CN111395309B - 真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利工程及岩土工程技术领域，公开了一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法，通过加入氧化镁的絮凝效果和注气增渗来提高真空预压排水效率，提高处理效果，另外通过注入碳化气体使得加入的氧化镁发生固化反应，进一步提高土体强度，真空预压排水、增渗以及碳化固化都可以通过水平排水板实现，即一板多用从而降低了施工成本，提高了处理效率。本发明中真空预压排水、增渗和固化同时、间隔、连续进行的，且不需要多次施工，操作简便易行，大大提高了处理效率，节约了施工成本；并且，由于注气碳化施工是时间可控的，避免了真空预压排水与固化同时进行导致的排水效率迅速降低问题。

Description

真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法

技术领域

本发明属于水利工程及岩土工程技术领域，尤其涉及一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法。

背景技术

目前，河湖水体治理工程、清淤工程、尾矿处理工程以及港湾扩容工程会产生大量的疏浚淤泥，这类工程淤泥具有超高含水率、高压缩性、低渗透性、强度很低甚至没有强度等特点，堆放此类淤泥常常需要长时间占用较大面积的工程场地，从而导致资源浪费。因此，如何快速处理上述淤泥对于工程场地规划利用以及疏浚淤泥的资源化利用都具有重要意义。

在众多软土加固施工技术中，由于真空预压法的高效率、易操作以及施工成本较低而得到广泛应用。目前，经典的传统预压法得到了不同形式的改进，比如直排式真空预压法、真空-堆载联合预压法、真空-电渗联合预压法以及真空劈裂预压法等。但是，上述方法均采用的是竖向排水板。使用上述方法处理超高含水率疏浚淤泥过程中会遇到插板困难，大应变沉降导致的排水板弯折，深部土体加固效果不佳等问题。

另外，对于黏粒含量较高的淤泥，在真空预压处理过程中，排水板常会发生淤堵，且靠近排水版的土体渗透性迅速下降，导致真空预压排水效率迅速降低。

固化法是另外一种快速有效加固软土的方法。但是，由于淤泥初始含水率对该方法处理效果影响显著，尤其是对于超高含水率的淤泥，若想达到较好的加固效果，则需要提高固化剂的掺量。因此，在处理超高含水率疏浚淤泥工程中，该方法并未得到广泛应用。

将真空预压排水加固方法与固化法结合起来处理高含水率软土是一种有效的提高土体强度的方法，工程中常常首先用真空预压排水加固降低土体的含水率，然后再进行固化处理，这种方法需要二次施工处理，且很难对深部土体进行固化施工。如将真空预压法与固化法同时使用，虽然可以在短时间内提高真空预压排水效率，提高固化强度，但固化剂固化反应迅速，待固化反应进行后期，真空预压排水效率将大大降低，对于不同工况和处理要求，很难把握固化剂的固化反应时间，可能会导致处理效果达不到工程需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)目前真空预压技术大多以竖向排水板作为排水通道，使用竖向排水板处理高含水率淤泥时，由于施工场地没有强度，施工设备无法进场施工；较大的沉降量会引起排水板弯折，甚至导致排水能力丧失；真空荷载沿深度衰减，常会导致深部土体加固效果不佳。

(2)虽然采用水平排水板作为排水通道可以有效解决和缓解竖向排水板作为排水通道的问题及弊端。但是，土体渗透性会随着真空预压的进行而迅速降低，尤其是靠近排水板的地方，从而导致排水板排水效率降低，处理效率减慢，这种问题是真空预压(无论是竖向排水板或者水平排水板)普遍存在的问题。

(3)固化法是可以快速加固土体的方法，但是，使用固化法处理初始含水率很高的淤泥时，想要达到预期的处理效果，必然要增大固化剂的掺量，从而大大提高了施工成本。另外，现在实际工程中最常用的固化剂是水泥，而水泥的生产会产生大量的温室气体，大量使用水泥会给环境造成一定程度的负面影响。

(4)固化法和其他方法相结合(例如真空预压法)虽然在一定程度上可以提高处理效率和效果，但是由于固化剂的水化反应时间难以控制，从而导致固化法和其他方法相结合时很难做衔接结合。

