CN101457521A - 一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备，其操作步骤如下：(1)恒流启动：采用稳流输出方式，即输出电流恒定，输出电压变化；(2)恒压保持：当输出电压达到设定值时转为稳压输出，即输出电压恒定，输出电流变化，保持较长时间的稳定工况；(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，以一定的间隔叠加脉冲电压；(4)间歇通电：通电及断电交替进行；(5)极性转换：根据出水量的变化自动改变专用电渗装置输出电压的正负极性。本发明通过对电渗脱水的操作方法的改进，解决了现有技术中存在的缺陷，提高了脱水效率，并且降低了能耗。

Description

一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备

技术领域

本发明涉及一种土体脱水的方法，具体涉及一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备，尤其适用于含水率高的滩涂开发、建筑物和构筑物地基处理等场合。

背景技术

在沿海地区的滩涂开发、某些高水位区域建筑物和构筑物基坑开挖等场合，都面临如何对土体进行脱水的问题。这些土体(软粘土、冲填土、含有机质土等)一般都具有含水率高、压缩性大、渗透系数小等特点，当处理面积很大时，对该类土体采用填充、置换等方法显然是不切合实际的，只能是采用非填充的预压、挤密、夯实等方法，而这些方法都需要配合土体脱水进行，若脱水效果不好，表现为承载强度低、固结速率慢，将严重影响上部承载物的施工质量，因而脱水的效果如何就成为影响土体处理效果的关键。由于这类土体微小孔隙的毛细管作用，将水保持在孔隙内，而渗透率较低，一般的真空脱水方法效果不佳，而采用电渗透脱水时目前最有效的方法之一。

采用电渗透脱水，需要在土体中排设电极，分为阳极和阴极，靠近阴极处设有排水通道。当电极通入直流电时，在电场的作用下，土体孔隙中的水与阳离子结合，将水分子带向阴极，便可以在阴极处集中抽水，从而达到将土体中的水排出的目的。

目前，国内外在土体脱水中真正实际应用电渗技术的还不普遍，为数不多的一些应用场合，采用的是恒定电压、固定极性的直流电渗脱水方法，该方法主要存在以下一些问题：①恒定电压电渗的实施固然简单可行，但随着电渗脱水的进行，土体的含水率降低，但尚未达到设计要求时，脱水效率显著下降，甚至加电渗的出水流量与不加电渗效果相同，电渗的作用完全消失。②对于固定极性的电渗脱水，随着电渗脱水过程的进行，电极反应产生的气体将聚集在土质与阳极之间，使两者的接触电阻增大，相应地电压降也增大，使得土体的有效电场强度减弱，脱水效率逐渐下降。由于上述情况存在，直接导致了电渗脱水时间过长，脱水能耗较高，脱水效果变差。③由于在电渗脱水的过程中阳极会发生电解，固定极性的电渗脱水方法都将阳极直径设计的比阴极大，以防止电渗脱水过程中阳极被完全电解，使得电渗中断。④由于电渗过程中水分子始终是向阴极聚集，而土颗粒受到向阳极的力作用，导致固定极性的电渗脱水会使脱水后的土体密度、含水率等变得不均匀。⑤由于电渗过程中阳极的电解作用，生成的氢氧化合物填充了阳极附近的土体，起到胶结加固土体的作用，而阴极则不发生该现象。也导致脱水后的土体密度不均匀。这些都将影响土体的承载强度。

以上缺点的存在都限制了电渗脱水技术在工程中的拓展和应用。

发明内容

本发明目的是提供一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备，解决了现有电渗脱水技术中的缺陷，使脱水效率得到提高，并且降低了脱水能耗。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法，采用专用的电渗装置结合真空抽水对土体进行脱水处理，专用电渗装置的操作步骤如下：

(1)恒流启动：根据土体电导率和电极埋入深度设定初始电流和目标电压值，采用稳流输出方式，即输出电流恒定为初始电流，此时输出电压随着电渗脱水的进行而增大；

(2)恒压保持：当输出电压达到设定的目标电压值时转为稳压输出，即输出电压恒定在目标电压值；

(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，输出电压在目标电压值上叠加正脉冲电压，所述脉冲电压的幅度小于等于目标电压值，无脉冲时输出电压为目标电压值，周期10至20分钟，占空比40％至60％，恒压保持和脉冲加强的时间为15～24小时；

