黃 濤，沈保根，鄢 俊，黃昭杰

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210024；3.安徽瑞迪工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243100)

土工管袋填芯底泥的填充及排水是土工管袋制作的重要環(huán)節(jié)，對于黏粒含量較高的黏質(zhì)粉土，泥漿充填后泥沙顆粒的沉淀速度慢且容易堵塞管袋孔隙，從而降低脫水效率[1]。針對土工管袋脫水絮凝問題，黃佳音等[2]對白洋淀底泥進(jìn)行絮凝脫水試驗，提出適用于白洋淀土工管袋脫水的絮凝方案；王菲等[3]研究了3種絮凝劑對武漢官橋湖底泥脫水特性的影響，發(fā)現(xiàn)單一絮凝劑能顯著改善淤泥脫水性能，但不能穩(wěn)定泥餅中的污染物；畢濤等[4]結(jié)合天津濱海地區(qū)某水庫的底泥疏浚治理工程，在疏浚船舶和絮凝劑的配合下，對土工管袋填充過程展開研究，篩選出最佳管袋類型、底泥脫水后含水率變化以及施工中的控制方法等技術(shù)指標(biāo)。上述研究雖然可以為淤泥管袋工程實踐提供一些參考，但由于各區(qū)域自然條件、底泥理化特性及外源控制等存在差異，目前對于巢湖湖區(qū)底泥特性和管袋填充技術(shù)尚待進(jìn)一步研究。而隨著巢湖湖區(qū)水環(huán)境保護(hù)力度的逐年加大，對底泥處理的環(huán)境安全性也提出更高的要求。

本文依托巢湖入湖航道口門攔沙導(dǎo)堤建設(shè)工程，設(shè)計不同的絮凝劑小試方案，開展實驗室淤泥脫水固結(jié)小試試驗，應(yīng)用單因素分析法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)絮凝劑和固化劑添加比例。在此基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場土工管袋中試試驗，得出最佳的淤泥充填流速與試劑充填流速之比，并對固化底泥和排放濾水環(huán)保指標(biāo)進(jìn)行檢測，以期為后續(xù)土工管袋導(dǎo)堤工程實踐提供數(shù)據(jù)支撐和施工指導(dǎo)。

1 工程概況

白石天河位于安徽省廬江縣北部、巢湖西南口，由西向東流，于吳家圩注入巢湖，全長35.5 km，按Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，航道總挖方為308.3萬m3(含超寬、超深量)。為減輕風(fēng)浪對白石天河河口處泥沙運動的影響、減少航道回淤，擬在航道入湖口門處實施攔沙導(dǎo)堤工程，項目地理位置見圖1。導(dǎo)堤在航道中心兩側(cè)按整治寬度對稱布置，長2.0 km，寬120 m，堤縱軸線向外側(cè)拐折形成凹角(>150°)。為盡量減小工程建設(shè)對于湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，導(dǎo)堤堤心擬采用航道疏浚底泥充填土工管袋方案?？陂T處地質(zhì)特征巖性自下而上為中砂、細(xì)砂、稍密性粉土、可塑性粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、松散性粉土、軟塑性粉質(zhì)黏土、淤泥。表1列出工程位置湖底疏浚淤泥重金屬及總磷總氮檢測指標(biāo)，依據(jù)沉積物重金屬質(zhì)量基準(zhǔn)法[5]，口門采樣點處淤泥重金屬沉積成份屬于低生態(tài)風(fēng)險。

圖1 項目地理位置

表1 疏浚淤泥重金屬及總磷總氮檢測指標(biāo)

2 試驗方案設(shè)計

2.1 小試試驗

2.1.1試驗原材料

1)淤泥樣品。在航道入湖口門處采樣湖底淤泥，通過添加一定比例的原水配置泥漿模擬工程疏挖形成的疏浚泥漿。

2)絮凝劑。絮凝劑可分為無機絮凝劑、有機絮凝劑和復(fù)合絮凝劑等。本試驗主要選取有機絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化鋁(PAC)。試驗根據(jù)不同絮凝劑種類分為A(PAM中性)、B(PAM陰離子型，帶負(fù)電荷)、C(PAM陽離子型，帶正電荷)、D(聚合氯化鋁)、E(聚合硫酸鋁)、F(聚合氯化鐵)、G(聚合硫酸鐵)、H(改性活化硅酸)、I(聚硅酸硫酸鋁)共9個方案。

