堆场疏浚泥颗粒分选规律及机理

杨瑞敏 徐桂中 丁建文 耿 威 洪振舜

(1 东南大学岩土工程研究所，南京210096)

(2 河海大学岩土工程科学研究所，南京210098)

为改善湖泊的水质问题，保证河道正常的泄洪能力和内陆航道的畅通，每年将产生大量疏浚泥［1-3］.由于国内常用水力疏浚方式，导致产生的疏浚泥具有含水率高、黏粒含量高、强度低的特点［4-5］.然而工程实践［6-7］表明，疏浚泥在吹填过程中伴随着明显的水力分选现象，导致堆场内疏浚泥的土性具有区域分布的特点，故并非堆场内所有区域的疏浚泥都需要处理.在国外早期的疏浚工程中，由于吹填原土相对均质、土地资源相对充足，吹填过程中疏浚泥颗粒在堆场内的分选性并未受到足够重视，疏浚泥堆场颗粒分选的研究几乎是空白［8-11］.而在土地资源日益稀缺的今天，对大面积的疏浚泥堆场而言，疏浚泥颗粒分选的研究显得尤为重要，因为它影响到疏浚泥处理面积的确定和处理技术的选择.本文以泥沙运动力学［12-13］与高含沙水流运动学［14-17］为理论基础，对疏浚泥颗粒分选机理进行探讨，找出影响疏浚泥颗粒分选的主要因素，为疏浚泥颗粒分选数值模型的建立提供理论基础与技术支撑.

1 试验

研究依托南水北调东线江苏段的金宝航道疏浚工程，现场调查取样地点为江苏淮安金湖县金宝航道的N1 疏浚泥堆场，其具体位置为金宝航道CS10 +250～CS11 +950 段，长度约1 700 m，宽度约100～300 m，疏浚泥堆场容积约6.0 ×105m3.由于现场水文、地形条件的限制，课题组仅选择了地形平坦、几何形状较规则的区域进行现场取样，该区域取样点布置情况如图1所示.为了对高含水率疏浚泥堆场颗粒分选规律及机理进行研究，课题组对金宝航道N1 排泥场进行了系统的调查，并利用自制的泥浆取样对疏浚泥堆场进行取样.

图1 取样点平面布置图

由于吹填完成一周后疏浚泥的厚度为1.0～1.2 m，故深度方向从上到下每隔40 cm 取一个点，即每个水平位置取3 个点.取样后，将泥浆样用塑料袋封装，然后在室内进行含水率、颗粒分析试验.试验仪器主要包括自制泥浆取样器、烘箱等，颗分试验器材按照ASTM(D422-63)规范［18］要求选择.

2 堆场疏浚泥颗粒分选规律

堆场疏浚泥颗粒的分选性主要体现在水平方向和垂直方向上，颗粒分选最终将导致堆场内淤泥土性的区域分布特性.

本文根据文献［19］中的颗分数据(见图2)分析颗粒分选规律及机理，以明确影响疏浚泥颗粒分选的主要因素.

图2 距吹填口不同距离3 个深度疏浚泥颗分曲线［19］

从图2可看出，随着距吹填口距离的增大，各深度(10，50，90 cm)的堆场疏浚泥颗分曲线逐渐左移，疏浚泥颗粒平均粒径逐渐减小.

从图2(a)可看出，堆场内距离吹填口15 m 处10 cm 深的疏浚泥颗分曲线位于最右侧，其颗粒平均粒径最大，黏粒含量最低约30%;而在距离吹填口203 m 处10 cm 深的疏浚泥颗分曲线位于最左侧，其颗粒平均粒径最小，黏粒含量最高达80%.从图2(b)可看出，堆场内距离吹填口15 m 和27 m处50 cm 深的疏浚泥颗分曲线几乎重合，位于最右侧，其颗粒平均粒径最大，黏粒含量最低约为35%;而距离吹填口203 m 处50 cm 深的疏浚泥颗分曲线位于最左侧，其颗粒平均粒径最小，黏粒含量最高约为75%.从图2(c)可看出，堆场内距离吹填口15 m 处90 cm 深的疏浚泥颗分曲线位于最右侧，其颗粒平均粒径最大，黏粒含量最低约为35%;而距离吹填口253 m 处90 cm 深的疏浚泥颗分曲线位于最左侧，其颗粒平均粒径最小，黏粒含量最高约为75%.

