长江科学院院报

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2026 , Vol. 43 >Issue 5: 182 - 189

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250437

岩土工程

免滤膜秸秆排水体滤层渗透特性及孔隙特征研究

  • 卞夏 , 1 ,
  • 王澍凯 1 ,
  • 刘超 , 2 ,
  • 蒋澳 3 ,
  • 徐桂中 2, 4
展开
  • 1 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 南京 210098
  • 2 盐城工学院 土木工程学院, 江苏 盐城 221051
  • 3 东华理工大学 土木与建筑工程学院, 南昌 330013
  • 4 盐城工业职业技术学院 建筑工程学院, 江苏 盐城 224005
刘 超(1992-),男,江苏盐城人,讲师,博士,主要从事环境岩土工程方面的研究。E-mail:

卞 夏(1988-),男,安徽宣城人,教授,博士,主要从事特殊土力学及理论方面的研究。E-mail:

Copy editor: 陈敏

收稿日期: 2025-05-15

  修回日期: 2025-06-18

  录用日期: 2025-07-03

  网络出版日期: 2025-09-01

基金资助

国家自然科学基金项目(52478364)

收起

Permeability and Pore Characteristics of Filter Layer in Non-filter Membrane Straw Drainage Bodies

  • BIAN Xia , 1 ,
  • WANG Shu-kai 1 ,
  • LIU Chao , 2 ,
  • JIANG Ao 3 ,
  • XU Gui-zhong 2, 4
Expand
  • 1 Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • 2 School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 221051, China
  • 3 School of Civil and Architecture Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
  • 4 School of Architectural Engineering, Yancheng Polytechnic College, Yancheng 224005, China

Received date: 2025-05-15

  Revised date: 2025-06-18

  Accepted date: 2025-07-03

  Online published: 2025-09-01

Fold

摘要

在真空预压处理疏浚淤泥时,免滤膜秸秆排水体(NSD)具有无需滤膜和防淤堵的优势,应用前景良好。然而,目前秸秆滤层的渗透特性及其孔隙特征尚不清楚,影响了其推广运用。通过室内渗透试验,探究了免滤膜秸秆排水体滤层的渗透系数随真空预压时间、滤层厚度及疏浚淤泥初始含水率变化的规律,并结合CT扫描进一步探讨了不同处理条件下,免滤膜秸秆排水体孔隙结构演化对其渗透特性的影响。结果表明:①初始NSD内部存在纵横连通的缝隙排水通道,这些通道通过连接孔隙构成连续的渗流网络,使NSD具有优越的渗透性能。其中空隙占NSD总体积的31.42%,缝隙结构体积是孔隙结构体积的14倍。②秸秆滤层在渗透性能上优于传统土工织物滤膜。自反滤层-免滤膜秸秆排水体(NSD-Reverse,NSD-R)反滤体系的渗透系数随真空预压时间增长先快速下降后趋于稳定,在30 min后稳定在10-5 cm/s这一数量级,相较于滤膜过滤黏土的反滤体系渗透系数10-6 cm/s高一个数量级。滤层厚度的增加会导致反滤体系渗透系数减小,疏浚淤泥初始含水率较高的NSD-R反滤体系渗透系数较大。③真空预压时间增长使NSD-R反滤体系中的秸秆滤层空隙结构发生变化。随着真空预压时间的增长,NSD滤层空隙率迅速下降,厘米级缝隙结构占比明显减少,有效阻断细颗粒连续迁移,随后毫米级孔隙结构增多,既提升了保土性能,又确保了透水效率,从而实现了“保土-透水”功能的平衡。

关键词： 免滤膜秸秆排水体; 真空预压; 渗透特性; 疏浚淤泥; 自反滤层

本文引用格式

卞夏 , 王澍凯 , 刘超 , 蒋澳 , 徐桂中 . 免滤膜秸秆排水体滤层渗透特性及孔隙特征研究[J]. 长江科学院院报, 2026 , 43(5) : 182 -189 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250437