3)固化劑。聚電解質(zhì)類外加劑。

2.1.2方案設(shè)計

1)按照上述絮凝劑方案，配置濃度0.5%的絮凝劑溶液100 mL，加入到裝有200 mL泥漿的燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，直至上清液澄清，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小和絮團(tuán)密實度，綜合評價絮凝劑的絮凝效果。

2)選取上一步試驗中的最佳絮凝劑，濃度分別配置為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%，將上述不同濃度的絮凝劑加入到裝有200 mL泥漿的燒杯中，玻璃棒攪拌均勻，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小及上清液水質(zhì)情況，綜合評價絮凝劑的絮凝效果。

3)選取上一步試驗中的最佳絮凝劑，設(shè)計添加量梯度比試驗，向5個裝有200 mL的泥漿杯中分別加入1、2、5、10、15、20 mL的絮凝劑，玻璃棒攪拌均勻，靜置30 s觀察泥水分離效果、絮團(tuán)大小及上清液水質(zhì)情況，綜合評價絮凝劑添加量效果。

4)通過向絮凝脫水后的淤泥中加入一定量的固化劑，使改良后的淤泥經(jīng)過干燥后具有一定的疏水性能，保證回水后的改性淤泥不會被再度溶解。由于工程進(jìn)度要求，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，采用向絮凝后的淤泥中加入10%固化劑的方案，觀察試樣結(jié)果，判斷改性底泥固化后遇水是否穩(wěn)定。

2.2 中試試驗

在上述小試試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，開展現(xiàn)場中試試驗，選取距白石天河口1 km處的空曠區(qū)域作為本試驗的中試場地，為試驗所需用水及淤泥制漿、充填及脫水提供便利。中試試驗布置現(xiàn)場見圖2，中試內(nèi)容包括準(zhǔn)備堆場、布設(shè)土工管袋、疏浚泥漿充填、脫水干化等全過程環(huán)節(jié)，為充泥管袋導(dǎo)堤工程實施提供參考。

圖2 中試試驗現(xiàn)場布置

2.2.1試驗原材料

試驗使用湖底表層淤泥，通過水力沖挖泵吸的方式儲集于淤泥池內(nèi)，淤泥濃度控制在20%～30%。絮凝劑和固化劑均為實驗室小試所得最優(yōu)類型。土工管袋滿足GB/T 17641—1998《土工合成材料 裂膜絲機制土工布》相關(guān)指標(biāo)要求。

2.2.2試驗方案設(shè)計

利用氣動隔膜泵向管路中輸送絮凝劑及固化劑，淤泥通過泵輸送至管路中，三者在管路中進(jìn)行充分混合，充填入土工管袋中并進(jìn)行脫水固結(jié)。通過調(diào)節(jié)加藥箱流速控制絮凝劑及固化劑的添加量，始終保證出水澄清且出水黏度較低，得出最佳的淤泥充填流速與試劑充填流速之比。中試試驗流程見圖3。

圖3 中試試驗流程

3 試驗結(jié)果分析

3.1 小試試驗結(jié)果

采用單因素試驗的方法研究絮凝劑對淤泥泥水分離效果的影響。影響泥水分離效果的主要因素有絮凝劑的種類、濃度、用量。小試試驗中，通過調(diào)整絮凝劑的投加量，研究不同類型絮凝劑的絮凝效果，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同方案絮凝劑脫水絮凝效果

對比絮凝劑方案可知：A、F、H、I上層液體呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)，說明上述方案絮凝劑對泥漿試樣無絮凝作用；B、G方案的絮凝劑絮凝效果較差，絮體密實度松散；C、E方案絮凝效果較好，而C方案中絮凝劑相較于E方案用量明顯較小?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，選取C方案絮凝劑進(jìn)行后續(xù)試驗。

使用C方案絮凝劑研究不同絮凝劑濃度的對絮凝效果的影響，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同濃度的絮凝劑絮凝效果

