CN104790377B - 高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法，尤其是一种高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法，属于水利、航道工程技术领域。本发明的装置包括表面设有充泥口的双层结构充泥管袋，所述充泥管袋内部安置至少两块并联的排水板，所述排水板的两端均设有连接头，所述每端的连接头经管道并联，所述管道的一端封闭、另一端伸出充泥管袋与真空装置连接。其优点是：将传统充泥管袋技术和真空固结技术进行创新性地优化融合，突破单一技术的局限性，解决高黏粒含量河湖疏浚底泥排水固结缓慢的问题，缩短施工工期，提高施工效率，强化固结排水效果，提升尾水排放水平，经济环境效益显著，市场应用前景广阔。

Description

高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法

技术领域

本发明涉及一种河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法，尤其是一种高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法，属于水利、航道工程技术领域。

背景技术

我国河湖水体污染严重，每年需要进行大规模的河湖底泥清淤，不可避免产生大量的河湖疏浚底泥需要处理。根据《太湖流域水环境综合治理总体方案》(2008年)，仅东太湖综合整治工程需要疏浚底泥高达1800万m3，另外江苏省太湖地区河网清淤的河道多达1000条、3574公里，清淤总量达到6000万m³。由此可见，在未来我国产生的河湖疏浚底泥十分可观，迫切需要有效的底泥处理技术作为支撑，为我国河湖生态整治提供技术保障，因而疏浚河湖底泥处置有着广阔的应用前景。充泥管袋排水技术是70年代在国外发展起来的一种疏浚泥处理技术，90年代逐渐在我国疏浚工程中应用，该技术的特点是，将疏浚底泥水力充填到具有滤水不滤土功能的土工管袋中，疏浚底泥在自身重力的作用下发生排水，水通过反滤土工布渗出管袋，疏浚底泥留在管袋中，管袋高度降低后再向管袋中继续充填疏浚底泥，再静置让其自重排水，这样反复多次充填，直至充填高度达到设计值。充泥管袋技术由于具有施工方便、能够充分利用当地疏浚底泥作为工程材料、节省工程费用等优点，该技术国内外的围海造地、围堤工程以及深水港航道治理工程中已有较为广泛的应用。但是该技术的应用有其一定的局限性，目前只能处理含砂量较大的疏浚底泥，对于黏粒含量高、渗透性差的疏浚底泥，黏粒粒径(小于0.002mm)远远小于传统充泥管袋的有效孔径，传统充泥管袋保土性能差，细颗粒流失严重，排出的尾水难以达到工程处理要求和环境排放要求；同时，黏粒含量高、渗透性差造成采用传统充泥管袋处理疏浚底泥的固结速度慢、处理效率低、处理效果差等。故对于黏粒含量高、渗透性差的疏浚底泥，传统充泥管袋排水技术已经不再适用。

经对现有的技术文献检索发现，为了利用疏浚淤泥填筑堤坝，中交上海航道勘察设计研究院有限充公司提出了《充填泥袋结合真空预压填筑堤坝的方法》(申请号：201210008852.6)，该方法通过在地表和管袋之间设置排水层，在管袋完成淤泥充填后，在管袋上覆盖密封膜，再利用真空抽水加速管袋淤泥固结。应该指出，在地表或管袋之间设置排水层再利用真空抽水，并没有改变影响管袋淤泥排水速率的关键条件——缩短排水距离(根据土力学太沙基原理，土体的排水速率和排水距离的平方成反比，即若排水距离缩短一半，排水速率可以提高4倍)，淤泥中的水分仍然需要从管袋内部向管袋表面排出，管袋内淤泥最大排水距离仍然为管道半径长度。该法本质上是在管袋自重荷载基础上，又在相同荷载作用方向增加了真空荷载的作用，通过大幅增加荷载的叠加作用实现快速排水，但是已有研究表明，对于黏粒含量高、渗透性差的疏浚泥，过大的荷载作用往往会带来淤堵问题(周源等.透气真空快速泥水分离技术室内模型试验研究[J],真空科学与技术学报,2010，30(2):215-220；邓东升等.低浓度疏浚淤泥透气真空泥水分离模型试验研究[J].岩土工程学报,2009,31(2):250-253；),因此，该方法在实际应用时会受到一定的局限，在遇到细颗粒含量高、渗透性差的疏浚泥时，容易因淤堵问题导致达不到预期的加固效果。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，将传统充泥管袋技术和真空固结技术进行创新性地优化融合，改变传统管袋的排水结构，大幅缩短管袋淤泥的排水距离，提出高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置及方法，解决高黏粒含量河湖疏浚底泥排水固结缓慢的问题，缩短施工工期，提高施工效率，强化固结排水效果，提升尾水排放水平。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，包括充泥管袋，所述充泥管袋为双层结构，其表面设有充泥口，其内部安置至少两个排水板，所述排水板表面包覆滤膜，所述滤膜的等效孔径O95≤0.01mm，渗透系数≥0.001cm/s，所述排水板的两端均设有连接头，所述每端的连接头经管道并联，所述管道的一端封闭、另一端伸出充泥管袋与真空装置连接。通过采用多层的充泥管袋替代传统的单层为主的滤布结构，以减少疏浚底泥细颗粒的流失，提升尾水排放水平，同时提高管袋的滤水性能；通过在管袋内部设置排水板，可以大幅度减少管袋内淤泥的排水距离，即管袋内淤泥可以通过管袋表面排水，也可以通过管袋内的排水板排水，管袋内淤泥最大排水距离缩短了一半，理论上排水速率可以提高4倍；同时真空排水方向和管袋表面排水方向相反，不会产生荷载叠加效应，导致淤堵的发生。利用真空排水***和管袋的共同排水作用，加速管袋内土体的固结排水，缩短施工工期，提高施工效率，强化固结排水效果。