Abstract

[Objective] The non-filter membrane straw drainage body (NSD) offers significant advantages in vacuum preloading treatment of dredged sludge, such as eliminating the need for filter membranes and preventing clogging, making it a promising solution for practical applications. However, the permeability characteristics and pore structure of the straw filter layer are not yet well understood, which limits its widespread adoption. [Methods] Laboratory permeability tests were conducted to investigate the variation in the permeability coefficient of the non-filter membrane straw drainage body with vacuum preloading time, filter layer thickness, and the initial water content of the dredged sludge. CT scanning was also used to further explore the influence of pore structure evolution under different treatment conditions on the permeability characteristics. [Results] (1) Initially, the NSD contained vertically and horizontally interconnected fissure drainage channels, and these channels formed a continuous seepage network through the connection of pores, which endowed the NSD with superior permeability. The voids occupied 31.42% of the total volume of the NSD, and the volume of fissure structures was 14 times greater than that of the pore structures. (2) The permeability performance of the straw filter layer was superior to that of conventional geotextile filter membranes. The permeability coefficient of the NSD-Reverse (NSD-R) filtration system decreased rapidly and then stabilized with increasing vacuum preloading time, ultimately reaching a stable value on the order of 10-5 cm/s after 30 minutes, which was one order of magnitude higher than that of the reverse filtration system using geotextile filter membranes for clay (around 10-6 cm/s). An increase in the filter layer thickness led to a decrease in the permeability coefficient of the filtration system, while a higher initial water content of the dredged sludge corresponded to a larger permeability coefficient of the NSD-R filtration system. (3) As vacuum preloading time increased, the pore structure of the straw filter layer in the NSD-R filtration system evolved. With the increase in preloading time, the porosity of the NSD filter layer decreased rapidly, with the proportion of centimeter-scale fissure structures significantly reduced, effectively blocking the continuous migration of fine particles. Subsequently, the proportion of millimeter-scale pore structures increased, enhancing soil retention while ensuring water permeability, thereby achieving a balance between soil retention and water permeability. [Conclusion] These findings provide theoretical support for the engineering application of NSD in environmentally sustainable stabilization of dredged sludge.

Key words： non-filter membrane straw drainage body; vacuum preloading; permeability characteristics; dredged sludge; self-filtration layer

0 引言

我国河湖库整治及港口航道清淤工程每年产生数十亿立方米的疏浚淤泥,其具有含水率高、渗透性差、处于流态等特点[1-2]。这些疏浚淤泥大量弃置填埋,不仅占用土地资源,而且存在二次污染的风险[3]。随着生态文明建设发展,高含水率疏浚淤泥的资源化利用是大势所趋。
真空预压法通过预埋垂直排水板,结合砂垫层和密封膜形成负压排水系统,加速土体排水固结,广泛应用于处理高含水率疏浚淤泥[4-7]。然而,传统塑料排水板在完成排水功能后难降解,长期残留形成微塑料污染源,严重影响场地的生态效应[8]。对此,有学者提出采用可降解环保型秸秆排水体替代传统塑料排水板——通过秸秆编织形成镂空结构,外覆滤膜构成复合排水通道[9-10]。该方案不仅可避免塑料污染,而且秸秆降解后释放的有机质还能改良土壤结构,促进植被生长[11]。同时秸秆排水体具有不弱于传统塑料排水板的排水能力,例如,Liu等[9]对比秸秆排水体和塑料排水板处理疏浚淤泥的效果,验证了秸秆排水体的可行性。Yu等[12]采用棉秸秆排水体处理疏浚淤泥,实现含水率降低20%的显著脱水效果。然而,真空预压过程中细颗粒向排水体迁移引发的滤膜淤堵问题仍待解决。武亚军等[13]、陈庚等[14]、徐锴等[15]指出,滤膜的孔隙结构不规则,孔径较小且内部纤维交织,导致细颗粒从黏土中向排水体迁移时难以穿过滤膜,进而易发生滤膜淤堵现象,显著降低滤膜的渗透系数,严重影响土体的排水和加固效果。对此,周蓉[16]提出的滤膜反滤机理是土体中部分细颗粒随着孔隙水被冲走,遗留下的粗颗粒自动形成一层反滤层,可减缓土颗粒的继续流失,滤膜主要起媒介的作用。为解决滤膜易淤堵及难降解所带来的工程与生态问题,本课题组徐桂中等[17]提出免滤膜秸秆排水体,通过秸秆滤层自带的孔隙结构促使自反滤层形成,模型试验显示免滤膜既可以提升排水效率防止淤堵,还能缓解传统滤膜材料难以降解所带来的环境负担。其结果表明免滤膜秸秆排水体处理疏浚淤泥后,出水量较塑料排水板提高了7.9%~22.1%,加固后的土体平均含水率较塑料排水体降低了6.8%~15.3%。
然而,目前针对免滤膜秸秆排水体中滤层的渗透特性与孔隙结构特征的研究尚不充分。因此,本文系统研究了免滤膜秸秆排水体滤层的渗透系数随真空预压时间、滤层厚度及疏浚淤泥初始含水率变化的规律,并进一步探讨了不同处理条件下,免滤膜秸秆排水体孔隙结构演化对其渗透特性的影响。本研究为免滤膜秸秆排水体在高含水率疏浚淤泥真空预压处理中的绿色应用提供理论支撑与技术参考。