從表3可知，隨著絮凝劑濃度的增加，絮凝體密實度相應(yīng)增大，相應(yīng)絮凝劑的黏度也隨之增加。考慮到后續(xù)環(huán)節(jié)絮凝劑需通過泵送的方式進(jìn)入混合管中，絮凝劑的黏度不宜過大，因此選取濃度為0.5%的絮凝劑進(jìn)行添加量影響試驗。設(shè)計6種不同添加量參數(shù)，觀察絮凝劑絮凝效果，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同添加量的絮凝效果

試驗結(jié)果表明，隨著絮凝劑添加量的增加，絮體密實度相應(yīng)增大，但添加量增加到一定量后沉降性能反而下降，上層液體澄清度表現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。根據(jù)試驗中最佳絮凝效果，確定0.5%濃度的絮凝劑添加量為1 mL/100 mL泥漿。

添加絮凝劑并加入固化劑混合、干化后的底泥見圖4。與未加入固化劑的試樣對比，固化底泥顏色呈灰白色。取一小塊固化底泥置于水中，觀察7 d后未出現(xiàn)溶解及溢散現(xiàn)象，試樣對比見圖5。固化劑的加入使底泥具備了一定強度，且整體的疏水性能增強，具有足夠的水穩(wěn)定性。

圖4 固化劑添加淤泥前、后對比

圖5 固化底泥變化情況

3.2 中試試驗結(jié)果

通過現(xiàn)場試驗控制以保證管袋出水澄清且黏度較低(圖6)，同時考慮試劑的經(jīng)濟(jì)效益因素，最終確定絮凝劑的摻量為3.3～3.4 kg/m3干方淤泥，固化劑的摻量為淤泥干方量的10%。淤泥的充填速率為0.8～1.0 m3/h，絮凝劑的充填速率為1.0～1.2 m3/h，固化劑的充填速率為0.08～0.10 m3/h。由于淤泥池不同區(qū)域淤泥濃度存在差異，若管袋出現(xiàn)出水渾濁現(xiàn)象，需及時調(diào)節(jié)絮凝劑的充填速率。

圖6 濾出水情況

對土工管袋濾水和固化底泥進(jìn)行采樣檢測，水質(zhì)檢測結(jié)果見表5，固化底泥成分見表6。

表5 土工管袋濾出水質(zhì)檢測結(jié)果

表6 固化底泥氧化物成分含量

由上述檢測結(jié)果可知，土工管袋脫水技術(shù)能夠降低排放的總磷含量，但因選用了含氮元素類絮凝劑導(dǎo)致氨氮含量增加。管袋濾水中磷酸鹽(以P計)和氨氮濃度均低于GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》允許排放濃度(一級標(biāo)準(zhǔn))0.5 mg/L和15 mg/L；固化底泥主要為硅酸鹽黏土成分，重金屬含量(Cr、As、Pb、Ni、Zn和Cu)低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》的要求。

4 結(jié)論

1)實驗室小試試驗結(jié)果表明，以陽離子型聚丙烯酰胺為主的絮凝劑比較適用于巢湖淤泥脫水效果處理，0.5%濃度的絮凝劑最佳投加量為1 mL(100 mL泥漿)；固化劑最佳投加量為淤泥干方量的10%。上述組合可使底泥泥漿達(dá)到快速脫水減容的效果。

2)通過現(xiàn)場中試并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，絮凝劑摻量為3.3～3.4 kg/m3干方巢湖淤泥；巢湖淤泥填充速率為0.8～1.0 m3/h；絮凝劑充填速率為1.0～1.2 m3/h；固化劑充填速率為0.08～0.10 m3/h。

3)對巢湖濾水水質(zhì)和固化底泥進(jìn)行檢測，濾水中總磷(TP)去除率達(dá)63.6%且氨氮含量、底泥所含重金屬均符合相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，利用土工管袋進(jìn)行淤泥脫水從環(huán)保角度是安全的。

4)本文試驗結(jié)果是在施工區(qū)域小范圍內(nèi)采樣并在實驗室理想試驗條件下得到的，利用土工管袋進(jìn)行淤泥脫水的實際應(yīng)用結(jié)果尚待工程實踐檢驗。