CN103306269A - 流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，属于水利、航道工程技术领域。该方法包括制作防堵排水板、准备防堵可控负压装置、安插设防堵排水板、排水管网连接、覆盖密封、真空负压排水各步骤。由于上述技术方案合理确定了滤膜的规格和结构，并且借助防堵可控负压装置使排水系统稳定在最优的真空负压下工作，因此具有显著的防堵效果，从而保证了流态疏浚淤泥地基得以快速排水加固。

Description

流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法

技术领域

本发明涉及一种疏浚淤泥的方法，尤其是一种流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，属于水利、航道工程技术领域。

背景技术

河湖清淤以及港口、航道的建设工程不可避免地要产生大量的疏浚淤泥；另外，沿海地区的吹填造陆、滩涂开发等工程同样需要吹填大量的疏浚淤泥。据申请人了解，目前常用绞吸等水力方式疏浚出的为高含水率、高黏粒含量的流态疏浚淤泥，排水性能较差。实践表明，在自然风干、固结条件下，疏浚淤泥地基一般需要近3～5年甚至更长的时间才能恢复使用。因此，如何对高含水率、高黏粒含量的疏浚淤泥进行快速加固处理是实际工程的迫切需要。

由于流态疏浚淤泥几乎无强度，传统的堆载预压处理方法的荷载难以施加，目前针对流态疏浚淤泥地基主要采用真空负压加载的方式进行处理，该法在实施时首先在疏浚淤泥地基中打设塑料排水板，再铺设排水管网和排水板连接，然后铺设密封膜，最后采用真空负压装置在膜下形成80～100kPa的负压，利用负压荷载排出疏浚淤泥中的水分，进而达到加固地基的效果。然而工程实践表明，常规的真空预压技术仅能处理排水性较好的疏浚淤泥，对于处理高含水率、高黏粒含量、排水性较差的流态疏浚淤泥经常会遇到淤堵问题，如吹填淤泥真空预压处理过程中易发生排水板淤堵，具体表现为在排水板周围形成一个个直径为10～20cm的土柱，土柱内强度较高而土柱外几乎为稀泥状，导致排水板周围土体强度很不均匀。

研究表明，传统真空预压法处理流态疏浚淤泥容易发生两方面的淤堵，一是淤泥中悬浮的细颗粒容易在水的带动下驻留于排水板表面的滤膜内，当驻留点大面积发生时会导致排水板滤膜发生淤堵；二是排水板附近的流态淤泥在传统真空负压荷载下会发生快速排水，并形成一层渗透系数极低的泥膜层紧紧地包裹于排水板表面，进而发生排水板表面泥膜层的淤堵。

检索发现，为了提高排水性能差的流态疏浚淤泥的真空负压加固效果，专利申请号为200910053854.5、名称为《吹填流泥地基的连体真空预压快速处理方法》的中国专利公开了“吹填一结束就进行地基处理，无需铺设作为水平排水通道和施工垫层的砂垫层，采用水平排水板与竖向排水板连为一个整体的连体塑料排水板”，该专利将单个排水板通过多次弯折成立体形式，增大了排水板在疏浚淤泥中的空间布设密度，在一定程度上提高了流态淤泥的加固效果。但是上述专利并未针对真空处理流态疏浚淤泥效果差的根本难题——如何克服排水通道的淤堵。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种可以有效避免排水通道淤堵的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，从而实现对流态疏浚淤泥地基的快速排水加固。

本发明的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法基本技术方案包括以下各步：

第一步、制作防堵排水板——将孔径符合下式的滤膜包覆在具有凹槽支撑结构的板芯外，制成防堵排水板：O₉₅/d₈₅=3～4，式中d₈₅为取样试验得到的疏浚淤泥85%土颗粒能够通过的孔径，O₉₅为滤膜的有效孔径；为了减少淤泥中的细颗粒在滤膜内发生驻留阻塞排水通道，滤膜最好采用单丝织成的平面结构；