1 试验材料和方案设计

1.1 试样制备及试验装置

试验所用的疏浚淤泥取自浙江省台州市某淤泥堆场。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[18]测定淤泥的基本物理性质,如表1所示。土体的液限和塑限通过液塑限联合测定仪测试,土体的相对密度由比重瓶法测试,土体的颗粒粒径级配由筛析法结合密度计法测定。
表1 疏浚淤泥的基本物理性质

Table 1 Basic physical properties of dredged sludge

液限/
%		 塑限/
%		 塑性
指数		 相对
密度		 不同粒径颗粒含量/%
黏粒
(<0.005
mm)		 粉粒
[0.005~
0.075) mm		 砂粒
[0.075~
2] mm
44.0 20.4 23.6 2.70 23.6 73.4 3.0
免滤膜秸秆排水体(Non-filter-membrane Straw Drainage body, NSD),采用自制的秸秆绳编制机将稻秸秆编织成秸秆绳,随后将秸秆绳按螺旋式缠绕于硬质管外部,形成整体式滤层结构。在现场应用方面,秸秆排水体的外形尺寸与传统塑料排水板相当,便于与现有真空预压设备体系兼容。可通过小型打桩机或手持液压钻具实现快速插设,插设深度和密度控制方式与塑料排水板一致。图1展示了排水体实物演变的过程。为了重点研究外部螺旋式秸秆滤层的滤土和透水效果,不考虑内芯的影响,其内芯采用表面均匀布置透水孔的硬质管(长度70 cm),材质为聚氯乙烯(PVC)高分子材料。外部包裹的秸秆层由麦秸秆通过自制编织机加工成秸秆绳,以螺旋方式均匀缠绕在硬质管外,两端各留5 cm用于渗透试验时的安装。
图1 排水体实物