解决以上问题及缺陷的难度为：从上述现有各种方法的缺陷可以看出，其不足之处是和方法的属性紧密相连的，也就是说，只要是使用现有的各种方法，就无法避免或者解决方法中存在的缺陷，从而，造成淤泥处理效率低，施工成本高等问题。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提供的技术方案可以解决上述现有各种方法的缺陷；提高淤泥的处理效率，降低施工成本；解决了堆放淤泥的堆场长期占用，节省使用土地资源；大大提高吹填施工场地的施工进程，对场地的进一步规划使用及施工具有重要的意义。

竖向排水板真空预压技术在处理疏浚淤泥时存在的问题，本发明用的水平排水板可以避免这些问题。

现有技术中，真空预压排水效率迅速降低。这个是真空预压法(包括水平排水板真空预压和竖向排水板真空预压技术)普遍存在的问题，本发明提出的注气增渗可以显著这个问题。

现有固化法的固化时间很难控制，尤其是与真空预压结合后，更难以控制，本发明将氧化镁与碳化固化阶段分开，可以解决固化时间不可控问题，而且可以显著提高真空预压的排水效率和效果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法。本发明目的在于通过加入氧化镁的絮凝效果(改善土体渗透性)和注气增渗来提高真空预压排水效率，提高处理效果，另外通过注入碳化气体使得加入的氧化镁发生固化反应，进一步提高土体强度，真空预压排水、增渗以及碳化固化都可以通过水平排水板实现(即一板多用)，从而降低了施工成本，提高了处理效率。并且，由于注气碳化施工是时间可控的，从而避免了真空预压排水与固化同时进行导致的排水效率迅速降低问题。

本发明是这样实现的，一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，所述真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法包括：

步骤一，铺设第一层排水板，将排水板层两端分别连接真空预压排水装置以及注气增渗固化装置；

步骤二，将搅拌均匀的氧化镁与淤泥混合物疏浚到处理场地内；

步骤三，吹填到一定高度后，关闭注气管阀门并打开真空预压排水管阀门，开始真空预压排水加固；

步骤四，吹填到设计高度后，铺设第二层水平排水板，并将第二层水平排水板层两端分别与真空预压排水装置和注气增渗固化装置连接；

步骤五，吹填到一定高度后，关闭第二层水平排水板层注气管阀门并打开真空预压排水管阀门，进行边吹填边加固，根据第一层水平排水板层真空预压排水速率，选择合适时机关掉第一层水平排水板层真空预压并打开注气增渗固化开关；

步骤六，然后按照步骤三～步骤五依次进行吹填加固施工。

进一步，步骤一中排水板层一端首先与水汽分离器连接，水气分离器分别与排水泵和气体过滤器连接，气体过滤器与大功率真空泵连接；排水板层另外一端通过注气管依次与调压设备和增压装置连接，其中增压装置与碳化储存罐及空压机连接；

气体过滤器中盛放碱性溶液，用于过滤真空预压中排出的碳化气体。

进一步，步骤一中，每层水平排水板层的两端均有独立的阀门开关与真空预压排水和注气增渗固化装置相连。以便可以单独控制每层水平排水板，使不同层真空排水、注气增渗、固化协同进行；

进一步，步骤二中氧化镁的掺量为疏浚淤泥干重量的5％～30％。氧化镁可以改善土体的渗透性，提高真空预压排水效率，对环境的影响较小，且后期可以通过注入二氧化碳产生固化效果，进一步提高土体强度；

进一步，步骤三中，当新近铺设的水平排水板层上吹填淤泥厚度不低于20cm时，进行真空预压排水加固且施加真空荷载不低于80kPa。新铺设水平排水板层淤泥厚度达到一定程度可以利用土体自封的效果，进行真空预压，免去了人工密封，提高工作效率，降低施工成本；

进一步，步骤四中，两相邻排水层间距为0.5m～1.5m；根据土体性质选择合适的排水层间距，可以提高真空预压排水效率，且有利于注气增渗及固化的进行；

当其中一层水平排水板层进行注气增渗固化时，其相邻水平排水板层需进行真空预压排水，且每层水平板层分别与真空预压和注气增渗固化连接的两个管道之中有且仅有一个管道是连通的。使注气增渗固化与真空预压排水方向一致，提高注气增渗固化以及排水的效率，且节约能源；