其中，所述双层结构为外层是高强编织布，内层是短纤针刺土工布。外层高强编织布保证内层短纤针刺土工布空隙结构的稳定，纵向抗拉强度≥70kN/m，横向抗拉强度≥95kN/m，等效孔径O95≤0.5mm；内层短纤针刺土工布保土滤水，单位面积质量≥150g/m2，等效孔径O95≤0.005mm，垂直渗透系数≥0.001cm/s。所述管道另一端与真空装置之间设有阀门，该阀门用于预留连接真空装置。

排水板的设置并不局限于一种，可以是呈直线型横向均布于充泥管袋中，排水板的空间位置控制在距离充泥管袋下幅、位于设计充填高度的1/4-1/2处；也可以是呈波浪型横向均布于充泥管袋中，排水板的波峰和波谷与管袋顶部和底部的距离大于等于1/4个设计充填高度。此外，所述排水板设置间距≤1.0m且须保证排水板距离袋体大于等于0.5m。

本发明进一步提供高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结方法，包括以下步骤：

第一步、铺设充泥管袋，选择地势平坦，无锐利杂物的场地，在场地四周开设排水沟壑，先将充泥管袋卷曲摆放在场地中心区域，再将充泥管袋展开；

第二步、连接充泥设备，将充泥管袋的充泥口与输送底泥泥浆的泵送管道采用塑料软管连接，两端用管卡固定，在泵送管一端设置手动蝶阀，所述排水阀门连接真空装置；

第三步、充填管袋，将泥浆通过泵送管道输送进充泥管袋，当充泥管袋的高度达到设计充填高度时停止充填，扎紧充泥口；

第四步、真空抽水固结，停止填充后，当充泥管袋的高度下降，袋体表面滤水渗出速度缓慢至无滤水渗出时，开启真空装置进行排水固结。

该方法还包括第五步，再次填充固结，当第六步固结完成后，再重复第三步至第四步完成排水固结。

进一步地，所述充泥口间隔均布于袋体表面，所述充泥口直径与泵送管道相匹配。

所述第三步泵送管道的出口压力为0.2-0.3Mpa，防止袋体破裂，压力太低充填料易沉积，影响充填效果，压力太大易造成充填袋爆裂。

本发明在对传统充泥管袋技术进行改进的同时创新性的联合了真空排水固结技术，改变传统管袋的排水结构，大幅缩短管袋淤泥的排水距离，提出了高黏粒含量河湖疏浚底泥真空联合充泥管袋快速排水固结技术，克服了传统充泥管袋技术处理黏粒含量高、渗透性差的疏浚底泥保土性能差，细颗粒流失严重，排出的尾水难以达到工程处理要求和环境排放要求，处理效率低小、效果差等工程难题。该技术兼具传统充泥管袋排水技术和真空排水固结技术两者的优点，可发挥两套技术的排水功能，对于黏粒含量高、渗透性差的疏浚底泥，保土滤水性能好，可减少细颗粒流失，提高尾水的排放水平，有效降低尾水浊度，避免二次污染；又可提高施工效率、固结效果，缩短工期，高效环保，经济实用。

