;分選系數、偏離系數的沿程分布與堆場疏浚泥土性分區具有良好的相關性。

疏浚泥;顆粒分選;分選系數;偏離系數;量化方法;堆場

為了改善內陸河道的通航能力和泄洪能力,我國每年都要開展大規模的疏浚清淤工作,從而產生大量的疏浚泥[1-4]。例如長江口深水航道治理工程僅三期工程的基建疏浚量就達1.7億m3左右,工程竣工后每年維護產生的疏浚量約3 000萬m3[2]；南水北調東線江蘇段僅一期工程的疏浚量就超過2.0億m3[5]；珠江三角洲地區每年的疏浚量高達8 000萬m3[4]。目前,我國內陸河湖多采用絞吸式疏浚方式,河湖底泥被挖泥船耙頭前端的切盤或高壓水切碎并與水混合后,通過高速離心泵泵送至岸邊的堆場堆放處置,泥漿從吹泥口卸載后,粗顆粒(主要為疏浚時未充分切割或打碎的底泥大土塊,其尺寸可達厘米級)迅速從泥漿中脫離,掉落于吹泥口下方形成粗顆粒扇形堆積區,細顆粒泥漿經堆場沉積區向退水口方向流動。此疏浚方式具有連續作業、施工效率高、成本低和不需要斷流施工的優點,但產生的疏浚泥含水率極高(如金寶航道疏浚工程疏浚泥含水率高達1 000%[6],連云港廟嶺新港疏浚工程疏浚泥含水率高達900%[7]),當河道底泥細顆粒含量較高時,疏浚泥含水率將長期居高不下,疏浚泥堆放處置時,必然需要征用大量的土地,且征地時間長,而我國目前土地資源日趨緊缺,勢必引發各種社會、經濟矛盾。為了有效緩解這些矛盾,需要進行堆場優化設計和對疏浚泥進行脫水固結處理。然而眾多工程實踐表明[6,8-13],吹填過程中高含水率疏浚泥的水力分選現象明顯,容易造成堆場疏浚泥土性分布不均,從而影響堆場的優化設計和疏浚泥處理工藝的選擇。

實際疏浚工程中通常存在如下問題:①堆場存儲容積設計偏保守,導致堆場存儲容積設計過大,造成土地資源浪費;②能否有效預測堆場疏浚泥土性分布,從而有針對性地選擇淤泥的處理工藝,以期達到良好的處理效果。上述問題的解決與堆場疏浚泥顆粒分選量化方法的研究密切相關,徐桂中等[6，14-15]對泥漿垂直分選的研究表明,顆粒的相對運動導致泥漿的顆粒分選,而泥漿的分選形態與泥漿的含水率、物質組成等有關(例如細顆粒含量低、含水率較高時,泥漿通常呈“上小下大”的正粒序分選形態,隨著細顆粒含量增大、含水率降低,泥漿呈“上大下小”的反粒序和“混雜”粒序分選形態)。徐桂中[6]提出了“分選度”的概念,對自重沉積時疏浚泥的分選進行定量描述,但僅限于疏浚泥垂直方向分選的定量評估,而實際吹填工程中疏浚泥分選受水動力條件影響較大,且工程上較為關注的是堆場疏浚泥水平方向的分選。本文基于泥沙運動學理論和現場試驗,分析疏浚泥d<0.005 mm、0.005 mm≤d≤0.01 mm和d>0.01 mm 3個粒組的沿程分布規律,提出吹填動水條件下疏浚泥顆粒分選特性量化方法,明確疏浚泥分選與土性分區的相關性。

1 堆場疏浚泥顆粒分選特性

泥沙運動學的研究[17-18]表明,泥漿中形成絮凝的顆粒臨界粒徑為0.01 mm左右,當泥漿中顆粒粒徑d<0.01 mm時,顆粒的絮凝作用明顯,d<0.01 mm的顆粒含量對泥漿物理力學特性的影響顯著；而在土的形成過程中,d<0.005 mm的黏粒含量對黏性土物理力學性質的影響至關重要[19]。為了分析顆粒的相對運動對堆場疏浚泥分選的影響,將疏浚泥顆粒分為3個粒組,即d<0.005 mm粒組、0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組和d>0.01 mm粒組(以下簡稱粒組1、粒組2和粒組3)。前期的研究[6,10-11]表明:遠離吹填口粒組1的顆粒含量沿程增大,粒組3的顆粒含量沿程減小,而粒組2的顆粒含量沿程變化不大;粒組3與粒組2的相對含量沿程變化幅度最大,而粒組3與粒組1的相對含量、粒組1與粒組2的相對含量沿程變化幅度均較小。粒組相對含量沿程變化幅度越大,粒組間的相對運動越明顯,疏浚泥中粒組3與粒組2之間顆粒的相對運動顯著,而粒組3與粒組1之間、粒組1與粒組2之間顆粒的相對運動均不明顯,筆者認為粒組之間相對運動越明顯,堆場疏浚泥顆粒分選越明顯,因此吹填時粒組3與粒組2之間顆粒的相對運動是造成堆場疏浚泥顆粒分選的內在因素。