(4)间歇通电：通电及断电交替进行，每次在恒压保持和脉冲加强的通电15～24小时后断电，断电时间小于20小时，断电时，将输出正负极短接，以泄放电荷，此时的真空抽水继续保持，断电结束后重复步骤(2)～(3)；

(5)极性转换：当出水量下降为电渗开始时出水量的20～60％时，输出电压的极性改变，即将原来的负极变为正极、正极变为负极，相应地，真空抽水位置也进行切换，并重复步骤(2)～(4)；当出水量下降为上次极性转换开始时出水量的20～60％时，输出电压的极性再改变，并重复步骤(2)～(4)，直至土体的含水率达到预定值。

上述技术方案中，所述初始电流的设定方法是，根据土体电导率和电极埋入深度，设定每个电极上初始电流，设定每根电极的电流线密度为0.1～0.3安培/米，保证每个电极上初始电流不超过1.5安培，全部电极数量的一半乘以每个电极上的初始电流值，即为电渗电源总输出电流。

所述目标电压值为25至30伏。

上述技术方案中，所述步骤(1)中，由于土体初始含水率较高，电导率也较高，又由于电渗装置输出电流的限制，需降低输出电压，因而采用稳流输出方式，即输出电流恒定，输出电压变化。按照每个电极上初始电流1.5安培设置(根据电极埋入深度的不同需要有所调整)，随着电渗脱水的进行，土体的电导率逐渐减小，输出电压逐渐增大，使得土体电渗电场强度相应升高，脱水速度加快，脱水效率提高。

所述步骤(3)中，在恒压保持过程中，以一定的间隔(一般为10分钟)叠加脉冲电压，脉冲幅度小于等于目标压值，脉冲宽度为5分钟左右，相当于50％的占空比，脉冲频率约为0.5毫赫兹。

所述步骤(4)中，通电断电交替进行，如以一天为一个周期，可通电16小时断电8小时，断电时专用电渗装置在内部自动实现正负电极间的短路，有利于电荷泄放，但是真空抽水仍然在继续进行。

所述步骤(5)中，根据出水量的变化自动改变电渗电源极性，即当出水量下降为最大出水量的30％左右，输出电压的极性改变，将原来的负极变成正极，正极变成负极，相应的，真空抽水的位置也进行了切换。

实现上述方法的一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗设备，输出的直流电压采用高频开关整流电路获得，开关频率为20Khz，输出电流为0～500A，输出电压为0～60V，输出电压可改变正负极性，正负极间可实现短接。

上文中，采用新一代高频开关直流电源，具有体积小重量轻、效率高的优点，比一般电源省电约25％～30％，效率>90；具有稳压、稳流功能(精度≤1％)，输出纹波系数≤2％；过流、短路、过热、欠压、缺相等保护功能完备，操作简单，维护方便；输出采用数字显示，直观明了，并具备报警功能。上述的操作步骤均可以利用本装置自动或者手动完成，各切换时间均可以自由设定。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过对电渗透脱水操作方法的改进，解决了以往电渗透脱水操作中存在的缺陷，极大的提高了脱水效率，并且降低了能耗，更加适合推广使用。

2.叠加脉冲电压，在电渗电压有效值不变的条件下，使输出的峰值电压有短时间的提高，使水分子的动能加大，从而更有效地打通土体的毛细管，增加土体的渗透系数，提高电渗脱水效率。

3.电渗过程中在土体中产生电荷积累效应，过量的积累电荷阻止弱束缚水的移动，间歇通电的断电期间，由于电极被短路，积累电荷能尽快泄放，既提高了电渗脱水效果，也有益于节约电能。

4.极性转换使原来正极(变极性后的负极)附近形成的气体随着水的聚集而由气相变为液相，从而减小了接触电阻，使土体的有效电场强度加大，进一步提高脱水效率。另一方面可使阴阳电极几何尺寸相同，均做到一次性使用。电渗脱水结束后两个电极附近都有电解的氢氧化合物填充土体，都起到胶结加固土体的作用，使电渗脱水后的土体密度、含水率等保持基本均匀。

附图说明

图1为本发明一种实施例的电渗操作流程示意图；

图2为本发明实施例中电渗装置原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

如图1所示，一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法，其操作步骤如下：

1、定位、埋设电极、插排水板

按照平面布置要求准确定位后埋设电极和插排水板，地面以上冒高0.1m，并灌粗砂，阴阳电极成平行交错排列，同属性电极之间分别用铝排连成通路后接到专用电渗装置的相应电极上；为防止电流从土体表面过大分流，降低电渗效果和发生电蚀效应，通电前应将阴阳极地面以上外露金属部分处理干净，涂一层沥青，以减少电耗；排水板与总管的连接头两端用紧箍件箍紧，以防漏气。

