河湖清淤吹填土固结硬化及生态处治效果

唐彤芝，吴月龙，丛 建，彭 劼，姚雪军，张洪玮

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2. 南京瑞迪建设科技有限公司，江苏南京 210029； 3. 河海大学，江苏南京 210098； 4. 温州浙南地质工程有限公司，浙江温州 325006)

河湖清淤吹填土固结硬化及生态处治效果

唐彤芝1，吴月龙2，丛 建1，彭 劼3，姚雪军4，张洪玮2

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210029； 2. 南京瑞迪建设科技有限公司，江苏南京 210029； 3. 河海大学，江苏南京 210098； 4. 温州浙南地质工程有限公司，浙江温州 325006)

河湖清淤吹填土含水率高，流动性大，具有污染性。无砂真空排水预压法在固结硬化吹填土，提高其强度和承载力方面效果显著。受环形流道、落淤分选的影响，同一堆泥场内不同区域的地基沉降和超静孔压的变化存在一定差异性。无砂真空预压法具有较好的阻隔、过滤、吸附有机污染物等净化功能，经历堆置沉淀、负压抽吸、尾水沉淀和水生植物过滤吸附后排放的水体中有机质和总磷(TP)含量大幅减小，污染综合指数由0.8～1.0降到0.7，基本满足地表水Ⅲ类水质标准要求。固结后吹填土中的有机质、总氮、总磷含量大幅度降低，有机污染指数提高了1个等级。重金属含量符合土壤环境质量Ⅲ类标准，重金属的浸出毒性指标低，对地表水无污染，重金属污染程度的计算评价结果总体为轻微。

吹填土； 真空预压； 生态处治； 有机污染物； 重金属

采用水力强制绞吸、管道输送吹填方式对河湖、水库、港口航道等进行清淤疏浚，以提高河道、水库储水行洪能力、航道安全通行能力，改善河湖库区水质和生态环境，保障城乡供水安全，社会、环境效益十分显著。水体底泥沉积物的成分与性质很复杂，含水率高、强度低，含有污染性物质或元素，如有毒重金属(Hg，Cr，Pb，As等)、有机污染物(N，P等化合物)等。据统计，我国的江湖河库底泥污染率达80.1%。河湖清淤泥水通过管道输送到排泥场堆置，经自然晾晒或固化处理后形成具有一定强度和承载力的吹填土地基，可用作工农业开发建设[1-2]。现有研究对代表性大型湖泊、水库的底泥污染特征、种类、成因以及悬浮迁移累计规律特性、底泥与水体的相互作用、环保疏浚技术与工艺设备、污染性评价等开展了大量工作，取得了较丰富的成果[3-5]，对河湖生态治理工程建设具有重要指导意义。

为加快建设周期，常采用无砂真空排水预压法[6]对清淤吹填土进行固结硬化处理，该方法利用管道集排、负压抽吸，不添加任何固化剂，是纯物理形式、纯生态的地基处理方式。然而吹填土堆置经自然沉积后溢流排放的自由浮水，以及在负压排水固结处理过程中吹填土体排放出来的孔隙水，往往携带氮磷、水溶态或离子交换态的重金属和有机物等污染物，且污染物大多附着在微细颗粒上，悬浮难沉降。

本文结合太湖生态清淤工程对无砂真空预压法的固结硬化规律和效果进行了分析[7]，对硬化过程中排放的水体水质、硬化后地基土体内的重金属含量进行了测试，研究和评价了水质和土壤重金属的污染性和“减量化”去污效果。

1 工程概况与处治方案

1.1 工程概况

苏州市吴江区一水厂水源地生态清淤吹填土固化工程，需清淤约92万m3，绞吸吹填管道输送至两个排泥场自然静置落淤约1个月，排出表层浮水。排泥场位于庙港村，面积约为23万m2，吹填土堆置高度平均约为4 m。在太湖内的吹填取土区对太湖原水取样测试主要水质指标，结果为：pH值6.8；SS值(总悬浮固体)96.2 mg/L；TN(总氮),TP(总磷),TC(总碳)分别为：1.054, 0.129和21.64 mg/L。取距进泥口较远处的流动态“泥水混合物”，测试天然堆置状态下吹填土主要物理性质，见表1。清淤吹填土含水率超过100%，约为液限含水率的3倍，以粉粒和黏粒的细颗粒为主，粒径大于0.075 mm的粗颗粒含量仅占6.1%，塑性指数为21.9，为典型的超软高含水量细颗粒黏性土。