在泥沙运动力学与高含沙运动学［12-15］中，将粒径为10 μm 的颗粒作为形成絮凝的临界粒径，所以在对堆场内疏浚泥颗粒分选规律进行分析时，将疏浚泥颗粒按照粒径大小分为3 个粒组，即0～5μm(黏粒)、5～10 μm 和10～75 μm 三个粒组，分别绘制各粒组的颗粒含量沿程和深度变化关系曲线(见图3).为便于对深度方向的分选规律进行探讨，又绘制了图4.

图3 3 个深度的颗粒含量沿程变化关系

图4 3 个粒组的颗粒含量沿程变化关系

从图3可看出，在各深度(10，50，90 cm)，粒组0～5 μm 的颗粒含量随着距吹填口距离的增大而逐渐增大，在靠近吹填口附近最小，在退水口附近最大;粒组5～10 μm 的颗粒含量随着距吹填口距离增大基本保持不变;粒组10～75 μm 的颗粒含量随着距吹填口距离的增大而逐渐减小，在靠近吹填口附近最大，在退水口附近最小.随着距吹填口距离的增大，粒径小于5 μm 的黏粒含量增大，大于10 μm 的颗粒含量减小，充分体现了吹填过程中颗粒在水平方向的分选性.从图4可看出，在各深度，粒组0～5 μm 的颗粒含量沿程逐渐增大，在吹填口附近最小为30%左右，在退水口附近最大约为70%;粒组5～10 μm 的颗粒含量沿程保持在10%左右不变;而粒组10～75 μm 的颗粒含量沿程逐渐减小，在吹填口附近最大为60%左右，在退水口附近最小为10%左右，同时也可看出，距离吹填口不同位置的各断面，粒组0～5 μm 以及10～75 μm 的颗粒含量是沿深度方向变化的，而粒组5～10 μm 的颗粒含量沿深度方向基本保持不变.

从图3(a)可看出，在10 cm 深度，黏粒组0～5 μm的颗粒含量沿程逐渐增大，在吹填口附近最小约为35%，在退水口附近最大约为75%;粒组5～10 μm 的颗粒含量沿程保持在8%～12%不变;而粒组10～75 μm 的颗粒含量沿程逐渐减小，在吹填附近约为60%，在取样区末端约为6%.

从图3(b)可看出，在50 cm 深度，粒组0～5 μm的颗粒含量沿程逐渐增大，在靠近吹填口附近最小约为32%，在退水口附近最大约为68%.粒组5～10 μm 的颗粒含量沿程保持在8%～12%不变;而粒组10～75 μm 的颗粒含量沿程逐渐减小，在吹填口附近约为60%，在取样区末端约为10%.

从图3(c)可看出，在90 cm 深度，粒组0～5 μm的颗粒含量沿程逐渐增大，在靠近吹填口附近最小约为32%，在退水口附近最大约为68%.粒组0～10 μm 的颗粒含量沿程保持在8%～12%不变;而粒组10～75 μm 的颗粒含量沿程逐渐减小，在吹填附近约为55%，在取样区末端约为8%.

在距离吹填口约100 m 的堆场区段内，随着深度的增加，粒组0～5 μm 以及5～10 μm 的颗粒含量先减小后增大，呈现“两头大、中间小”的趋势;随着深度的增加，粒组10～75 μm 的颗粒含量先增大后减小，呈现“两头小、中间大”的趋势(见图5)，在深度方向显示出一定的分选性.在距离吹填口100 m 至退水口的堆场区段，随着深度的增大，粒组5～10 μm 和10～75 μm 的颗粒含量逐渐减小，而粒组0～5 μm 的颗粒含量则逐渐增大(见图6).随着深度的增加各粒组颗粒含量的变化，体现了疏浚颗粒在深度方向上具有一定的分选性，但分选规律不如水平方向明显.