2、土工布、膜覆盖

铺设PVC复合土工膜，该密封膜在脱水区拼成一个大于处理面积的整块塑料膜。第一层塑料膜铺设完后，应检查接缝处是否有漏气，并及时修补，铺膜过程中随铺随用土袋压膜，防止起风将铺好的膜卷走或撕裂，禁止施工人员着硬底鞋在膜上作业或行走，以防将膜刮破，在铺膜完成的同时，安装少量的真空泵进行工作，将铺设好的膜吸住。

3、真空抽水预压

真空泵进行抽气，使得膜内、外产生一个气压差，这个气压差就是作用于土体上的荷载。随着膜内空气的不断被排出，气压差逐渐增大，土体中的水、气不断被排出而使地基发生固结。在真空抽水预压的出水量明显减少(通常指出水流量减少至初始流量的20％以下)后，接通电源，进行电渗脱水。

4、电渗运行

接通电渗电源设备的电源、设置初始电流、保持电压、保持时间、脉冲加强时间、通电时间、间歇时间、转换极性的水量比例(如30％)等参数，连接出水流量采集信号。

整个电源装置可以采用自动化运行，运行流程如图2所示：

(1)恒流启动：4根电极埋入土体深度为2米，设定每根电极的电流为0.6安培，初始电流1.2安培和目标电压值27伏特，采用稳流输出方式，即输出电流恒定为1.2安培的初始电流，此时输出电压随着电渗脱水的进行增大；

(2)恒压保持：当输出电压达到设定的目标电压值27伏特时转为稳压输出，即输出电压恒定在目标电压值；

(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，输出电压在目标电压值上叠加正脉冲电压，所述脉冲电压为25伏特，无脉冲时输出电压为目标电压值，周期10分钟，占空比40％，恒压保持和脉冲加强的时间为15小时；

(4)间歇通电：通电及断电交替进行，每次在恒压保持和脉冲加强的通电15小时后断电，断电时间10小时，断电时，将输出正负极短接，以泄放电荷，此时的真空抽水继续保持，断电结束后重复步骤(2)～(3)；

(5)极性转换：当出水量下降为电渗开始时出水量的30％时，输出电压的极性改变，即将原来的负极变为正极、正极变为负极，相应地，真空抽水位置也进行切换，并重复步骤(2)～(4)；当出水量下降为上次极性转换开始时出水量的30％时，输出电压的极性再改变，并重复步骤(2)～(4)，直至土体的含水率达到预定值。

启动电渗电源设备，观察输出电流电压情况是否正常，若需要可作必要调整。

设备正常运行后，安排人员24小时值守，及时排除可能出现的如漏真空、网眼堵塞、机电设备不正常运行等故障，并做好值班记录。

根据实际情况，可将专用电渗设备设为自动运行状态或手动运行状态。

实施例二

与实施例一不同之处在于：

(1)恒流启动：6根电极埋入土体深度为5米，设定每根电极的电流为0.5安培，初始电流1.5安培和目标电压值30伏特，采用稳流输出方式，即输出电流恒定为1.5安培的初始电流，此时输出电压随着电渗脱水的进行增大；

(2)恒压保持：当输出电压达到设定的目标电压值30伏特时转为稳压输出，即输出电压恒定在目标电压值；

(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，输出电压在目标电压值上叠加正脉冲电压，所述脉冲电压为27伏特，无脉冲时输出电压为目标电压值，周期15分钟，占空比60％，恒压保持和脉冲加强的时间为20小时；

(4)间歇通电：通电及断电交替进行，每次在恒压保持和脉冲加强的通电20小时后断电，断电时间15小时，断电时，将输出正负极短接，以泄放电荷，此时的真空抽水继续保持，断电结束后重复步骤(2)～(3)；

(5)极性转换：当出水量下降为电渗开始时出水量的20％时，输出电压的极性改变，即将原来的负极变为正极、正极变为负极，相应地，真空抽水位置也进行切换，并重复步骤(2)～(4)；当出水量下降为上次极性转换开始时出水量的20％时，输出电压的极性再改变，并重复步骤(2)～(4)，直至土体的含水率达到预定值。