表1 天然堆置吹填土主要物理性质Tab.1 Physical indexes of filled mud before improvement

图1 排水固结法剖面Fig.1 Profile of drainage consolidation

1.2 排水固结硬化方案

采用浅层无砂真空预压技术进行固结硬化处理，“板-管一体化”施工和逐级加泵抽真空，处理后地基表面承载力特征值≥50 kPa，如图1所示。

1.3 生态处治方案

清淤底泥经管道吹填至排泥场后，采用“环形流道+闸式泄水+多级溢流+多级沉淀、水生植物过滤带”相结合的方式进行生态处治，平面布置见图2。

图2 工程平面布置Fig.2 Project layout

方案要点：①铲除堆泥场底部表层浮土，整平后碾压数遍密实。四周围堰采用黏粒含量高、渗透性低的黏土进行分层碾压堆筑而成，从而形成防渗层，吸附阻隔吹填土中的污染物质[8]。

②采用闸式泄水口，并将其设置在场内吹填死角，尽可能远离进泥口位置。通过闸门的开启提放，来控制排泄流量，改善泥浆沉淀效果，减小流失及提高堆泥场平整度等。③堆泥场内根据泄水口总体走向，设置由溢流堤和隔堤组成的环形流道，增加淤泥落淤行程，增强颗粒促淤分选效果。距进泥口由近到远，沉淀泥颗粒由粗到细，含泥量大大降低，有利于污染物的悬浮、漂流和排放。④闸式泄水口排放的尾水通过“沉淀池+水生植物过滤带+溢流堰”两级生态处置，实施沉淀、植物吸附过滤和物理阻隔等强化措施，进一步减少含氮、磷等污染物总量或浓度，以保障水质符合相关标准。

1.4 检测方案

设置真空度、表层沉降、孔隙水压力等现场观测项目，进行十字板剪切强度测试，取土样进行室内物理试验，研究河湖清淤吹填土的固结变形特性，评价检验地基固结硬化效果。取样测试吹填土处治过程中有机质、氮磷元素、重金属元素含量以及浸出毒性指标，研究污染物的迁移变化过程，分析处治过程中排放的水体是否达标、固结硬化后的土体环境质量等级，是否对周边环境产生二次污染等。

2 吹填土固结硬化处治效果测试分析

2.1 负压排水固结变形性状

图3～4给出了吹填土地基膜下真空度和泥面沉降的变化过程，从中可以分析河湖吹填土在负压排水固结联合生态处治过程中体现出的比较独特的性状规律。

图3 膜下真空度变化曲线Fig.3 Vacuum degree curves

图4 泥面累计沉降量变化曲线Fig.4 Surface settlement curves

考虑到吹填泥十分稀软，泥面浮水多，土颗粒呈悬浮态，流动性大，采用逐步加载法进行抽真空，水、土、气在由小到大逐渐提高的负压抽吸作用下逐步移动、汇聚和排出，膜下真空度呈波动性上升。当水、土、气的移动、汇聚达到有序状态时，膜下真空度进入持续稳定阶段。逐步加载抽真空方式可有效减免水平管路和竖向排水体的淤堵，保障负压排水的长期通畅，较适合于清淤吹填土的固结处理。

从图4的沉降观测结果来看，环形流道的总体方向是：1区(累计沉降量403 mm)→2区(累计沉降量639 mm)→3区(累计沉降量794 mm)→6区(累计沉降量639 mm)→5区(累计沉降量728 mm)、9区(累计沉降量981 mm)、8区(累计沉降量875 mm)→4区(累计沉降量860 mm)→7区(累计沉降量891 mm)。越靠近进泥口颗粒越粗，越容易沉淀，沉降量较少且易稳定收敛；越远离进泥口，颗粒越细，越不易沉淀，沉降量较大，但收敛慢。不同分区沉降的差异性体现出环形流道具有延长泥浆流程、减缓流速、促进颗粒落淤分选的功能，可提高堆泥场充淤容量，有利于污染物悬浮排流。按变形计算吹填泥层的平均固结度均达到80%以上。