Fig.1 Photo of drainage body

在真空预压作用下,土颗粒会在秸秆滤层表面形成自反滤层。为研究秸秆滤层和自反滤层所构成的反滤体系的渗透系数与真空预压时间、滤层厚度、疏浚淤泥初始含水率的关系,制作自反滤层-免滤膜秸秆排水体(NSD-R,R指Reverse filtration,即反滤)时首先将2层或3层滤层的NSD竖向放置在模型罐内装有初始含水率为2倍液限(ωL)或2.5倍液限的疏浚淤泥中,然后通过真空泵施加真空压力,使疏浚淤泥在不同时间(2,5,10,20,30,60,120 min)的真空预压作用下,均匀附着在NSD外侧。最后用细钢丝刮去表面多余淤泥,最终在NSD表面形成厚度为2~5 mm的自反滤层。
图2(a)所示为常水头渗透试验装置,用于评估经过预压处理后的NSD-R反滤体系在不同工况下的渗透特性。渗透试验装置主要包括水箱、水管、渗透室、集水桶和NSD-R。水箱和集水桶均采用直径30 cm、高度30 cm的亚克力圆柱形桶体,在距桶口2.5 cm处设置上部出水口,用于保持恒定水头。渗透室长60 cm、宽20 cm、高27 cm,中间开直径为7 cm、长5 cm的圆柱体用于安装排水体,其中左侧用玻璃胶密封防止漏水,右侧留有螺纹开口用于放入排水体。渗透装置依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)常水头渗透试验装置制作。图2(b)是NSD的截面图,水流通过秸秆滤层进入硬质管后排出,其中A为平均过水面积,是秸秆滤层外层面积和内层面积的平均面积。试验时控制水温为20 ℃(标准温度无需水温修正),渗透系数k可按式(1)进行计算,即
$k=\frac{VL}{A\Delta ht}。$
式中:V为渗透水量;L为渗流路径,即NSD-R自反滤层厚度;A为平均过水面积;Δh为水头差;t为渗透时间。
图2 渗透试验装置及NSD截面

Fig.2 Schematic diagram of permeability test device and cross-sectional view of NSD

本试验渗透时间每次为300 s,渗流路径为秸秆滤层厚度,即1.7 cm和2.5 cm,平均过水面积为1 111.56 cm2和1 413 cm2。
为研究不同处理条件下NSD孔隙结构演化对其渗透特性的影响,本研究采用CT扫描检测其微观孔隙结构演化规律。CT检测由上海恩迪检测控制技术有限公司完成。本研究使用高分辨率300 kV微米管工业CT检测系统(德国diondo d2型号),并通过相关软件对CT扫描数据进行三维可视化与分析。

1.2 试验方案

渗透试验主要针对3种类型的NSD进行,试验方案如表2所示。
表2 试验方案

Table 2 Test schemes

工况 NSD类型 疏浚淤泥初始
含水率/%		 真空预压时间/min
1 3层滤层 110 2,5,10,20,30,60,120
2 3层滤层 88 2,5,10,20,30,60,120
3 2层滤层 110 2,5,10,20,30,60,120
试验时,先将NSD-R安装于渗透室内,再将装好NSD-R的渗透室与水箱和集水桶端口连通,打开供水系统缓慢加满水,防止破坏排水体外层的自反滤层,期间打开排气阀,排除渗透室上部的空气,直至渗透室充满水,有水从排气阀溢出且无气泡后关闭排气阀。通过调节水箱高度及集水桶高度,形成内外稳定的水头差(60、40、20、10 cm)。水流先通过秸秆滤层后,通过硬质管流出。每组水头差下测量5组数据,取5组数据平均值为该水力坡度下的渗透速度,得到如图3所示的渗透速度与水力坡降的关系图(取不同工况下的每种3组数据作为代表)。
图3 渗透速度与水力坡降关系

注:虚线为对应工况的拟合线。

Fig.3 Relationship between seepage velocity and hydraulic gradient

在未设置土体自反滤层的情况下,免滤膜秸秆排水体在较大水力坡降下难以维持稳定的水头。在低水力坡降(i=0.8、1.6、3.2)条件下,其渗透速度分别为0.042、0.211、2.638 mm/s,变幅显著,且与水力坡降不呈线性关系,因此不符合达西定律。为了验证NSD-R反滤体系的渗透特性是否符合达西定律,通过对图3中渗透速度与水力坡降进行线性拟合,如图3中虚线所示,发现渗透速度与水力坡降之间呈现出良好的线性关系。且将拟合直线进行延长后可发现,所有拟合直线均经过原点,表明渗透水流经NSD-R后的渗透速度与水力坡降的一次方成正比,即不同水力坡降下的渗透系数稳定,且不存在起始水力坡降。所以本次自制渗透试验符合达西定律,因此渗透速度和水力坡降的比值即为渗透系数,可以通过式(1)进行计算。