进一步，步骤四中，注气增渗和固化同时进行或间歇式进行；根据预达到的处理效果选择进程，进一步提高处理效率；

注气固化气体是纯CO₂气体，或是混有一定含量空气的混合气体。

进一步，步骤六边吹填边加固施工过程中，根据各个排水板层的排水速率确定注气增渗和固化。真空预压排水、注气增渗和固化相互协同进行，显著提高处理效率。

本发明的另一目的在于提供一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备，包括围堰或处理场地，所述围堰或处理场地上安装有增压装置；

所述增压装置进气端通过不同阀门分别连接CO₂存储罐和空压机；

所述增压装置出气端通过管道依次连接调压设备、增压注气管；

所述增压注气管通过注气管道连接多层水平排水板；所述水平排水板承载淤泥疏浚管排放的待处理的疏浚淤泥；经水平排水板分离后的淤泥流落在相邻水平排水板之间；

所述水平排水板层是逐层铺设的，当吹填淤泥达到一定高度铺设下一层水平排水板层。

每层水平排水板一端通过排水排气管连接水气分离器，水气分离器通过管道分别与气体过滤器和排水泵连接；所述气体过滤器通过管道与真空泵连接。

进一步，每层水平排水板入口端通过注气管道连通增压注气管，每层水平排水板出口端通过水平排水板接头连接排水管道，所述排水管道连通排水排气管；

所述水气分离器通过下部安装的排水口连接排水排气管；

所述水气分离器通过顶部安装的排水管道连接口连接排水泵；

所述水气分离器通过上部安装的抽真空接口通过管道连接安装在气体过滤器底端的气流分散器，气流经气体过滤液过滤后，通过安装在气体过滤器顶部的真空荷载接口连接真空泵；

所述调压设备通过调压阀组的调压阀连接增压装置；

所述调压阀通过管道依次连接水平排水板层连接口、增压注气管。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明方法通过使用水平排水板进行真空预压，避免了竖向排水板预压法常常出现的弯折以及深部土体加固效果不佳等问题，且提高了处理效率，另外，水平排水板同样可用于增渗及固化处理，实现了一板多用，进一步提高了处理效率，节约了成本。

本发明方法可以通过水平排水板进行注气增渗，提高相邻排水板层的排水效率，且可以利用软土的自封效果，而不用进行密封处理，节约施工成本和时间的同时提高处理效率和效果。

本发明方法将一定量的氧化镁加入淤泥中，由于氧化镁具有一定的絮凝效果，从而改善了淤泥的渗透性质，提高了真空预压排水效率。在真空预压后期，可以通过排水板注入碳化气体使得土体中的加入的氧化镁发生固化反应，进一步迅速提高土体的强度。

本发明方法中真空预压排水、增渗和固化可以是同时、间隔、连续进行的，且不需要多次施工，可以根据工程需求通过操作台进行控制，操作简便易行，大大提高了处理效率，节约了施工成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥方法流程图。

图2是本发明实施例提供的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备示意图。

图3是本发明实施例提供的水平排水板层示意图。

图4是本发明实施例提供的水气分离器与气体过滤器连接示意图。

图5是本发明实施例提供的注气设备及连接示意图。

图中：1-围堰或处理场地，2-增压注气管，3-淤泥，4-水平排水板，5-排水排气管，6-淤泥疏浚管，7-疏浚淤泥，8-CO₂存储罐，9-阀门，10-增压装置，11-调压设备，12-空压机，13-水气分离器，14-气体过滤器；15-排水泵；16-真空泵；17-水平排水板接头；18-排水管道；19-注气管道；20-排水口；21-排水管道连接口；22-抽真空接口；23-气流分散器；24-真空荷载接口；25-气体过滤液；26-调压阀；27-水平排水板层连接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对高含水率疏浚淤泥，现有技术的高含水率疏浚淤泥处理施工设备和方法均不能达到工程需求的效果，造成疏浚淤泥处理效率低；施工成本高。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备与方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥方法包括：