第二步、准备防堵可控负压装置——通过管路连接件，将真空负压控制阀和气流速率控制端子连接，构成防堵可控负压装置；试验证明，该装置的真空负压控制范围在0～100kPa、控制精度为1kPa为宜；

第三步、安插设防堵排水板——借助施工浮体，在淤泥场地铺设至少一层土工布，并以预定纵向和横向间隔安插穿过土工布的一组防堵排水板；

第四步、排水管网连接——将横向相邻防堵排水板通过管路串接之后，将各串接防堵排水板的两端分别通过两主管连通，构成排水管网，一个主管与真空射流泵连接，另一个主管连接防堵可控负压装置；

第五步、覆盖密封——在已完成上述连接的淤泥场地上铺设至少一层土工布，然后铺设至少一层密封膜，密封膜的四周压入淤泥密封；第六步、真空负压排水——开启真空射流泵，调节防堵可控负压装置在排水管网中建立稳定的负压，实现疏浚淤泥在负压荷载下的快速排水。

由于上述技术方案合理确定了滤膜的规格和结构，并且借助防堵可控负压装置稳定了工作时的负压，因此具有显著的防堵效果，从而保证了流态疏浚淤泥地基得以快速排水加固。

对于排水性能差的流态疏浚淤泥，为了避免因常规真空荷载过大导致排水板周围形成难透水的泥层，以上第六步中，负压加载按以下步骤进行较为理想：

步骤一、通过试验，按下式绘制排水阻抗α_rav和负压荷载P的关系曲线：

$t/V=\frac{2}{5}\frac{{\mathrm{\μr}}^{0.4}{c}^{0.6}{a}_{\mathrm{rav}}}{{\mathrm{PA}}^{1.6}}{V}^{0.6}+\frac{{\mathrm{\μR}}_m}{\mathrm{PA}}$ 式中：

P为施加的负压荷载，kPa；

V为排水的体积，cm³；

t为抽水时间，s；

A为排水板表面的面积，cm²；

μ为水的粘滞系数，cm²/s；

c为疏浚淤泥中单位体积的水所含有的干土质量，g/cm³；

R_m为滤膜的渗流阻力，s/cm；

α_rav为排水阻抗，g/（s·cm²）；

r为

步骤二、以关系曲线上曲率最大点对应的负压荷载作为调节防堵可控负压装置达到的初始负压载荷，并保持15-30天；

步骤三、之后至少份二次调节防堵可控负压装置，使负压载荷逐级增大，直至达到最大载荷值，每次增大之后保持20-45天。

这样做可以将膜下真空负压调节至最优初始负压，并将气流控制端子设定在真空负压对应的气流值上，确保膜下负压能够稳定。初始负压荷载施加后，真空负压通过水平管网传递至布设于疏浚淤泥地基中的防堵排水板，疏浚淤泥在初始负压荷载下会逐渐形成相对稳定的孔隙结构，后面的负压荷载再采用分级施加，直至膜下负压荷载加到所能施加的最大值，从而达到更好的防堵效果。

总之，与现有技术相比，本发明采用防堵排水板替代了传统排水板，同时采用防堵可控的负压加载方式替代了传统的直接高真空负压加载方式，能有效解决现有真空预压技术处理高含水率、高黏粒含量的流态疏浚淤泥存在的排水通道淤堵问题，尤其适用于河湖疏浚淤泥以及新近吹填造陆地基的快速加固处理。在技术效果上，本发明相比传统的真空预压技术能够提高40%～60%的地基承载力；同时，本发明技术处理的软土地基内不会产生排水板的土柱效应所带来的地基不均匀沉降，因此不会发生排水管路断裂或阻塞的情况；其次，本发明可以对吹填结束后的疏浚淤泥地基及时快速处理，不仅将地基处理的时间提前，而且处理的工期也较短（一般为3个月），因此可以大幅度缩短疏浚淤泥地基恢复利用的周期；另外，本发明由于采用了防堵可控的负压加载方式，可以大幅度节约真空射流泵的电能消耗。因此本发明具有防堵、高效、节能的显著优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例排水管网剖面示意图。

