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标题 真空负载下疏浚淤泥脱水过程中渗流规律的研究
范文 王曦 浩婷 周颜 吴燕


摘要：以云南滇池疏浚淤泥为研究对象，基于多孔介质理论和达西定律，使用自制变压头渗透装置，探讨了在疏浚淤泥脱水过程中，0～100 kPa范围内不同负载压力对渗流规律的影响。通过测定不同负载压力下淤泥的渗透速率、渗透系数、过滤常数、滤液量、渗流量以及负载结束后泥饼含水率与孔隙率，分析淤泥渗流效果，结果表明：不同负载压力下，水分在淤泥颗粒中的渗流规律满足达西定律，即渗透速率与压力梯度呈线性关系，负载压力越大渗流效果越明显；当负载压力为100 kPa时，淤泥渗透性能最佳，所得泥饼含水率最低。
关键词：疏浚淤泥；真空负载；渗透性能；渗流
中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0120-03
随着工业化进程的加快，大量污水排入地表水体，造成污染物在淤泥中富集积累[1-2]。随着沉积淤泥的加厚，水位上升，河湖蓄水和防洪能力、航海运输能力以及水环境安全指数降低[3-4]。因此，近年来，我国进行了许多大型湖泊的环保疏浚工程。淤泥处理一般采用堆场存放、自然干化的方式，处理的淤泥干化周期长、堆场占地时间长、面积广，脱水效果差，二次污染大，严重制约了土地及淤泥的资源化利用[5-6]。因此，人们开始关注真空负载下的淤泥脱水技术，在此过程中对渗流规律的研究将为改善淤泥脱水性能提供重要的理论支撑。
目前，有关黏土及泥浆渗流规律的研究已有不少，张瑛玲等[7]在恒温条件下应用固结渗透仪测验了原状土样在无压、天然压力与加压状态下的渗透系数，结果表明这些饱和黏性土样符合Darcy 线性渗流定律；Tavenas[9]研究了软黏土的渗透性以及测量软黏土渗透性的方法，通过加载不同的围压或者反压来模仿现场的应力条件。Trzaska等[10-11]研究了悬浮质的淤塞作用对渗流的影响；Bear等[12-13]研究了泥浆在地层中的渗流规律。
由于淤泥颗粒凝聚沉降过程中形成了固体骨架和空隙空间，孔隙空间中存在的水分通过复杂的由孔隙空间构成的裂隙网络流动，因此根据经典多孔介质渗流理论——达西定理，本文采用改装的黏土渗透仪，测试不同负载压力下淤泥的渗透性能，以探究底泥脱水过程中负载压力对渗透性能及过滤性能的影响。
1 材料与方法
1.1 材料
试验所用底泥取自云南滇池外海北部，其基本特性见表1。试验所用泥浆由底泥原样配制，含水率85%。
2.2 渗流试验
试验装置为按照变压头渗透原理自制的渗透装置（图1），所用渗透仪为TS-南-55型土壤渗透仪。试验步骤与方法如下。
（1）将预先配制的含水率85%泥浆充满渗透容器，按照变压头渗透原理调试装置，并旋紧螺母密封至不漏水不漏气。
（2）在0～100 kPa范围内调节真空泵压力。在不同负载压力下，当出水口有水溢出时开始记录变水头管中起始水头高度和起始时间，按预定时间间隔记录水头和时间的变化，间隔1 min记录渗水量。测量出水温度，准确至0.2 ℃。记录不同压力下的渗水量及滤液量，计算不同负载压力下渗透系数及过滤常数。
（3）负载结束后，将渗透装置容器中的泥层取出，测定泥层底部、中部、顶部泥样平均含水率和平均孔隙率。渗透系数由式（1）计算，参照标准JTG E40-2007[14]。
式中：kt为水温t℃时的试样渗透系数（cm/s），计算至三位有效数字；a为变水头管的内径面积（cm2）；2.3为ln和lg的变换因素；L为试样高度（cm）；t1和t2分别为测读水头的起始和终止时间（s）；H1和H2为起始和终止水头（cm）；A为试样的过水面积（cm2）。
标准温度下的渗透系数按式（2）计算：
式中：η t/η 20为黏滞系数比，通过水的黏滞系数表获得。
恒压过滤时，其过滤常数参考朱金璇[15]提出的恒压过滤常数测定方法来确定。对于一定含水率泥浆悬浮液，从过滤开始到过滤结束，积分式可写成式（3）：
式中：q为单位过滤面积的滤液量（m3/m2）；V为滤液体积（m3）；θ为过滤时间（s）；k为过滤常数（m2/s）。