S101，首先铺设第一层水平排水板层4，水平相邻排水板间距为30cm，将水平排水板层4一端通过排水排气管5连接水气分离器13，水气分离器13分别与气体过滤器14和排水泵15连接，然后将气体过滤器14与真空泵16连接。水平排水板层的另一端通过增压注气管2依次与调压设备11和增压装置10相连，而增压装置10与CO₂存储罐8和空压机12连接。

S102，将掺有20％(氧化镁与淤泥干质量的比值)氧化镁的搅拌均匀的疏浚淤泥混合物7通过淤泥疏浚管6吹填到处理场地1内。

S103，当第一层水平排水板层上的淤泥厚度为30cm时，关闭水平排水板层4与调压设备11连接的阀门，并打开与水气分离器13连接的阀门，启动真空泵，调节真空预压至90kPa，进行真空预压排水加固，此时，吹填过程与真空预压排水加固过程是同时进行的。

S104，当吹填高度达到1.2m时，暂停吹填，铺设第二层水平排水板层4，然后分别将该水平排水板层两端分别与真空排水装置和注气增压固化装置连接，并设置独立的开关阀门。

S105，继续进行吹填，当第二层水平排水板层4上淤泥厚度达到30cm时，关闭其与调压设备11之间的阀门并打开与水气分离器13连接的阀门，进行真空预压排水加固。根据第一层水平排水板层真空预压排水速率，选择合适时机关掉第一层水平排水板层真空预压并打开注气增渗固化开关。

S106，按照步骤S103-S105逐步进行分层铺设水平排水板层4以及吹填施工。

在本发明实施例中，当步骤S101第一层水平排水板层4、步骤S104第二层水平排水板层4上的淤泥真空预压排水效率降低之后，将第一层水平排水板层4调整为注气固化状态，即打开CO₂存储罐8与增压装置10之间的阀门，同样注气压力不低于100kPa，还可以将步骤S106中第三层水平排水板层调整为注气增渗，此时，吹填施工、真空预压排水、注气增渗及固化处理是同时进行的。

在本发明实施例中，步骤S101-S106按照从下往上逐层进行注气增渗及固化处理，两相邻水平排水层需避免同时进行注气增渗或固化处理。

在本发明实施例中，步骤S101-S106进行注气增渗或固化处理时，先同时打开水平排水板层两端阀门，通过注入的气体将水平排水板层内的水全部排出之后，再关闭该水平排水板层的排水管阀门。

在本发明实施例中，步骤S101-S106当进行注气固化处理时，气体过滤器14中如果发现有沉淀生成时，说明注气水平层的气体已经达到相邻层，为了达到较好的固化效果，此时可以适当减小注气气压并延长注气的时间。

在本发明实施例中，步骤S106在铺设第三层水平排水板层4时，关闭第一层水平排水板层4与水气分离器13之间的阀门，然后打开其与增压装置之间的阀门，并打增压装置10与空压机12之间的阀门，将注气压力调整为100kPa，此时，吹填施工、真空预压排水和注气增渗处理是同时进行的。

在本发明实施例步骤S106中，当第三层水平排水板层4上的淤泥达到设计高度后，将第一层水平排水板层4调整为真空预压排水，然后将第二层水平排水板层4调整为注气增渗状态，注气压力同样设置为100kPa。

如图2所示，本发明实施例提供的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备，包括围堰或处理场地1，所述围堰或处理场地1上安装有增压装置10。

所述增压装置10进气端通过不同阀门9分别连接CO₂存储罐8和空压机12。

所述增压装置出气端通过管道依次连接调压设备11、增压注气管2。

所述增压注气管2通过注气管道连接多层水平排水板4；所述水平排水板承载淤泥疏浚管6排放的待处理的疏浚淤泥7；经水平排水板4分离后的淤泥3流落在相邻水平排水板之间。

每层水平排水板一端通过排水排气管5连接水气分离器13，水气分离器13通过管道分别与气体过滤器14和排水泵14连接；所述气体过滤器14通过管道与真空泵16连接。

如图3所示，每层水平排水板入口端通过注气管道19连通增压注气管2，每层水平排水板出口端通过水平排水板接头17连接排水管道18，所述排水管道18连通排水排气管5。

如图4所示，水气分离器14通过下部安装的排水口20连接排水排气管；

所述水气分离器通过顶部安装的排水管道24连接口连接排水泵。

所述水气分离器通过上部安装的抽真空接口22通过管道连接安装在气体过滤器14底端的气流分散器23，气流经气体过滤液25过滤后，通过安装在气体过滤器14顶部的真空荷载接口24连接真空泵16。

