淤泥固化-微地形构建在河湖治理工程中的应用

李世汩 陈文峰 王龙涛 罗伟

摘要： 受污染河湖淤泥大规模处理处置一直是河湖治理工程的重难点，近年来兴起的淤泥固化技术在规模化处理受污染淤泥中的工程应用是河湖治理工程关注焦点。根据固化淤泥重塑土的性质，淤泥固化-微地形构建技术将淤泥的改性固化与土地利用相结合，在符合土壤环境质量标准的前提下，使淤泥固化中拌和、闷料养护等环节与微地形构建协同，种植林木，增强了区域的水土保持与碳中和能力。提出了河湖淤泥大规模处理处置的新途径，相关指标可为今后同类工程提供参考。

关键词：淤泥固化;河湖治理;微地形构造;二次重塑

中图法分类号：X171.4 文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.006

文章編号：1006 - 0081（2021）10 - 0032 - 06

0 引 言

淤泥处理处置是河湖治理工程的重要环节，沉积于江河湖海及城镇沟渠底部的淤泥，是水体主要内源污染源[1]。淤泥固化处理通过向淤泥中加入适量的固化材料，改善淤泥理化性质和力学性能，将其转变成满足一定承载力与环境要求的土体，是淤泥资源化利用的有效方式。近年来，国内外学者对淤泥固化展开了一系列研究[2-4]。

将淤泥就近改性固化，使其符合土壤环境质量标准，就近堆筑微地形进行水土保持建设，可减少和避免清淤淤泥、固化淤泥转运，避免填埋场占用、降低工程造价，并能增加沿河固碳绿化林木，助力碳中和，将产生良好的经济效益和环境效益，是解决淤泥污染与处理处置问题的新途径[5-6]。本文介绍了淤泥改性固化与微地形构造技术在河道综合治理工程中的应用与研究，探讨了相关处置标准的适用性，工艺优化与技术指标的选择，分析了该技术的工程效益与环境效益。

1 淤泥固化-微地形构建技术

淤泥固化过程中，在早期养生阶段的24～72 h，淤泥含水率已明显下降，淤泥黏聚力、内摩擦角以及液塑限开始降低，可塑性显著提高，并能满足部分履带式机械承载力要求。重塑的淤泥虽然强度略有折减，但对最终的强度影响有限[7-9]。桂跃等[10]对固化淤泥重塑土的研究表明，重塑前养护龄期、重塑后养护龄期、水泥掺灰比对固化淤泥重塑土的强度有显著影响。重塑前的养护龄期越长，破碎过程带来的强度折减越大;水泥掺灰比越大、强度折减越大[11-12]。基于此阶段固化淤泥的特性，在养生早期进行合理的摊铺、碾压和重塑堆筑，形成了淤泥固化-微地形构建技术。

2 室内淤泥固化试验

为解决场地受限条件下的荆门竹皮河河道综合治理工程的大量污染淤泥的处理处置问题，开展了淤泥固化-微地形构建技术在该工程的应用研究。取河道淤泥最集中的K6+000处附近淤泥进行了基本性质检测，按照GB/T 50123-1999 《土工试验方法标准》进行固化室内试验。主要试验包括：固化药剂对照试验、无侧限抗压强度试验以及不同龄期、掺量的对比试验等，固化药剂采用了HAS淤泥改性剂、32.5矿渣水泥两种典型药剂，以确定淤泥药剂的类别和掺量。固化淤泥重塑试验工况设定见表1。

检测结果显示，所取淤泥天然含水率61%，液限塑限分别为54.9%，28.2%，淤泥比重为16.9 kN/m3，有机质含量6.5%。淤泥抗压强度15.3 kPa，黏聚力2 kPa，内摩擦角6°。针对该淤泥特性，根据前期经验与调研，分别选取6%，8%两个掺量，按表1所示工况进行试验，搅拌方式均采用UJZ-15砂浆搅拌机机械搅拌，自然堆积和养护。如表2所示，搅拌后3～7 d，HAS淤泥改性剂处理的淤泥含水率下降相对略快，28 d时，两种材料处理的淤泥含水率接近。