图5列出了位于环形流道两个不同区域的淤泥地基内超静孔压的变化过程，可以看出，浅层的负超静孔压较大，深层相对较少，符合一般规律。受环形流道对泥浆沉积和颗粒落选的影响，超静孔压的分布呈现出明显的区域特征。2区位于第1道溢流堤后方，靠近进泥口，粗颗粒容易沉淀且含量较多，4区位于纵向隔堤的后方，距进泥口较远，细颗粒含量增加。浅层1～2 m范围内2区的负超静孔压明显大于4区，随着深度增加，两个区域的深层超静孔压基本趋于一致。

图5 超静孔压变化曲线Fig.5 Pore pressure curves

2.2 吹填土固结硬化效果检验

为分析吹填土的固结硬化过程和效果，在抽真空不同阶段分别取样测试其主要物理性质指标，统计整理后见图6。

图6 不同阶段吹填土主要物理性质指标Fig.6 Histogram comparison of physical indexes of filled mud at different improvement time

持续抽真空约50 d，含水率从122.8%降低至43.87%，降幅高达78.9%，中后期的约40 d内，含水率降幅仅为2.4%，说明吹填土中的浮水、孔隙水主要在抽真空前中期排出，后期土体结构形成且日趋固结密实，排水较少。土体液塑限得到不同程度的提高，土体在可塑状态的含水量范围增大。液性指数由4.67降至0.7左右，吹填土由流泥态变为软塑。固结硬化以排水为主，黏粒含量变化不大，有利于水溶态污染物的排出。

3 水体排放生态处治效果测试分析

3.1 水质主要指标含量变化

取样取泥区太湖原水、堆泥场沉淀表层浮水、真空预压排出水、沉淀池余水测试水样的pH值、悬浮固体(SS)、总碳(TC)、总有机碳(TOC)、无机碳(IC)、总氮(TN)、总溶解氮(TDN)、硝态氮(NO3)、总磷(TP)、总溶解磷(TDP)等指标含量，见图7～8。

图7 水质指标含量柱状分布Fig.7 Histogram comparison of water quality indexes of filled mud in different phrase

图8 水质指标含量变化率曲线Fig.8 Rate curves of water quality indexes of filled mud at different improvement time

据图分析可知：水体的pH值变化很小，符合水质标准；经历绞吸、管道输送到堆泥场后，悬浮固体杂质增多，SS值迅速增大；负压固结硬化过程中泥面浮水、孔隙水通过具有过滤吸附功能的排水通道抽吸排出，悬浮固体杂质、粗颗粒被有效阻隔，SS值显著减小；总碳(TC)中无机碳(IC)占比例较大，碳元素通过机械绞吸溶解迁移到水体，总碳(TC)含量增加。经过处治后总有机碳(TOC)降幅较大，而无机碳(IC)增加较多。总有机碳(TOC)是表征湖泊水质中有机质含量的重要参数，表明处治过程中吹填土水中的有机质含量大幅度减少，部分分解转化为无机物，降低了水体的有机污染性；总氮(TN)和总溶解氮(TDN)含量增大，反映出氮元素在扰动、释放、再悬浮、迁移过程中逐渐富集。经过沉淀和水生植物过滤吸附后含量有所降低。硝态氮(NO3)含量一直在增加，说明硝态氮(NO3)不易沉淀、被芦苇类植物过滤吸附。按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准，排放的尾水中总氮(TN)含量略有超标(标准值1.0)，也略高于原水含量；原水中的总磷(TP)含量超标(标准值0.05 mg/L)，通过底泥绞吸、自重沉淀到负压固结排水，总磷(TP)逐渐减少，总溶解磷(TDP)逐渐增大，反映出磷元素的释放、再悬浮、迁移和溶解过程。经过沉淀和水生植物过滤吸附后两者含量均降低，总磷(TP)未超标准值，且远低于原水含量，对磷元素的生态处治效果明显。

可见，真空排水预压法的工艺和材料(排水通道、泥面编织布无纺布、密封膜、密封沟、真空负压等)能有效阻隔、过滤、吸附吹填土中的污染物质，具备一定的生态处治功能。

图9 污染指数变化Fig.9 Histogram comparison of pollution indexes of water quality

3.2 水质污染指数评价

水质污染指数法根据水质污染物组分浓度相对于其环境质量的标准值来判断水的质量状态，污染指数P的计算见文献[5]。依据2010年上海市环境状况公告将水体分为合格(P≤0.8)、基本合格(0.82.0)四类。按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水质标准(视为非湖、库的一般地表水)，关注水质的富营养化问题，选择参加评价的污染物为总氮(TN)和总磷(TP)，计算结果见图9。