图2为图1实施例中的防堵排水板截面结构示意图。

图3为图1实施例中的防堵排水板结构示意图。

图4为图1实施例中的防堵可控负压装置构成示意图。

图5为图1实施例中排水软管与排水板连接结构示意图。

图6为图1实施例的排水管网连接平面示意图。

图中：1为防堵排水板；1-1为塑料板芯；1-2为防堵薄膜；2为防堵可控负压装置；2-1为真空负压调节阀；2-2为气流速率控制端子；3为土工布；4变截面三通；5为加筋排水软管；6为主管；7为真空射流泵；8为密封膜。

具体实施方式

实施例一

本实施例的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法在某新吹填的河道疏浚淤泥堆场内实施，试验面积8000m²（80m×100m），具体步骤如下（参见图1至图6）：

（1）确定防堵排水板1的设计参数并制作排水板：在现场加固区取样，根据测得的疏浚淤泥颗分结果，确定疏浚淤泥特征粒径d₈₅=25μm，根据反滤材料防淤堵最有效的孔径O₉₅和疏浚淤泥特征粒径d₈₅的关系：O₉₅/d₈₅=3～4，确定排水板滤膜的有效孔径O₉₅=80μm，在加工排水板防堵滤膜1-2时采用平面单丝结构的制作工艺，加工后的滤膜紧密包裹于宽度10cm、厚度0.8cm具有凹槽支撑结构的塑料板芯1-1组合成防堵塑料排水板1，制成的防堵排水板1如图2、图3所示。

（2）制作防堵可控负压装置2：防堵可控负压装置2示意图如图4所示，制作时首先将真空负压控制阀2-1和变截面两通连接管相连，再与能够对真空负压起到稳定作用的气流速率控制端子2-2（即高精度的空气流量计）连接，并与另一个能与主管相容的变截面两通连接管相连，构成防堵可控负压装置2，该装置的真空负压控制范围在0～100kPa，控制精度为1kPa。

（3）安插设防堵排水板：首先在试验场地内划分施工平台行走路线，设置牵引绳索后安装长条形的浮体船，清除场地内的树枝、芦苇根等可能会戳破密封膜的硬物；接着在场地淤泥表面先铺设一层土工布3，然后按照纵向、横向间距均1.0m安插穿过土工布的防堵排水板1，如图1和图6所示，根据场地淤泥深度为4m，每根排水板截断长度为4.3m，留有0.3m长度露出土工布。

（4）连接排水管网：如图5所示，横向相邻排水板1之间通过变截面三通4和3cm直径的加筋排水软管5互相串接连通，再将各排串接连通的防水板两端分别通过两主管6连通，构成排水管网，一个主管6和真空射流泵7连接，另一个主管上连接安装一个防堵可控负压装置2，两个主管6均设置在场地外侧。

（5）覆盖密封：检查管路连接无问题后，在试验场地（淤泥场地）上铺设一层土工布3，然后铺设两层密封膜8，密封膜四周压入淤泥深度为1.2m。

（8）真空负压排水：对现场疏浚淤泥取样进行抽水试验，根据试验结果和公式

（公式字母含义同前）绘制α_rav随真空负压荷载P的曲线图，曲线的最大曲率点发生在真空负压荷载为30kPa处，确定防堵可控真空负压加载方法为：初始（即第一级）负压荷载为最大曲率点负压载荷30kPa，第二级负压荷载为两倍初始负压载荷60kPa，第三级负压荷载为三倍初始负压载荷90kPa——即负压载荷按自然级数倍初始负压载荷的规律逐级增大，直至达到最大载荷；开启真空射流泵7后，通过防堵可控负压装置2控制膜下真空负压在30kPa下稳定工作22天，在60kPa下稳定工作25天，即达到最大膜下真空负压88kPa，稳定工作41天,累计工作88天，处理结束后地基承载力达到7吨。