淤泥经两种材料改性固化后的强度整体均呈增长趋势，3 d前后固化淤泥已有一定强度，后续固化淤泥强度持续增长。水泥固化淤泥初期硬化速度、含水率减少速度及强度增长相比HAS淤泥改性剂略慢，HAS淤泥改性剂更有利于提高淤泥处理效率。从药剂掺量选择上，掺量从6%增加到8%，强度平均增长显著，含水率平均下降2%～3%，固化淤泥重塑强度明显提高（表3）。

选择合适的时间重塑固化后的淤泥对于指导现场施工有重要意义。自然堆积条件下，强度增长太小无法填筑，太大则黏聚在一起的土壤颗粒被破坏，颗粒间黏结力大大削弱，重塑后固化淤泥土的物理与力学性能难以恢复到破碎前的程度，也不利于强度后续增长。综合考虑相关因素后，现场应以8%的掺量进行固化处理，3～7 d后固化淤泥即可进行重塑填筑，具体施工则应根据淤泥含水状态调整重塑时间。

为验证固化淤泥进行微地形堆筑可行性，对固化淤泥进行了相关土工指标检测，检测结果见表4。工程施工前进行固化淤泥的肥力指标检测及盆栽试验发现，固化淤泥无明显的抑制性，试种小叶女贞可正常生长。肥力指标检测表明，下游河道固化淤泥含盐量1.3 mS/cm，阳离子交换量为12.9 cmol/kg，水解性氮、有效磷及速效钾含量分别为90.4，96.7 mg/kg和114 mg/kg，可用于园林绿化。

3 工程应用

3.1 清淤范围

荆门竹皮河河道治理前为黑臭河道，沿岸大部分截污管道为合流制管道，汛期大量污水随雨水排入河道，形成了严重的溢流污染，导致河水水质处于劣Ⅴ类状态[13-14]。河道下游的K4+500～K6+200段，地势开阔，河道曲折，水流速变缓，大量的石油类、硫化物、重金属等在此段淤积[15-16]。

工程实施前，在河道治理范围选择了7个典型点位对淤泥进行监测，以确定河道清淤工程实施范围。表5结果表明，该河道淤泥氮、磷污染较严重，累积指数法的评价结果显示，大部分河道底泥属于污染状态。

采用MIKE11模型进行水动力与水质耦合模拟，预测控源截污工程实施后的水质达标情况，发现简单的控源截污仍无法确保水质达到地表Ⅳ类水标准的考核要求，需实施清淤工程以清除内源污染。考虑河道行洪能力要求和水体生态安全，河道治理范围内全部的淤泥需进行彻底清淤，清淤平均深度为0.5～1.2 m。

工程采用HAS淤泥改性剂对淤泥进行固化处理，并在拟建的河道下游两处公园内构建微地形消纳固化淤泥。工程所采用的HAS淤泥改性剂是以具有潜在活性的矿物材料为主要原材料，加入适量石膏和表面活性剂等改性剂材料磨细制成的，能显著改善淤泥理化性质，提高其脱水性能的功能材料[17-18]。

3.2 淤泥固化处置标准

河湖清淤工程淤泥处理处置未出台国家或行业国标。已发布的标准有团体标准T/CWEA 7-2019《河湖淤泥处理处置技术导则》，广东省地方标准《城市河湖环保清淤及底泥处理处置技术规程》正在征求意见。2018年8月1日，GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》和GB 36600-2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》开始实施。由于工程竣工验收时间在2019年后，故参照新土壤环境质量标准作为固化淤泥处置最终的标准。

3.3 微地形设计

根据工程地质资料，微地形构建区域的地基承载力大于100 kPa，渗透系数小于1×10-5  cm/s，该区域从上至下底质情况分别为：第一层，素填土层，厚度0.5 m;第二层，粉质黏土，厚度2.7 m;第三层，粉砂层，厚度0.9 m;第四层，高程59.27 m以下为中等风化泥质粉砂岩。