“太湖原水样”经绞吸吹填、静置沉淀、固结硬化到“沉淀池余水样”，P值由0.8～1.0(处于“基本合格”状态)降低到0.7(处于“合格”状态)。总氮(TN)的分担率高于总磷(TP)。处治过程中TN的污染分担率由62%增加到84%，呈递增趋势，TP的污染分担率由38%降低到16%，呈递减趋势，可见处治过程和工艺措施对氮、磷元素产生不同作用。氮元素以溶解富集为主，污染程度逐渐加剧，磷元素以过滤吸附为主，污染程度逐渐降低。生态处治技术措施有效，但富营养化仍然是水体主要可能的污染趋势。

4 固结后土体生态处治效果测试分析

4.1 土体有机污染物含量与评价

取样测试处治前后土体中的有机质OM、总氮TN和总磷TP的含量见表2，绘制指标含量的变化曲线见图10，以分析有机污染物在处治过程中的迁移排出规律。

表2 硬化前后土体有机污染物含量Tab.2 Organic pollutants in soil mass before and after hardening

图10 土体有机污染物含量变化曲线Fig.10 Change curves of organic pollutants in soil mass

土样中有机质的含量远高于总氮、总磷，有机污染物以有机质为主。固结后3项指标均得到了较大幅度的降低，说明悬浮的有机污染物在负压抽吸作用下较易迁移排出，真空负压、水平与竖向交织的排水管道为底泥有机污染物的迁移排出提供了动力和途径。

两个区的有机质(OM)含量沿深度分布的规律明显不同，不同点位检测值的差异也较大。3区有机质含量沿深度递减，5区呈现“两头小，中间大”的形态，与吹填土硬化后强度分布“两头大、中间小”的规律相似，有机质含量越大，强度越低。泥浆先流经3区，经过纵向隔堤流往5区，测试结果反映出有机质主要吸附于土颗粒，随颗粒分选沉积而变化。流程越短，沉积快，土层沉积物多，有机质含量多。远离进泥口的区域，泥浆流动慢，细颗粒、悬浮物含量大，沉积慢，有机质容易随悬浮物排走，或负压作用下被抽吸往浅层迁移进入管道排出，总体表现出浅层有机质含量低，中下部含量高。总氮(TN)、总磷(TP)主要呈水溶态、离子态，容易随孔隙水被抽吸迁移排出，故两个区的总氮(TN)、总磷(TP)含量分布沿深度呈递减趋势，规律基本一致。

计算固结前土体的有机污染指数OI[9]约为0.484(Ⅲ级，尚清洁)，硬化后约为0.176(Ⅱ级，较清洁)，提高了1个等级，污染指数降低了63.6%。

4.2 土体重金属元素含量与浸出量

分别于处治过程中和硬化后取土样测试主要重金属含量，结果见图11。Zn的含量最高，其余依次是Cu，Ni，Cr，As，Pb，Cd，均符合《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)Ⅲ类标准。硬化前后重金属含量有增有减，规律性不明显，场地内不同区域重金属的重分布具有一定的差异性。硬化后5区的大部分重金属含量平均值高于3区(Cd除外)，说明重金属容易吸附于细颗粒并随之悬浮迁移。

图11 土体重金属元素含量分布Fig.11 Distribution diagram of heavy metals in soil mass

检测重金属的浸出量(mg/L)为：Ni(0.019～0.04，平均值0.025)，Cu(0.012～0.054，平均值0.021)，Zn最大(0.094～0.541，平均值0.274)，Pb(0.002～0.056，平均值0.017)，Cr(0.035～0.045，平均值0.041)，Cd(0～0.003，平均值0.001)，As(0.004～0.020，平均值0.010)。浸出毒性指标符合《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准。

4.3 土体重金属污染性分析评价

按照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)Ⅲ级标准，分别采用内梅罗指数法、地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法[10-13]对土体的重金属污染性进行计算，结果见表3。

表3 土体重金属污染性计算评价结果Tab.3 Calculation and assessment results of heavy metals pollution in soil mass