附图说明

图1是本发明的布设平面式真空排水***的充泥管袋的立体结构示意图。

图2是图1的主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是图2的侧视图。

图5是本发明的布设立体式真空排水***的充泥管袋的立体结构示意图。

图6是图5的主视图。

图7是图6的俯视图。

图8是图6的侧视图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的高黏粒含量河湖疏浚底泥真空联合充泥管袋快速排水固结技术在某河道环保疏浚及疏浚底泥处置工程上实施，该河道底泥黏粒含量约为15％，采用平面式排水***，如图1-图4所示，其结构包括表面设有充泥口1的充泥管袋8，充泥管袋8内部安置六块沿袋体长度方向并联的排水板2，排水板的表面包覆滤膜，滤膜的等效孔径O95≤0.005mm，渗透系数≥0.001cm/s，排水板2的两端均设有连接头3，每端的连接头3经管道(加筋软管)4并联，管道(加筋软管)4的一端封闭、另一端伸出充泥管袋8与外设的真空装置连接。排水板2呈直线型横向均布于充泥管袋8中，排水板的空间位置控制在距离充泥管袋8下幅、位于设计充填高度的1/4-1/2处。充泥管袋8为双层结构，外层是纵向抗拉强度≥70kN/m，横向抗拉强度≥95kN/m，等效孔径O95≤0.5mm的高强编织布5；内层是单位面积质量≥150g/m2，等效孔径O95≤0.005mm，垂直渗透系数≥0.001cm/s的短纤针刺土工布6。排水板2的间距≤1.0m，排水板2与袋体内层距离≥0.5m。管道(加筋软管)4另一端与真空装置之间设有阀门7。

具体实施步骤如下：

1)充泥管袋制作：充泥管袋采用高强编织布和短纤针刺土工布制成，土工布单位面积质量180g/m²。充泥管袋宽度5m，长度20m，管袋表面均匀设有2个充填管口，管口直径20cm，袖口长度40cm。将平面式真空排水***(见图1)预先布设于充泥管袋内，塑料排水板间距50cm，最外侧的塑料排水板距离充泥管袋侧边50cm，塑料排水板空间位置控制在距离充泥管袋下幅0.3m处(设计充填高度0.75m)，塑料排水板两头采用连接头、加筋软管并联起来，并预留连接到真空装置的连接头。

2)处置场地设计：平整用于放置充泥管袋区域，清除有可能损害充泥管袋的锐利杂物，场地四周开挖排水沟壑。

3)充泥管袋铺设：将充泥管袋卷摆放在设计铺设位置的中心区域，用人工拖拉展开。

4)管道连接：将充泥管口与输送底泥泥浆的泵送管道采用塑料软管连接，两端用管卡固定，泵送管一端设置1台手动蝶阀，用以控制充泥速率和流量。将平面式真空排水***(见图1)预留的连接头连接到射流泵。

5)管袋内充填

将底泥泥浆(初始含水率约580％，初始浓度约15％)通过泵送管道输送进充泥管袋，管路出口压力控制在0.2Mpa，达到设计充填高度0.75m时停止充填，扎紧充泥口，并开启另一条充泥管袋的充填口阀门进行切换充填。

6)真空排水固结

当充泥管袋高度下降不明显、表面基本没有滤水或者滤水缓慢时，开启射流泵，通过预先布设于充泥管袋内的平面式真空排水***(见图1)进行抽真空排水固结。

7)充泥管袋二次充填

当充泥管袋在抽真空排水固结作用下，充泥管袋高度下降不明显时，开始2次充填，如此循环施工，直至充泥管袋允许设计充填高度0.75m，饱满度控制在85％。

经过10-15天处置后，充泥管袋内底泥含水率降低至约50％，约为1倍液限含水率，处理效率高，处理效果理想。

实施例2

本实施例的高黏粒含量河湖疏浚底泥真空联合充泥管袋快速排水固结技术在某湖泊环保疏浚及疏浚底泥处置工程上实施，该湖泊底泥黏性含量约为30％，采用立体式排水***，如图5-图8所示，其结构包括表面设有充泥口1的充泥管袋8，充泥管袋8内部安置六块沿袋体长度方向并联的排水板2，排水板的表面包覆滤膜，滤膜的等效孔径O95≤0.005mm，渗透系数≥0.001cm/s，排水板2的两端均设有连接头3，每端的连接头3经管道(加筋软管)4并联，管道(加筋软管)4的一端封闭、另一端伸出充泥管袋8与外设的真空装置连接。排水板2呈波浪型横向均布于充泥管袋8中，排水板2的波峰和波谷与管袋顶部和底部的距离大于等于1/4个设计充填高度。充泥管袋8为双层结构，外层是纵向抗拉强度≥70kN/m，横向抗拉强度≥95kN/m，等效孔径O95≤0.5mm的高强编织布5；内层是单位面积质量≥150g/m2，等效孔径O95≤0.005mm，垂直渗透系数≥0.001cm/s的短纤针刺土工布6。排水板2的间距≤1.0m，排水板2与袋体内层距离≥0.5m。管道(加筋软管)4另一端与真空装置之间设有阀门7。