图5 距吹填口100 m 内颗粒含量沿深度变化关系

图6 距吹填口100～253 m 颗粒含量沿深度变化关系

3 疏浚泥颗粒分选机理分析

堆场疏浚泥颗粒分选是指疏浚泥颗粒(单粒、絮团或集合体)在水动力作用下，按粒度、形状或密度的差别发生分别富集的现象.颗粒分选是颗粒在一定水力条件下运动、沉积的过程，与颗粒的尺寸、形状及组成、水动力条件、堆场地形及几何边界条件等有关，疏浚颗粒分选机理可以借鉴泥沙运动力学及高含沙水流运动理论进行分析.

河道中的淤泥经挖泥船耙头打碎绞吸混合后被泵送至堆场中形成疏浚泥流，它是由水和固相颗粒组成的，固相颗粒除了堆积在吹填口周围的大土块外，主要为中性悬浮质、悬移质、推移质3 种.中性悬浮质是较细部分的颗粒，这些颗粒与水相互作用，结合形成一个类似均质的浆体，在运动过程中这些细颗粒与水不发生分离，由宾汉姆极限剪切力所支持，悬浮于水体中，颗粒与周围浆体在流向和垂直方向上均不发生相对运动;悬移质由紊动漩涡所挟带，在流动方向上与泥浆等速运动，但是在运动过程中与其周围浆体在垂直方向上存在相对运动;推移质是指在疏浚泥流流动过程中以跳跃、流动、滑坡或在底部成层移动的颗粒.

根据两相流理论［16-17］，可认为疏浚泥流为两相流，其中，由粒径d≤dmax(dmax为中性悬浮质最大粒径或分界粒径)的中性悬浮质颗粒与水组成液相，而d ＞dmax的悬移质和推移质颗粒为固相.如图7所示，在流动的过程中，中性悬浮质颗粒与液相无相对运动，故不会发生分选沉降，一直被泥流挟带至退水口附近停积;悬移质颗粒与液相在垂直方向存在相对运动，故在随泥流运动过程中会发生分选沉降;而推移质颗粒主要在已沉积的淤泥表面整体成层移动，颗粒不发生分选.分析时可认为在疏浚泥流动过程中参与分选的主要是悬移质颗粒，如图7所示，1，2，3 为悬移质中粒径不同(从大到小)的3 个颗粒，3 个颗粒在流动方向与液相保持相同的速度运动，在垂直方向3 个颗粒在下沉的过程中均受到重力和液相阻力的作用，在开始时颗粒的沉速较小，颗粒受到的重力大于液相阻力，颗粒加速下沉;随着颗粒的沉速逐渐增大，颗粒所承受的液相阻力不断增大，当阻力增大到和重力相等之后，颗粒便等速下沉.3 个颗粒所受的液相阻力相差不大，而颗粒1，2，3 所受的重力是由大到小的，从而颗粒1 最先下沉至沉积层，随水流运动的距离最小，在距吹填口较近的位置停积;颗粒3 最后下沉至沉积层，随水流运动的距离最大，在吹填口较远的位置停积;而颗粒2 最后停积的位置位于颗粒1 和颗粒3 之间，故在水平方向显示出较为明显的分选性.

图7 水平分选示意图

为对深度方向分选机理进行分析，根据水平方向的分析结果将堆场取样区分为Ⅰ区和Ⅱ区(见图8)，当疏浚泥流进入堆场时Ⅰ区以粒径较大的粗颗粒居多，粗颗粒(包括单颗粒和团粒)以离散沉降为主，故在深度方向上具有一定的分选性;而疏浚泥颗粒经过Ⅰ区的分选沉降除去粗颗粒后，Ⅱ区主要分布粒径较小的细颗粒以及液相中挟带的中性悬浮质颗粒，这些颗粒具有较大的黏性，使Ⅱ区的疏浚泥流呈非牛顿体，细颗粒易形成絮凝团和絮凝网状结构，阻碍了沉降，故在深度方向分选性较差或无分选性.

图8 垂直分选示意图

4 结论

1)堆场疏浚泥颗粒分选主要体现在水平方向和深度方向.在水平方向上，随着距吹填口距离的增大颗粒粒径逐渐减小，粒组0～5 μm 的颗粒含量随着距吹填口距离的增大而增大，粒组5～10 μm的颗粒含量随着距吹填口距离的增大基本保持不变;粒组10～75 μm 的颗粒含量随着距吹填口距离的增大而逐渐减小，水平方向疏浚泥颗粒的分选性较为明显.