2 堆場疏浚泥顆粒分選量化參數

為了量化堆場疏浚泥顆粒的分選性,提出分選系數的概念:定義分選系數為粒組3與粒組2的相對含量沿程變化關系曲線的斜率(取絕對值)。由于實際工程中粒組相對含量的沿程變化關系由實測離散數據點獲得,考慮到實際工程中的可操作性,分選系數采用增量形式表示:

(1)

式中:Fx為分選系數,以粒組相對含量的沿程變化幅度反映顆粒相對運動大小,從而量化堆場疏浚泥顆粒分選的顯著程度;P3,x、P3,x+Δx分別為堆場內距離吹填口x、x+Δx處粒組3的質量分數;P2,x、P2,x+Δx分別為堆場內距離吹填口x、x+Δx處粒組2的質量分數。增量Δx取值大小主要取決于工程精度要求。

現場試驗研究[8-11,12]表明:隨離吹填口距離增大,堆場疏浚泥中粒組3和粒組2的相對含量關系曲線的斜率(取絕對值)沿程減小,即分選系數沿程減小,疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數最大,顆粒分選顯著，粒度差異大；退水口附近分選系數趨近于零,分選不明顯，顆粒分布均勻。分選系數的沿程分布規律可用冪函數描述:

Fx=axb(x≥0)

(2)

式中a、b為系數,與原泥顆粒組成、初始含水率和吹填速率等有關。

國內一些學者[6,9-11]的研究發現:原泥顆粒組成是堆場疏浚泥顆粒分選的內在控制因素。為了考慮原泥顆粒組成對分選的影響,提出偏離系數的概念:定義偏離系數為堆場內疏浚泥第i粒組質量分數與原泥第i粒組質量分數之差與原泥第i粒組質量分數之比,即:

(3)

式中:Di,x為堆場內距離吹填口x處疏浚泥的偏離系數,反映堆場內不同位置的疏浚泥顆粒組成與原泥的偏離程度,通常偏離系數越大,堆場內疏浚泥土性與原泥的差異越大;P0,i為原泥第i粒組的質量分數；Pi,x為堆場內距離吹填口x處疏浚泥第i粒組的質量分數;i=1,2,3代表粒組1、2、3。

根據泥沙運動學理論[13,16-18],在一定的水流條件下,疏浚泥中粗顆粒由于自重較大,將最先沉積于吹填口附近的堆場前段,而細顆粒由于自重較小,將隨泥漿運移至退水口附近沉積,導致堆場前段粗顆粒聚集,疏浚泥顆粒分布不均,顆粒組成與原泥相差較大,同時容易造成退水口附近細顆粒大量富集,顆粒組成與原泥亦相差較大,但細顆粒分布相對均勻,從而在吹填口與退水口之間必然存在一個區域,疏浚泥顆粒組成與原泥相近,所以堆場內疏浚泥偏離系數沿程先減小后增大,最后在退水口附近保持某一定值,堆場內疏浚泥偏離系數沿程呈勺形分布,可近似用一個分段函數描述:

實驗設備包括聯想PC一臺,RED5型號眼動設備一套,最高采樣頻率500Hz,主機顯示分辨率為1280×1024像素,屏幕亮度調整為300cd/m2,被試眼睛與屏幕的距離約為60cm,屏幕中央與被試的眼高基本水平.實驗界面由Experimental軟件呈現,眼動數據由軟件自動記錄,并利用BeGaze軟件進行眼動數據分析.