具体实施步骤如下：

1)充泥管袋制作：充泥管袋采用高强编织布和短纤针刺土工布制成，土工布单位面积质量200g/m2。充泥管袋宽度8m，长度30m，管袋表面均匀设有3个充填管口，管口直径25cm，袖口长度40cm。将立体式真空排水***(见图2)预先布设于充泥管袋内，塑料排水板间距50cm，最外侧的塑料排水板距离充泥管袋侧边50cm，塑料排水板两端固定于充泥管袋下幅，直立高度为0.4m(设计充填高度1.20m)，塑料排水板两头采用连接头、加筋软管并联起来，并预留连接到真空装置的连接头。

2)处置场地设计：平整用于放置充泥管袋区域，清除有可能损害充泥管袋的锐利杂物，场地四周开挖排水沟壑。

3)充泥管袋铺设：将充泥管袋卷摆放在设计铺设位置的中心区域，用人工拖拉展开。

4)管道连接：将充泥管口与输送底泥泥浆的泵送管道采用塑料软管连接，两端用管卡固定，泵送管一端设置1台手动蝶阀，用以控制充泥速率和流量。将立体式真空排水***(见图2)预留的连接头连接到射流泵。

5)管袋内充填

将底泥泥浆(初始含水率约900％，初始浓度约10％)通过泵送管道输送进充泥管袋，管路出口压力控制在0.2Mpa，达到设计充填高度1.20m时停止充填，扎紧充泥口，并开启另一条充泥管袋的充填口阀门进行切换充填。

6)真空排水固结

当充泥管袋高度下降不明显、表面基本没有滤水或者滤水缓慢时，开启射流泵，通过预先布设于充泥管袋内的立体式真空排水***(见图2)进行抽真空排水固结。

7)充泥管袋二次充填

当充泥管袋在抽真空排水固结作用下，充泥管袋高度下降不明显时，开始2次充填，如此循环施工，直至充泥管袋允许设计充填高度1.20m，饱满度控制在80％。

经过15-20天处置后，充泥管袋内底泥含水率降低至约90％，约为1.2倍液限含水率，处理效率高，处理效果理想。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，包括表面设有充泥口的充泥管袋，其特征在于：所述充泥管袋内部安置至少两块沿袋体长度方向并联的排水板，所述排水板的表面包覆滤膜，所述滤膜的等效孔径O95≤0.01mm，渗透系数≥0.001cm/s，所述排水板的两端均设有连接头，每端的连接头经管道并联，所述管道的一端封闭、另一端伸出充泥管袋与真空装置连接。

2.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，其特征在于：所述充泥管袋为双层结构，外层是纵向抗拉强度≥70kN/m²，横向抗拉强度≥95kN/m²，等效孔径O95≤0.5mm的高强编织布；内层是单位面积质量≥150g/m²，等效孔径O95≤0.005mm，垂直渗透系数≥0.001cm/s的短纤针刺土工布。

3.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，其特征在于：所述排水板的间距≤1.0m，排水板与袋体内层距离≥0.5m。

4.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，其特征在于：所述管道另一端与真空装置之间设有阀门。

5.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，其特征在于：所述排水板呈直线型横向均布于充泥管袋中，排水板的空间位置控制在距离充泥管袋下幅、位于设计充填高度的1/4-1/2处。

6.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置，其特征在于：所述排水板呈波浪型横向均布于充泥管袋中，排水板的波峰和波谷与管袋顶部和底部的距离大于等于1/4个设计充填高度。

7.根据权利要求1所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置的固结方法，包括以下步骤：

第一步、铺设充泥管袋，选择地势平坦，无锐利杂物的场地，在场地四周开设排水沟壑，先将充泥管袋卷曲摆放在场地中心区域，再将充泥管袋展开；

第二步、连接充泥设备，将充泥管袋的充泥口与输送底泥泥浆的泵送管道采用塑料软管连接，两端用管卡固定，在泵送管一端设置手动蝶阀，所述排水阀门连接真空装置；

第三步、充填管袋，将泥浆通过泵送管道输送进充泥管袋，当充泥管袋的高度达到设计充填高度时停止充填，扎紧充泥口；

第四步、真空抽水固结，停止填充后，当充泥管袋的高度下降，袋体表面滤水渗出速度缓慢至无滤水渗出时，开启真空装置进行排水固结。

8.根据权利要求7所述所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置的固结方法，其特征在于：还包括第五步，再次填充固结，当第四步固结完成后，再重复第三步和第四步完成排水固结。

9.根据权利要求7所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置的固结方法，其特征在于：所述充泥口间隔均布于袋体表面，所述充泥口直径与泵送管道相匹配。

10.根据权利要求7所述高黏粒含量河湖疏浚底泥的快速排水固结装置的固结方法，其特征在于：所述第三步泵送管道的出口压力为0.2-0.3Mpa。