3种评价方法各有其侧重点和适用性，目前尚未有统一的规范标准。综合来看，3种方法对重金属污染性的评判级别基本一致，硬化后地基土中的重金属污染程度总体为轻微。

5 结 语

(1)河湖清淤疏浚工程的堆泥场中设置分层碾压黏土围堰、底部黏土封层压实、溢流堤、纵向隔堤、闸式泄水口等工程措施对于阻隔吹填土污染物扩散、减缓泥浆流速、延长流程、促进颗粒落淤分选和污染物沉淀是有效的。

(2)无砂真空预压法处理河湖清淤吹填土的固结硬化效果显著。受环形流道、颗粒落淤分选的影响，吹填土的固结沉降、超静孔压变化过程体现出明显的差异性特征。

(3)按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准，吹填土经过堆置沉淀、负压固结、尾水沉淀、水生植物吸附等处治过程，水质pH值变化小，符合标准。水中悬浮固态杂质和有机质含量大幅度减小。排放的尾水中总氮(TN)含量略有超标，总磷(TP)未超标准值，水质污染综合指数值由0.8～1.0降低到0.7，处于合格状态。

(4)固结后吹填土中的有机质、总氮、总磷含量降幅较大，有机污染指数提高了1个等级，有机污染程度降低了。按照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的Ⅲ类标准，主要重金属含量及浸出量均未超标，采用内梅罗指数法、地累积指数法和Hakanson潜在生态风险指数法3种方法对重金属的污染程度评价结果总体为轻微。

(5)在固结硬化清淤吹填土的同时，真空预压的工艺和材料为污染物的迁移排出提供了动力和途径，通过阻隔、过滤、吸附作用对水质产生净化，但对重金属的去除效果不明显。建议在河湖清淤吹填土的处治和资源化利用过程中发展真空排水固结联合电渗技术，以增强去除重金属污染的能力。

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Hardening of hydraulic fill dredged from rivers & lakes and its ecological treatment effect

TANG Tongzhi1， WU Yuelong2， CONG Jian1， PENG Jie3， YAO Xuejun4， ZHANG Hongwei2

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029，China； 2.NanjingR&DTechGroupCo.，Ltd.，Nanjing210029，China； 3.HohaiUniversity，Nanjing210098，China； 4.WenzhouZhenanGeologicalEngineeringCo.,Ltd.,Wenzhou325006，China)

The hydraulic fill dredged from rivers and lakes is generally characterized by high water content, large fluidity, and greater pollution. The sand-free vacuum preloading method has a remarkable effect in consolidating and hardening the hydraulic fill, and improving its strength and bearing capacity. Due to the influences of the annular channel and the sedimentation separation, there are some differences between the foundation settlement and the change of the excess pore water pressure in the different areas of the same mud pit. This method performs an important purification function in barrier, filtration and adsorption of the organic pollutants. After the stacking and precipitation, the negative pressure suction, the tailwater precipitation, the filtration and adsorption of the aquatic plant, the content of organic matter and total phosphorus (TP) are decreased significantly, and the pollution indexPis reduced from 0.8～1.0 to 0.7, which basically meets the requirements of the class Ⅲ water quality standard of the surface water. After consolidation, the content of organic matter, total nitrogen and total phosphorus in the soil had decreased greatly, and the organic pollution index OI is improved by one grade. The content of the heavy metal element in the soil meets the class Ⅲ environment quality standard for soils, and the leaching toxicity of the heavy metals is low, thus producing no pollution to the surface water. The calculation results show that the heavy metals pollution degree is slight.

hydraulic fill; vacuum preloading; ecology treatment; organic pollution; heavy metal

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.001

2016-02-18

国家自然科学基金资助项目(51578214)；水利部公益性行业科研专项资助项目(201201015)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重点资助项目(Y315016)

唐彤芝(1974—)，男，湖南东安人，教授级高级工程师，博士，主要从事软弱土处治与环境岩土工程技术研究。E-mail: tztang@nhri. cn

TU447

A

1009-640X(2017)02-0001-09

唐彤芝， 吴月龙， 丛建， 等. 河湖清淤吹填土固结硬化及生态处治效果[J]. 水利水运工程学报, 2017(2): 1-9. (TANG Tongzhi, WU Yuelong, CONG Jian, et al. Hardening of hydraulic fill dredged from rivers & lakes and its ecological treatment effect[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 1-9. (in Chinese))