1.3 CT扫描

根据X-CT试验要求,将免滤膜秸秆排水体在环氧树脂充分浸泡并胶凝后,切割成高1.5 cm左右的试样。根据不同真空预压时间、滤层厚度、初始含水率,从排水体处截取如表3所示的5个样本用于CT扫描,分析不同条件下NSD的微观结构特性。
表3 CT扫描样本

Table 3 CT scan samples

样本编号 NSD类型 真空预压
时间/min		 疏浚淤泥初始
含水率/%
a 3层滤层 0
b 3层滤层 5 110
c 3层滤层 60 110
d 3层滤层 60 88
e 2层滤层 60 110
初始NSD的CT扫描结果见图4。在截面视图中,灰色代表秸秆,根据不同孔径大小,空隙被分为蓝色毫米级孔隙结构和红色厘米级的缝隙结构。本文中空隙定义为秸秆滤层中的整体空腔体积,包括厘米级缝隙和毫米级孔隙;缝隙指尺度较大的结构性缝道,孔隙为较小独立的孔腔。其中空隙占NSD总体积的31.42%。通过CT扫描图,可以清晰地观察到排水体内部的空隙结构、孔径分布以及内部连接通道的存在情况。从水平切片可以看到横向(垂直排水体方向)通道相对较宽,说明水流在此方向不会受到明显的阻力,提供了高效的排水路径。垂直切片中,这些纵向(平行排水体方向)通道连接横向的排水通道,有助于增强NSD结构内水流的均匀分布,避免水流在横向通道中集中流动,确保水能够通过多个方向流动,从而提高排水效率。这样的结构可以确保水流顺畅通过NSD,提供高效的排水性能。由于此为未真空预压处理的初始样,从空隙3D视图可以明显看出红色缝隙结构占比较多,体积是蓝色孔隙结构的14倍,几乎布满整个排水体,且颜色越深意味着等效孔径越大。
图4 免滤膜秸秆排水体CT扫描图

Fig.4 CT scan images of NSD

2 试验结果分析与讨论

2.1 NSD-R渗透系数与真空预压时间的关系分析

NSD-R的渗透系数与真空预压时间的关系如图5所示。从图5可以看出NSD-R的渗透系数随真空预压时间增加而不断减小,并最终趋于稳定。这与塑料排水板真空预压加固高含水率疏浚淤泥时变化规律相似,其原因是真空吸力导致部分细颗粒进入芯板并累积堵塞,影响通水能力;另一部分则滞留或吸附于滤膜,降低渗透性,减缓土中水渗流速度[19]。同理,使用NSD时,随着真空预压的进行,一些细颗粒在负压的作用下迁移,大部分颗粒会滞留在NSD内部,造成渗流的有效通道减少。加之秸秆排水体在加卸载过程中会发生显著的变形,属于弹塑性变形体[20],因此NSD滤层中空隙被压缩后减少,最终导致渗透系数衰减较快;中后期,随着NSD的渗透性降低,前期滞留的细颗粒增加NSD滤层的保土性,出现小部分细颗粒堵塞在NSD的表面形成自反滤层,导致NSD滤层的透水性进一步降低,此时渗透系数表现为缓慢衰减,渗透系数的变化直观反映了自反滤层的形成过程。
图5 NSD-R渗透系数与真空预压时间关系

Fig.5 Relationship between NSD-R permeability coefficient and vacuum preloading time