为确保微地形构建工程的稳定性，工程实施时基础采用土壤固化剂进行了强化处理，控制微地形高度不高于7 m，最陡部位边坡坡度不大于1∶5，远高于DB42/T 159-2012《基坑工程技术规程》及GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》自稳边坡控制要求。结合公园地形，建设集水渠和沉淀池，坡面导排的水通过集水渠进入沉淀池，经过池内植物的净化后，再排至河道。微地形的覆绿植物，优选了狗牙根、黑麦草、紫花苜蓿作为种植面积最大的地被植物，并适量种植树木及竹林（图1）。

3.4 淤泥固化

3.4.1 堆泥沥水

转运至集中处置区域的淤泥，依次填入堆泥沥水网格分区沥水，沥水时间约24 h。各网格分区中沥出的明水由围堰外侧排水沟收集，通过导流沟渠汇集至尾水沉淀池。在沉淀池中尾水投加PAM（聚丙烯酰胺），SS值降低至70 mg/L后排回河道。

3.4.2淤泥改性固化

對完成达到沥水时间的淤泥，使用反铲挖掘机，按照堆泥沥水顺序，将沥水后的淤泥转运至对应的固化区域，就地在固化区进行淤泥改性剂均匀布料与拌和。在集中固化场采取多台挖掘机多点固化的方式，分区域用挖掘机沿区域一侧或周边开始，逐步向另一侧推进，直至该区域全部拌和完成。改性药剂按7%～8%掺量进行固化药剂布料、拌和，顺序按淤泥沥水与固化转运先后，从一侧开始，逐步向另一侧推进。完成一个网格布料拌和操作后，依次进行下一网格淤泥转运与布料拌和。

将拌和的混合料静置堆放，进行24～48 h的初次闷料，使固化淤泥无侧限抗压强度达到60～80 kPa，以满足履带式推土机行走要求。同时，每批次的改性淤泥符合GB 36600-2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》（试行）后，进行二次闷料。

采用推土机将完成初级闷料的固化淤泥由外侧向内侧推进、转运至堆筑区，按水平层次从最低处开始进行摊铺作业、翻晒闷料。转运改性淤泥摊铺时保证整体略有坡度，便于闷料沥水。然后，按改性固化处理的网格顺序，依次进行下一块网格区域改性固化土的二次摊铺，直至所有淤泥固化区域淤泥均完成处理。二次闷料的淤泥固化土无臭味、呈硬塑状，遇水不泥化。养护后的淤泥固化土符合表6要求，即达到最终的回填土要求，可以满足后续景观微地形堆筑的需求。淤泥固化-微地形构建工艺流程见图2。

3.4.3 质量控制

为确定固化淤泥用于堆筑景观山体是否符合环境管理要求及相关法律法规要求，对固化淤泥的重金属含量进行了检测。检测过程邀请了环境保护主管部门进行了见证，并对整体的施工方案组织了专家评审。因堆山造景地块属于郊野公园，土地类型属于GB 36600-2018《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》（试行）中第二类用地中的绿地及广场用地。对照相应限值，固化淤泥中重金属铜、铅、镉、铬（六价）、镍、汞及砷的浓度远低于管制值的要求，更低于筛选值要求，重金属的污染风险可以忽略。

3.5 微地形构建

固化淤泥满足上述标准后，固化淤泥闷料与土方填筑过程同步进行，分层摊铺，自下而上分层堆填。为确保压实度与二次闷料效果，每层的铺料厚度控制在30 cm左右。一层摊铺完成后，用推土机低速碾压4～5遍，使表面平实、均匀。经检测符合要求的二次闷料分区，采用挖掘机/推土机等履带式机械进行碾压，控制填土压实达到85%以上。