大量实验和研究表明，黏性土的土颗粒比表面积很小，颗粒之间在物理化学作用力下会发生粘结作用，因此，淤泥中土体不是以单个颗粒存在，而是以相互粘结的团粒存在，按上述比例设计孔径大于单个土颗粒粒径的滤料防堵效果最为理想。此外，排水系统在某个压力下抽水时，抽水时间和抽水量之比t/V和V^0.6之间会有一个线性关系段，即此时上述公式为一个关于t/V和V^0.6的线性函数，通过线性关系的斜率可以确定某个抽水压力P对应的a_rav值，通过多个压力下的抽水试验，就可以得到多个压力P对应的a_rav，在基础上就可以通过绘制P和a_rav的关系曲线图，曲线关系的最大曲率位置为最佳的初始负压值P₀。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，其特征在于包括以下各步：

第一步、制作防堵排水板——将孔径符合下式的滤膜包覆在具有凹槽支撑结构的板芯外，制成防堵排水板：O₉₅/d₈₅=3～4，式中d₈₅为取样试验得到的疏浚淤泥85%土颗粒能够通过的孔径，O₉₅为滤膜的有效孔径；

第二步、准备防堵可控负压装置——通过管路连接件，将真空负压控制阀和气流速率控制端子连接，构成防堵可控负压装置；

第三步、安插设防堵排水板——借助施工浮体，在淤泥场地铺设至少一层土工布，并以预定纵向和横向间隔安插穿过土工布的一组防堵排水板；

第四步、排水管网连接——将横向相邻防堵排水板通过管路串接之后，将各串接防堵排水板的两端分别通过两主管连通，构成排水管网，一个主管与真空射流泵连接，另一个主管连接防堵可控负压装置；

第五步、覆盖密封——在已完成上述连接的淤泥场地上铺设至少一层土工布，然后铺设至少一层密封膜，密封膜的四周压入淤泥密封；第六步、真空负压排水——开启真空射流泵，调节防堵可控负压装置在排水管网中建立稳定的负压，实现疏浚淤泥在负压荷载下的快速排水。

2.根据权利要求1所述的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，其特征在于所述第六步中，负压加载按以下步骤进行：

步骤一、通过试验，按下式绘制排水阻抗α_rav和负压荷载P的关系曲线：

$t/V=\frac{2}{5}\frac{{\mathrm{\μr}}^{0.4}{c}^{0.6}{a}_{\mathrm{rav}}}{{\mathrm{PA}}^{1.6}}{V}^{0.6}+\frac{{\mathrm{\μR}}_m}{\mathrm{PA}}$ 式中：

P为施加的负压荷载，kPa；

V为排水的体积，cm³；

t为抽水时间，s；

A为排水板表面的面积，cm²；

μ为水的粘滞系数，cm²/s；

c为疏浚淤泥中单位体积的水所含有的干土质量，g/cm³；

R_m为滤膜的渗流阻力，s/cm；

α_rav为排水阻抗，g/（s·cm²）；

r为排水板的有效排水半径，cm

步骤二、以关系曲线上曲率最大点对应的负压荷载作为调节防堵可控负压装置达到的初始负压载荷，并保持15-30天；

步骤三、之后至少份二次调节防堵可控负压装置，使负压载荷逐级增大，直至达到最大载荷，每次增大之后保持20-45天。

3.根据权利要求1或2所述的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，其特征在于滤膜采用单丝织成的平面结构。

4.根据权利要求3所述的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，其特征在于：所述防堵可控负压装置的真空负压控制范围在0～100kPa、控制精度为1kPa。

5.根据权利要求4所述的流态疏浚淤泥防堵可控负压快速固结方法，其特征在于所述步骤三中，负压载荷按自然级数倍初始负压载荷的规律逐级增大，直至达到最大载荷。

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