(4)

式中k1、k2、c、f為系數,與原泥顆粒組成、吹填速率及初始含水率等有關。

實際吹填工程中堆場疏浚泥分選受原泥顆粒組成、吹填工藝等因素的影響,所以本文提出的分選系數和偏離系數兩個量化參數,適用于內陸河湖采用絞吸式、水力沖挖式疏浚且原泥顆粒組成非均勻(不均勻系數Cu>10)時,堆場疏浚泥顆粒分選特性的初步定量評估。

3 驗證與討論

選取國內外3個典型疏浚泥堆場的現場試驗結果,驗證本文提出的分選系數、偏離系數的沿程分布規律,分析分選系數、偏離系數分布與堆場疏浚泥土性分區的關系。選取的3個堆場為南水北調東線江蘇段疏浚工程的金寶航道N1堆場、白馬湖堆場和美國的Browns Lake堆場,堆場基本情況如表1所示。

表1 3個堆場基本情況

3個堆場試驗區的形狀均近似長方形,堆場疏浚泥的取樣均從吹填口開始至退水口結束,取樣的路線及取樣點的布置如圖1所示。N1堆場在距離吹填口較近的堆場前段疏浚泥取樣間距約10 m,遠離吹填口的堆場中、后段取樣間距20～40 m(據現場調查,越靠近退水口顆粒分布越趨于均勻,故取樣間距沿程可加大)；白馬湖堆場疏浚泥取樣間距為10 m;Browns Lake堆場在距離吹填口較近的堆場前段疏浚泥的取樣間距約20 m,在堆場中、后段取樣間距約40 m；3個堆場疏浚泥的取樣深度均為1/2泥深處。N1堆場[11]和Browns Lake堆場[12]疏浚泥的顆粒分析、含水率和界限含水率等試驗參照ASTM規范進行,白馬湖堆場[8-9]疏浚泥的室內試驗參照SL 237—1999《土工試驗規程》進行。

圖1 堆場疏浚泥取樣布置

圖2 3個堆場疏浚泥各粒組相對含量沿程分布

根據3個堆場的顆分試驗結果[8-12],可得3個粒組相對含量的沿程分布規律如圖2所示,綜合考慮3個堆場的疏浚泥顆粒粒度、含水率及界限含水率分布,堆場一般可劃分為粗粒土區、過渡區和細顆粒富集區。

從圖2可知,3個堆場疏浚泥粒組3與粒組2相對含量沿程變化幅度最大,粒組3與粒組1的相對含量、粒組1與粒組2的相對含量沿程變化幅度均較小。

圖4 偏離系數沿程分布規律

根據式(1)分選系數的定義,考慮圖2中粒組3與粒組2相對含量的沿程變化關系,可知3個堆場疏浚泥分選系數的沿程分布規律均滿足式(2)的冪函數分布,對于N1堆場,a=-60,b=-1.7;對于白馬湖堆場,a=-33,b=-1.8;對于Browns Lake堆場,a=-18,b=-1.5。3個堆場疏浚泥分選系數的沿程分布規律如圖3所示,隨著距離吹填口距離的增大,堆場疏浚泥分選系數沿程減小,即疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數沿程減小幅度較大,遠離吹填口分選系數沿程減小幅度較小,退水口附近分選系數趨近于零。3個堆場分選系數具有相同的分布規律,但在距離吹填口相同位置處,N1堆場分選系數比Browns Lake堆場大,而Browns Lake堆場分選系數又比白馬湖堆場大,這主要是由于原泥顆粒組成、初始含水率及吹填速率等不同造成的。

圖3 3個堆場分選系數沿程分布規律

根據式(3)偏離系數的定義,并考慮顆分試驗結果[8,11-12],可得堆場疏浚泥偏離系數的分布如圖4所示,可知3個堆場偏離系數均滿足式(4)的勺形分布,對于N1堆場,k1=-0.004,k2=0.007,c=0.5,f=0.22;對于白馬湖堆場,k1=-0.014,k2=0.016,c=0.55,f=0.43;對于Browns Lake堆場,k1=-0.006,k2=0.006,c=0.35,f=0.35。3個堆場的偏離系數D1、D2、D3均沿程先減小后增大,最后在退水口附近保持在某一定值。