二次重塑后的固化淤泥养护、碾压后，进行人工细整，使地形自然、排水通畅。去除表面的大石块，垃圾等，进行表层种植土覆土，覆土厚度参照CJJ 82-2012《园林绿化工程施工及验收规范》相关要求，按0.5 m厚度控制。最后对填筑微地形复绿，先种植较大乔灌木品种，再播撒用作地被草种复绿。收集沥水的排水沟播撒草子改建为植草沟，尾水沉淀池改建后种植水生/湿生植物，收集净化雨水。2 a后，固化淤泥堆筑成的微地形无显著沉降，地表乔木、灌木及草本植物生长良好（图3）。

4 工程效果分析

采用淤泥改性固化技术处理淤泥，显著减少了淤泥体积，实现污染淤泥的稳定化、减量化和无害化。固化前后淤泥体积显著减小。釆用容重法计算淤泥固化前后体积变化值可知，相对原状淤泥，该段河道淤泥经改性固化后体积减少约50%，效果显著（表7）。

在城市渣土及固体废物填埋场越来越稀缺的背景下，资源化利用是解决底泥最终去向的合理途径。在采用淤泥改性固化-微地形构建技术处理淤泥过程中，淤泥平均运输距离不超过2 km，淤泥的就近固化及利用，避免了固化淤泥长距离外运。以弃置场地25 km的运距测算，就近构建微地形减少固化淤泥的运输费用超过20元/m3。

淤泥固化所采用的固化剂含有大量的粉煤灰、磷石膏等工业废渣，消纳工业固废的同时，避免了填埋场地的占用。淤泥处理处置中转运距离的缩短，减少了河湖治理工程渣土运输产生的碳排放，在中国提出碳达峰、碳中和的战略目标下，具有特殊的意义。经过统一规划，利用河道附近的未开发（废弃）地构建微地形种植林木，加强了河道沿岸水土保持与二氧化碳的吸收，增加了区域碳汇。

5 结 论

（1）淤泥固化与微地形构造技术将淤泥固化、养护、回填碾压与微地形构建的土方填筑工序进行工艺上的协同组合。该技术提高了处理场地的利用率与淤泥处理效率，解决了淤泥固化过程中淤泥转运与堆放问题，有助于提高淤泥固化效率，降低工程综合成本，进一步扩大了淤泥固化技术的工程应用范围。

（2）在河湖治理区域结合规划就近固化淤泥，构建微地形种植林木。在实现淤泥减量化的同时，避免了长距离外运-填埋模式造成的填埋场的占用，减少了工程成本。在完成河湖治理工程目标的基础上，优化了区域环境，增加了固碳乔木，有助于达成治理目标区域碳中和目标，为今后河湖治理工程淤泥处理处置提供了参考。

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（编辑：李 慧）

Application of silt solidification and micro-topography technology in  river and lake treatment project

LI Shimi1，2，3，4， CHEN Wenfeng1，2，3，4， WANG Longtao1，2，3，4， LUO Wei1，2，3，4

（1. CCCC Second Harbor Engineering Company Co. Ltd.， Wuhan 430040， China;   2. Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology， Wuhan 430040， China;   3. Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure， Wuhan 430040， China;  4. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre Co. Ltd.， Wuhan 430040， China）

Abstract：The large scale treatment and disposal of polluted river and lake silt has always been the key and difficult point of river and lake treatment project. The technology of silt solidification in large-scale treatment and disposal of polluted silt has become a hot issue concerned in recent years. According to the properties of the remolded soil from solidified silt， the technology of silt solidification and micro-topography combines the modification and solidification of silt with land use. On the premise of meeting the soil environmental quality standards， the silt solidification process such as mixing and curing were combined in the construction of micro-topography. Trees were planted to enhance the soil and water conservation and carbon neutrality capacity in the region. A new way of large-scale treatment and disposal of river and lake silt is put forward， and the relevant parameters can provide reference for similar projects in the future.

Key words：silt solidification;river and lake treatment ; micro-topography;remould