式（4）表明，恒压过滤时θ/q与q之间为线性关系。记录不同过滤时间θ内的单位面积滤液量q，做θ/q～q图，可得一条直线，其斜率为1/k，截距为2qe/k。据此可求得过滤常数k。
3 结果讨论
3.1 负载压力梯度变化与渗透速率之间的关系
疏浚淤泥负载脱水过程中负载压力梯度变化与渗透速率之间的关系见图2。在不同的负载压力下，压力梯度随渗透速率的变化呈极大的线性相关性。用线性拟合发现，淤泥渗透速率是压力梯度的函数，说明负载过程下的渗流满足达西定律的，直线的斜率也就是该负载压力下淤泥颗粒的渗透系数。通过达西定律实验值可以看出，随着负载压力的增加，淤泥渗透系数呈逐渐增大趋势，负载压力100 kPa下渗透系数最大。
速度场是由压力场决定的，相邻节点之间的压力差是速度场的驱动力，而速度场又会对其他被动标量的传递产生影响，这些被动标量的变化也会影响孔隙率和渗透系数等，从而对水分在淤泥颗粒中的流动过程产生作用。但是，在淤泥脱水过程中，负载压力过大时，足以使淤泥多孔介质的骨架结构坍塌，使得淤泥颗粒随着水流运动，并导致孔隙率和渗透系数变小，从而影响渗流，所以合适的负载压力是高效脱水的前提和保障。
3.2 负载压力对渗透系数与过滤常数的影响
渗透系数及过滤常数是反映整个负载过程淤泥脱水快慢的重要标志，不同负载压力下淤泥渗透系数和过滤常数见图3。过滤常数和渗透系数均随负载压力的增加而增大，且在负载压力80～100 kPa范围内上升幅度最大，理论值高于试验值。这是因为负载压力偏大时，淤泥孔隙产生局部堵塞，使得实际压力偏大，试验值偏低。
3.3 负载压力对滤液量与渗流量的影响
不同负载压力下淤泥滤液量与渗流量见图4。由图可知，滤液量和渗流量均随着负载压力的增大逐渐变大，在0～40 kPa压力范围内，滤液量始终大于渗流量，而在40～100 kPa压力范围内出现渗流量大于滤液量现象。说明负载压力的大小影响着脱水过程中的过滤和渗流的强度和优先顺序。
在低压负载下，泥浆不会瞬间形成致密的滤饼层，由滤饼层产生的过滤阻力相对较小，此时过滤起主导作用，水分也能在多孔介质颗粒形成的孔隙通道中较稳定地渗流。
在高压负载下，渗流加速，但是当水分流经颗粒之间的孔隙喉道处以及当流体流动方向发生变化时，水流将携带粒度细小的颗粒流动，发生颗粒架桥而淤堵通道，从而产生滤饼，导致后期的过滤变得更加困难，而此时的渗流通道也因为滤饼层的形成封闭起来，因此后期负载压力下渗水量优于过滤水量。所以负载压力的选择尤为重要，由图4可知，在负载压力800～100 kPa范围内渗水量与滤液量相差最大，表明水分渗流强度最大，因此更有利于淤泥脱水。
3.4 负载压力对孔隙率及含水率的影响
随着负载压力的增加，泥层的平均含水率和平均孔隙率都呈下降趋势（图5）。0～60 kPa范围内的负载压力下，含水率及孔隙率下降趋势比较明显；60～100 kPa范围内，泥层含水率和孔隙率逐渐降至最低，但下降趋势减缓，即负载压力造成颗粒形成的骨架结构坍塌，孔隙堵塞，孔隙率变小。
同时，孔道表面负载压力的增加意味着多孔介质内部孔隙孔道表面越粗糙，孔隙孔道越弯曲，孔隙分布的层次性越差，细微孔隙的空间占有率越多，因此水分在多孔介质内部扩散时受到的阻碍作用越强，内部扩散通过能力越差。吸附理论认为，物质比表面积越大，其吸附力越强，吸附的物质越多，流动阻力越大，渗透率越小。
由此可见，随着负载压力的增加，多孔介质内部扩散特性和渗透特性逐渐减弱，滤饼的含水率也相应减少。这一结论也验证了在脱水过程中，合适的负载压力对过滤和渗透有积极的作用。
4 结论
（1）负载条件下脱水过程中，水分在底泥颗粒中的渗流满足经典的达西定律，压力梯度的变化和渗透速度呈线性关系。
（2）负载压力越大，渗透速率越大，渗透系数和渗水量越大，但负载压力过大导致淤泥颗粒骨架坍塌，渗流阻力增大，能耗增加。综合对比试验结果，负载压力在80～100 kPa范围时，渗透系数最大，渗水量和滤液量均最多，泥层含水率及孔隙率降至最低，为最佳负载压力。
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更新时间：2025/3/15 13:35:13