试验结果表明,NSD-R反滤体系的渗透系数在30 min后稳定在10-5 cm/s这一数量级,而过滤黏土的土工织物渗透系数一般稳定至10-6 cm/s数量级[21-22],因此NSD-R反滤体系的渗透系数相较于滤膜过滤黏土的反滤体系渗透系数提高一个数量级。并且测得NSD未真空预压时滤层为2层和3层时的渗透系数分别为7.28×10-2 cm/s和4.34×10-2 cm/s,土工织物一般为10-3 cm/s这一数量级[23],且本研究试验测得的滤布渗透系数为3.96×10-3 cm/s也在这一数量级,可以看出NSD本身的渗透性能非常强且也比土工织物高一个数量级。对比分析表明,秸秆滤层材料在渗透性能方面较传统土工织物具有显著优势,这主要归因于其特有的多级孔隙结构特征。
如图5所示,3层滤层的反滤体系渗透系数均低于2层滤层的渗透系数,表明滤层厚度的增加会导致反滤体系渗透系数减小。该现象的内在机理可参照土工织物领域关于滤层厚度与渗透性能的相关性研究进行阐释。在相关研究中,土工织物滤层厚度通常通过单位面积质量进行定量分析,研究发现单位面积质量越大,试样的厚度和密度也越大,因此其水头损失越大,相应的其渗透系数越小[24]。此外,有学者进一步分析发现,土工织物的单位面积质量越大,其内部淤堵的细粒土越多,进一步加剧了渗透系数的降低[25]。这些关于土工织物单位面积质量的研究结论与本研究结果高度一致,表明滤层厚度的增加对渗透性能的影响具有普遍性。
如图5所示,疏浚淤泥初始含水率为110%的NSD-R反滤体系渗透系数均大于初始含水率88%的渗透系数。根据先前研究发现,疏浚淤泥在高真空压力梯度下会向垂直塑料排水板进行整体运动而形成排水板周围的堵塞区[26]。因此,在高真空压力下疏浚淤泥整体向排水体挤压,而较低初始含水率下,土体的渗透系数更小,细颗粒不易通过秸秆滤层随渗流排出,从而导致NSD表面自反滤层的渗透性能更差。又因秸秆排水体具有可胀缩性[20],在大压力下内部排水通道减少,最终导致NSD-R反滤体系的渗透系数变小。

2.2 空隙特征演变规律分析

图6为CT扫描NSD-R空隙3D视图。从图6可看出不同真空预压时间的3层秸秆滤层样品a (未真空预压)、样品b (预压5 min)、样品c (预压60 min)三组在2.5倍wL(液限)下随真空预压时间增加其红色部分(即缝隙结构)不断减少,与渗透系数变化规律相符。这说明在真空预压的作用下秸秆滤层发生显著的变形且细颗粒不断随水流进入排水通道发生淤堵从而导致空隙结构变化。从样品b可看出预压初期(5 min)在排水体中间靠外侧部位红色部分减少,产生堵塞现象,形成一层反滤层阻挡土颗粒继续渗入,而排水体靠内侧部位仍存在一些缝隙结构。而随着真空预压时间的增加,样品c、样品d、样品e(预压60 min)孔隙结构增加、缝隙结构减少,孔隙结构与缝隙结构占比趋于稳定,即孔径分布趋于稳定,印证了上述免滤膜秸秆排水体渗透系数的变化规律,即前期迅速下降,随后下降趋势逐渐减缓并最终稳定。
图6 NSD-R空隙3D视图

Fig.6 Three-dimensional view of NSD-R pore space

图7展示了不同处理条件下NSD的CT扫描水平切面图,其中灰色区域代表秸秆滤层,白色区域为土颗粒。从图7可以观察到,秸秆滤层表面存在土颗粒聚集现象,且部分土颗粒进入滤层的排水通道,导致一定程度的淤堵。这一现象说明在真空预压作用下,NSD中的土体整体向排水体方向迁移,其中少量细颗粒渗入排水体内部,引发局部堵塞。细颗粒含量从滤层外部向内部逐渐减少,大部分土颗粒被留在表面的粗颗粒形成的自反滤层所阻挡。因此NSD-R反滤体系的渗透系数主要取决于滤层表面所聚集土体的渗透系数。
图7 不同处理条件下免滤膜秸秆排水体CT扫描水平切面图

Fig.7 Horizontal cross-sectional CT scan images of NSD under various treatment conditions