2)在深度方向上，在靠近吹填口的堆场前段，粒组0～5 μm 及5～10 μm 的颗粒含量随深度的增加先减小后增大，粒组10～75 μm 的颗粒含量随深度的增加先增大后减小，在此区段沿深度方向显示出了一定的分选性;在距离吹填口较远的堆场中、后段，深度方向分选性不明显且分选规律较差.

3)通过对吹填时疏浚泥颗粒运移及分选机理的探讨，明确了疏浚泥的初始条件、颗粒级配、尺寸以及水流条件等是影响堆场疏浚泥颗粒分选的主要因素.

References)

［1］Lee S L，Karunaratne G P，Yong K Y，et al.Layered clay-sand scheme of land reclamation ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1987，113(9):984-995.

［2］Cargill K W.Prediction of consolidation of very soft soil［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1984，110(6):775-795.

［3］朱伟，冯志超，张春雷，等.疏浚泥固化处理填海工程的现场试验研究［J］.中国港湾建设，2005(5):27-30.

Zhu Wei，Feng Zhichao，Zhang Chunlei，et al.Field experiment of dredged spoil solidified with cement for marine reclamation works ［J］.China Harbour Engineering，2005(5):27-30.(in Chinese)

［4］吉锋，张铁军，张帅，等.高含水量疏浚淤泥填料化处理土的干密度变化规律［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(4):840-843.

Ji Feng，Zhang Tiejun，Zhang Shuai，et al.Variation of dry density of high-water-content dredged clays treated with quick lime［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(4):840-843.(in Chinese)

［5］邓东升，张铁军，洪振舜，等.南水北调东线工程高含水量疏浚泥材料处理技术研究［J］.河海大学学报，2008，36(4):559-562.

Deng Dongsheng，Zhang Tiejun，Hong Zhenshun，et al.Technique for utilization of high-water-content dredged clayey soil as fill material for the eastern route of southto-north water diversion project ［J］.Journal of Hohai University，2008，36(4):559-562.(in Chinese)

［6］Zhu W，Zhang C，Chiu A C F.Soil-water transfer mechanism for solidified dredged materials［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2007，133(5):588-598.

［7］汪顺才，张春雷，黄英豪，等.堆场疏浚淤泥含水率分布规律调查研究［J］.岩土力学，2010，31(9):2823-2827.

Wang Shuncai，Zhang Chunlei，Huang Yinghao，et al.Study of diversification of water contents in dredged sediment storage yard ［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(9):2823-2827.(in Chinese)

［8］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Predicting and monitoring dredged material movement，technical report DS-78-3［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［9］U.S.Army Corps of Engineers.EM 1110-2-5027 confined disposal of dredged material ［S］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1987.

［10］U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.Prediction and control of dredged material dispersion around dredging and open-water pipeline disposal operations，technical report DS-78-13 ［R］.Washington DC:U.S.Army Corps of Engineers，1978.

［11］Montgomery R L，Thachston E L，Parker F L.Dredged material sedimentation basin design ［J］.Journal of Environmental Engineering，1983，109(2):466-484.

［12］张瑞瑾，谢鉴衡，陈文彪.河流动力学［M］.武汉:武汉大学出版社，2007.

［13］钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京:科学出版社，2003.

［14］钱宁.高含沙水流运动［M］.北京:清华大学出版社，1989.

［15］王明甫.高含沙水流与泥石流［M］.北京:水利水电出版社，1995.

［16］倪晋仁，王广谦.固液两相流基本理论以及最新应用［M］.北京:科学出版社，1991.

［17］Wang Guangqian，Ni Jinren.Kinetic theory for particle concentration distribution in two-phase flow ［J］.Journal of Engineering Mechanics，1990，116(12):2738-2748.

［18］International Association for Testing Materials.D442-63 standard test method for particle-size analysis of soils［S］.West Conshohocken:Barr Harbor Drive，2002.

［19］徐桂中，杨瑞敏，丁建文，等.高含水率疏浚泥堆场颗粒分选规律现场试验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(3):634-638

Xu Guizhong，Yang Ruimin，Ding Jianwen，et al.Field experiment on grain sorting behaviors in reclaimed land of dredged slurries with high water content［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2013，43(3):634-638.(in Chinese)