分選系數、偏離系數的分布與堆場疏浚泥土性分區具有良好的相關性,如圖5所示。

圖5 分選系數、偏離系數分布與堆場疏浚泥土性分區

圖5中Ⅰ區為粗粒土區、Ⅱ區為過渡區、Ⅲ區為細顆粒富集區,粗粒土區疏浚泥分選系數較大,沿程急劇減小,偏離系數沿程減小,表明疏浚泥顆粒分選明顯,顆粒間粒度差異大,疏浚泥顆粒組成與原泥逐漸接近;過渡區疏浚泥分選系數沿程逐漸減小,偏離系數沿程增大,表明疏浚泥顆粒分選性沿程逐漸減弱,疏浚泥顆粒組成與原泥逐漸偏離;細顆粒富集區疏浚泥分選系數趨近于零,偏離系數保持在某一定值,表明顆粒分選不明顯，顆粒分布均勻,疏浚泥顆粒組成與原泥保持某一固定偏離值。

4 結 論

a. 顆粒的相對運動越顯著,堆場疏浚泥分選越明顯,d>0.01 mm粒組與0.005 mm≤d≤0.01 mm粒組的相對運動是造成堆場疏浚泥顆粒分選的內在因素。

b. 分選系數可量化堆場疏浚泥分選的顯著程度,分選系數越大,顆粒分選越明顯,反之,顆粒分選越不明顯;分選系數沿程減小，呈冪函數分布,堆場疏浚泥分選性沿程減弱,吹填口附近分選系數最大,顆粒分選顯著，粒度差異大,退水口附近分選系數趨近于零,分選不明顯，顆粒分布均勻。

c. 偏離系數可量化原泥顆粒組成對堆場疏浚泥分選的影響,偏離系數沿程先減小后增大，呈勺形分布,反映堆場前、后段疏浚泥土性與原泥相差較大,而堆場中段疏浚泥土性與原泥相近。

d. 分選系數、偏離系數分布和堆場疏浚泥土性分區具有良好的相關性,粗粒土區分選系數較大，沿程急劇減小,偏離系數沿程減小;過渡區分選系數沿程逐漸減小,偏離系數沿程增大;細顆粒富集區分選系數趨近于零,偏離系數保持在某一定值。

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Preliminary quantitative method for grain sorting behaviors of dredged slurries in reclaimed land//

YANG Ruimin1, DING Jianwen2, ZHOU Zhiyan3, XU Guizhong4, ZHANG Yuanbing1

(1.CollegeofArchitecture,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Chuzhou233100,China; 2.CollegeofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 3.JiangsuHongjiGeotechnicalEngineeringLtd.,Yangzhou225002,China; 4.CollegeofCivilEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

In order to accurately evaluate the storage capacity of reclaimed land and reasonably select treatment technologies for dredged slurries, based on the theory of sediment transportation mechanics, dredged slurries are divided into three particle-size fractions:d<0.005 mm, 0.005 mm≤d≤0.01 mm, andd>0.01 mm.Thevariationofrelativecontentforeachparticle-sizefractionwasanalyzed,anditwasdeterminedthatthemainreasonforgrainsortingofdredgedslurriesistherelativemovementofparticle-sizefractionsd>0.01mmand0.005mm≤d≤0.01mm. Using the sorting coefficient to quantify the significant degree of grain sorting of dredged slurries and the deviation coefficient to quantify the influence of grain composition of in situ mud on grain sorting, the relationships between the sorting coefficient and deviation coefficient and soil properties in reclaimed land were analyzed, and a preliminary quantitative method for grain sorting of dredged slurries in reclaimed land is proposed. The results show that the sorting coefficient decreases with the increase of the distance from the filling inlet and shows a power function distribution, and the significance of grain sorting decreases longitudinally. The sorting coefficient is at its maximum near the filling inlet, where grain sorting is remarkable and the particle-size difference is large. However, it is small near the water outlet, where grain sorting is unremarkable and particle-size distribution is uniform. The deviation coefficient decreases first and then increases longitudinally in reclaimed land, and shows a spoon-type distribution, showing that the soil properties in the forepart and posterior segment of reclaimed land are significantly different from those of in situ mud, but the soil properties in the middle segment of reclaimed land are similar to those of in situ mud. The longitudinal distributions of the sorting coefficient and deviation coefficient are strongly correlated with zoning of soil properties in reclaimed land.

dredged slurry; grain sorting; sorting coefficient; deviation coefficient; quantitative method; reclaimed land

國家自然科學基金(51378118);水利部公益性行業科研專項(201401006);安徽科技學院重點學科建設項目(AKZDXK2015B01)

楊瑞敏(1984—),男,講師,博士,主要從事高含水率淤泥物理力學特性及其處理技術研究。E-mail:ruiminy131@163.com.

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.015

TU447

A

1006-7647(2017)03-0089-06

2016-02-29 編輯：熊水斌)