结合CT扫描空隙分析(表4),未真空预压时免滤膜秸秆排水体的空隙率达到31.4%,在2.5wL含水率疏浚淤泥下真空预压5 min后空隙率迅速降至17.3%,真空预压60 min后排水体空隙率为15.4%;在2wL含水率疏浚淤泥下真空预压60 min后排水体空隙率为14%。由此可见,免滤膜秸秆排水体在真空预压初期时空隙率迅速下降,随后逐渐稳定,并且不同疏浚淤泥初始含水率对其空隙率的影响逐渐减小。空隙率的变化规律也再次印证了免滤膜秸秆排水体渗透系数的变化规律。其中样品c空隙占比较样品d大,说明疏浚淤泥初始含水率越低淤堵情况越严重,空隙占比越小。
表4 CT扫描空隙分析

Table 4 CT scan void analysis

样本
编号		 工况 空隙体积/
mm3		 孔隙体积/
mm3		 缝隙体积/
mm3		 空隙占
比/%
a 3层-0 min 18 560.38 1 217.52 17 342.86 31.42
b 3层-5 min-2.5wL 10 798.22 973.62 9 824.60 17.34
c 3层-60 min-2.5wL 8 528.26 1 629.21 6 899.05 15.41
d 3层-60 min-2wL 7 886.95 1 889.76 5 997.19 14.03
e 2层-60 min-2.5wL 3 410.70 763.97 2646.73 11.90
空隙结构占比如图8所示,结合图8和表4的空隙结构分布特征分析得出,经60 min真空预压处理后的3层秸秆滤层样本(c、d组)孔隙结构明显增多,其毫米级孔隙体积分别达1 629.21、1 889.76 mm3,占孔隙总体积的19.1%和24.0%,较对照组b(5 min)提高33.8%和55.2%。其中较对照组b空隙体积下降54.1%和57.5%,缝隙结构占比从原来的93.4%下降至80.9%和76.0%。结合上述内容说明真空预压时间的增加促使NSD反滤体系发生空隙结构重组:厘米级缝隙结构占比减少有效阻断了细颗粒迁移的连续通道,从而提升保土性能;同时,毫米级孔隙结构的增多又确保了一定的透水效率。这种缝隙结构减少、孔隙结构增加的结构变化,揭示了NSD反滤体系在真空预压作用下通过空隙结构的改变,实现了“保土-透水”功能的平衡,为NSD联合真空预压处理疏浚淤泥提供了微观层面的理论依据。
图8 空隙结构占比

Fig.8 Pore structure proportions

3 结论

本研究通过渗透试验研究了真空预压时间、滤层厚度和疏浚淤泥初始含水率与NSD-R渗透特性的关系,并通过CT扫描进一步探讨了不同处理条件下NSD空隙结构演化对其渗透特性的影响。主要结论如下:
(1)初始NSD内部存在纵横连通的缝隙排水通道,这些通道通过连接孔隙构成连续的渗流网络,这种结构使NSD具有优越的渗透性能。其中空隙占NSD总体积的31.42%,缝隙结构体积是孔隙结构体积的14倍。
(2)秸秆滤层在渗透性能上优于传统土工织物滤膜。NSD-R反滤体系的渗透系数随真空预压时间增长先快速下降后趋于稳定,在30 min后稳定在10-5 cm/s这一数量级,相较于滤膜过滤黏土的反滤体系渗透系数10-6 cm/s高一个数量级。滤层厚度的增加会导致反滤体系渗透系数减小,疏浚淤泥初始含水率较高的NSD-R反滤体系渗透系数较大。
(3)真空预压时间增长使NSD-R反滤体系中的秸秆滤层空隙结构发生变化。随着真空预压时间的增长,NSD滤层空隙率迅速下降,厘米级缝隙结构占比明显减少,有效阻断细颗粒连续迁移,随后毫米级孔隙结构增多,既提升了保土性能,又确保了透水效率,从而实现了“保土-透水”功能的平衡。

参考文献

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