如图5所示，所述调压设备11通过调压阀组的调压阀26连接增压装置10；

所述调压阀26通过管道依次连接水平排水板层连接口27、增压注气管2。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，所述真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法包括：

步骤一，铺设第一层排水板，将排水板层两端分别连接真空预压排水装置以及注气增渗固化装置；

步骤二，将搅拌均匀的氧化镁与淤泥混合物疏浚到处理场地内；

步骤三，吹填到一定高度后，关闭注气管阀门并打开真空预压排水管阀门，开始真空预压排水加固；

步骤四，吹填到设计高度后，铺设第二层水平排水板，并将第二层水平排水板层两端分别与真空预压排水装置和注气增渗固化装置连接；

步骤五，吹填到一定高度后，关闭第二层水平排水板层注气管阀门并打开真空预压排水管阀门，进行边吹填边加固，根据第一层水平排水板层真空预压排水速率，关掉第一层水平排水板层真空预压并打开注气增渗固化开关；

步骤六，然后按照步骤三~步骤五依次进行吹填加固施工；

步骤四中，注气增渗和固化同时进行或间歇式进行；

注气固化气体是纯CO₂气体，或是混有一定含量空气的混合气体。

2.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤一中排水板层一端首先与水汽分离器连接，水气分离器分别与排水泵和气体过滤器连接，气体过滤器与大功率真空泵连接；排水板层另外一端通过注气管依次与调压设备和增压装置连接，其中增压装置与碳化储存罐及空压机连接；

气体过滤器中盛放碱性溶液，用于过滤真空预压中排出的碳化气体。

3.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤一中，每层水平排水板层的两端均有独立的阀门开关与真空预压排水和注气增渗固化装置相连。

4.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤二中氧化镁的掺量为疏浚淤泥干重量的5%~30%。

5.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤三中，当新近铺设的水平排水板层上吹填淤泥厚度不低于20 cm时，进行真空预压排水加固且施加真空荷载不低于80 kPa。

6.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤四中，两相邻排水层间距为0.5m~1.5 m；

当其中一层水平排水板层进行注气增渗固化时，其相邻水平排水板层需进行真空预压排水，且每层水平板层分别与真空预压和注气增渗固化连接的两个管道之中有且仅有一个管道是连通的。

7.如权利要求1所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法，其特征在于，步骤六边吹填边加固施工过程中，根据各个排水板层的排水速率确定注气增渗和固化。

8.一种实施权利要求1~7任意一项所述真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的方法的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备，包括围堰或处理场地，其特征在于，所述围堰或处理场地上安装有增压装置；

所述增压装置进气端通过不同阀门分别连接CO₂存储罐和空压机；

所述增压装置出气端通过管道依次连接调压设备、增压注气管；

所述增压注气管通过注气管道连接多层水平排水板；所述水平排水板承载淤泥疏浚管排放的待处理的疏浚淤泥；经水平排水板分离后的淤泥流落在相邻水平排水板之间；所述水平排水板层是逐层铺设的，当吹填淤泥达到一定高度铺设下一层水平排水板层；

每层水平排水板一端通过排水排气管连接水气分离器，水气分离器通过管道分别与气体过滤器和排水泵连接；所述气体过滤器通过管道与真空泵连接；

每层水平排水板入口端通过注气管道连通增压注气管，每层水平排水板出口端通过水平排水板接头连接排水管道，所述排水管道连通排水排气管；

所述水气分离器通过下部安装的排水口连接排水排气管；

所述水气分离器通过顶部安装的排水管道连接口连接排水泵；

所述水气分离器通过上部安装的抽真空接口通过管道连接安装在气体过滤器底端的气流分散器，气流经气体过滤液过滤后，通过安装在气体过滤器顶部的真空荷载接口连接真空泵。

9.如权利要求8所述的真空预压、增渗、固化联合处理疏浚淤泥的设备，其特征在于，所述调压设备通过调压阀组的调压阀连接增压装置；

所述调压阀通过管道依次连接水平排水板层连接口、增压注气管。