其它步骤同实施例一。

实施例三

与实施例一不同之处在于：

(1)恒流启动：2根电极埋入土体深度为5米，设定每根电极的电流为0.2安培，初始电流1.0安培和目标电压值25伏特，采用稳流输出方式，即输出电流恒定为1.0安培的初始电流，此时输出电压随着电渗脱水的进行增大；

(2)恒压保持：当输出电压达到设定的目标电压值25伏特时转为稳压输出，即输出电压恒定在目标电压值；

(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，输出电压在目标电压值上叠加正脉冲电压，所述脉冲电压为20伏特，无脉冲时输出电压为目标电压值，周期20分钟，占空比50％，恒压保持和脉冲加强的时间为24小时；

(4)间歇通电：通电及断电交替进行，每次在恒压保持和脉冲加强的通电24小时后断电，断电时间20小时，断电时，将输出正负极短接，以泄放电荷，此时的真空抽水继续保持，断电结束后重复步骤(2)～(3)；

(5)极性转换：当出水量下降为电渗开始时出水量的60％时，输出电压的极性改变，即将原来的负极变为正极、正极变为负极，相应地，真空抽水位置也进行切换，并重复步骤(2)～(4)；当出水量下降为上次极性转换开始时出水量的60％时，输出电压的极性再改变，并重复步骤(2)～(4)，直至土体的含水率达到预定值。

其它步骤同实施例一。

采用本发明的方法进行实际实验。

实验表明：采用本技术的间歇通电、极性转换可使电极的电蚀程度比恒定电压、固定极性的直流电渗减轻，可节省电极材料成本和施工成本20％。

在围海滩涂开发和基坑开挖中分别使用了本技术，结果表明：比不用电渗的真空脱水速率加快30％，比恒定电压、固定极性的直流电渗脱水速率加快15％，使土体固结加快。可缩短工期15％，节约电能25％。解决了目前固定电压、固定极性的直流电源电渗脱水技术无法解决的电渗脱水效率较差以及阳极电极电蚀效应严重等问题，既能提高脱水效率、又能降低能耗。

Claims (5)

1.一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗透方法，采用电渗透装置结合真空抽水对土体进行脱水处理，其特征在于：电渗透装置的操作步骤如下：

(1)恒流启动：根据土体电导率和电极埋入深度设定初始电流和目标电压值，采用稳流输出方式，即输出电流恒定为初始电流，此时输出电压随着电渗脱水的进行而增大；

(2)恒压保持：当输出电压达到设定的目标电压值时转为稳压输出，即输出电压恒定在目标电压值；

(3)脉冲加强：在恒压保持过程中，输出电压在目标电压值上叠加正脉冲电压，所述脉冲电压的幅度小于等于目标电压值，无脉冲时输出电压为目标电压值，周期10至20分钟，占空比40％至60％，恒压保持和脉冲加强的时间为15～24小时；

(4)间歇通电：通电及断电交替进行，每次在恒压保持和脉冲加强的通电15～24小时后断电，断电时间小于20小时，断电时，将输出正负极短接，以泄放电荷，此时的真空抽水继续保持，断电结束后重复步骤(2)～(3)；

(5)极性转换：当出水量下降为电渗开始时出水量的20～60％时，输出电压的极性改变，即将原来的负极变为正极、正极变为负极，相应地，真空抽水位置也进行切换，并重复步骤(2)～(4)；当出水量下降为上次极性转换开始时出水量的20～60％时，输出电压的极性再改变，并重复步骤(2)～(4)，直至土体的含水率达到预定值。

2.根据权利要求1所述的电渗透方法，其特征在于：所述初始电流的设定方法是，根据土体电导率和电极埋入深度，设定每个电极上初始电流，设定每根电极的电流线密度为0.1～0.3安培/米，保证每个电极上初始电流不超过1.5安培，全部电极数量的一半乘以每个电极上的初始电流值，即为电渗电源总输出电流。

3.根据权利要求1所述的电渗透方法，其特征在于：所述目标电压值为25至30伏。

4.一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗透设备，采用高频开关直流电源，其特征在于：在输出部设置有高频整流及变极性电路。

5.根据权利要求4所述的用于大面积高含水率土体脱水的电渗透设备，其特征在于：所述高频开关直流电源的输出电流为0～500A，输出电压为0～60V。

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