Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2024 , Vol. 41 >Issue 9: 114 - 122

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20230665

Rock-Soil Engineering

Indoor Model Test of Negative Pressure Drainage Method for Treatment of Engineering Mud

  • CHU Zhao-wei ,
  • YU Shi-jie ,
  • LI Xing-yang ,
  • LU Xing-yu ,
  • WANG Xu ,
  • LUO Rui ,
  • WANG Tian-long
Expand
  • Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China

Received date: 2023-06-15

  Revised date: 2023-08-31

  Online published: 2024-09-20

Fold

Abstract

Traditional methods for treating engineering slurry are usually time-consuming, energy-intensive, and costly. In contrast, the negative-pressure drainage method is environmental friendly, easy to operate and efficient. Indoor model test was conducted to assess the feasibility of the negative-pressure drainage method for treating engineering mud. The test was performed in a self-developed test chamber equipped with a negative pressure siphon device, with the siphon tube connected to a pressure gauge for real-time monitoring of the negative pressure. The results indicate that stable negative pressure drainage can be achieved using a drainage pipe with a 4 mm inner diameter. Furthermore, both the negative pressure and drainage efficiency are positively correlated with the height difference of the drainage. This method proves more effective for treating mud with small thicknesses but is less effective for thicker mud. Overall, the negative-pressure drainage method is efficient and does not require external power, making it suitable for practical applications.

Key words： treatment of engineering mud; negative-pressure drainage method; indoor model test; 4 mm tube diameter

Cite this article

CHU Zhao-wei , YU Shi-jie , LI Xing-yang , LU Xing-yu , WANG Xu , LUO Rui , WANG Tian-long . Indoor Model Test of Negative Pressure Drainage Method for Treatment of Engineering Mud[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(9) : 114 -122 . DOI: 10.11988/ckyyb.20230665

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

在我国港口工程、航运工程及水环境治理工程的施工中,每年会产生大量的工程泥浆[1]。据统计,我国目前每年产生的疏浚工程泥浆超过50多亿m3,且还有逐年增加的趋势[2]。这类工程泥浆中水的体积比可占70%~80%,固体颗粒的体积比占20%~30%。这种由大量细土颗粒组成的泥浆,流塑性高、强度极低,处于流动状态,采用自然沉淀进行泥水分离往往需要极长时间[3-4]。
目前,高含水率的工程泥浆往往采用槽罐车或者普通货车运送到郊外堆场进行自然干化或者填埋简单处置[5]。实际运输的工程泥浆含水率为80%左右,运输的条件不规范时泥浆往往会在运输过程中漏撒严重,污染道路,对城市形象造成负面影响。在当前大力推进新时代生态环境建设的形势下,武汉市、绍兴市、上海市、宁波市都出台了关于泥浆处置地方法规[6⇓⇓-9]。另外,大量疏浚泥浆用于吹填工程及公路工程中的填料也已经成为有效利用疏浚泥浆的一种手段[10]。但是,由于工程泥浆的含水率较高,无法在工程中直接使用。如何快速降低工程泥浆的含水率以对工程泥浆进行减量已经成为了工程建设和生态环境保护中需要迫切解决的难题。
从已有的研究资料发现,目前处理工程泥浆的方法主要是对泥浆采用泥水分离技术或者固化处理技术进行处理,降低其含水率,传统的方法包括自然沉淀法、化学固化法、化学絮凝剂固液分离法、离心分离法、机械压滤法等[11⇓⇓⇓-15]。这些方法耗时久、处理时间长、耗能较高、设备昂贵。我国提出了在2030年前力争碳达峰、努力争取2060年前实现碳中和的宏伟目标,探索经济有效、低碳节能的泥浆脱水技术仍有较大的现实意义。
负压排水[16]是一种利用虹吸作用使透水空腔内产生负压从而提高排水效率的新型排水方法,相比于传统的排水措施,其优点是原理比较简单、不需动力、可提高排水速率等[17⇓-19],但目前关于负压排水方法的理论和试验研究主要集中于边坡排水中[20-21],能否作用于含有大量细小土颗粒的工程泥浆还有待检验。因此,本文将设计负压排水法处理工程泥浆的试验,研究在不同排水管径、泥浆厚度和排水高差下的负压强度及泥浆脱水效果的对比,探究并验证负压排水法处理泥浆的可行性,为负压排水法处理工程泥浆的应用提供技术支持。

1 试验设计

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。试验箱材质为白色PP树脂,内尺寸为310 mm×420 mm×320 mm(长×宽×高)。箱底放置管径为10 mm、长为400 mm包裹土工织物的打孔PVC管作为透水管,土工织物可以利用自身足够小的孔隙,阻挡被保护土中骨架土颗粒的通行,用于隔离泥浆体并保证水可顺利渗流进入,从而模拟透水空腔[22]。透水管一侧引出一根PU管作为测压管连接电子数字显示真空表,实时测量透水空腔中形成的负压大小;另一侧引出一根PU管作为虹吸排水管连接溢水箱和集水箱组成的集水系统,共同控制扬程高度和排水高差在排水过程中保持恒定,利用电子秤实时记录排水量。透水管与测压管、虹吸排水管均用轧带和土工织物包裹紧密,以隔绝与泥浆中水气的联系,确保透水空腔中负压的产生和试验结果的准确性。由于水分的蒸发对试验影响较小,试验箱上方敞开无遮挡,更有利于模拟工程实际情况。土工织物选用透水性能较好的无纺土工织物,单位面积质量为400 g/m2。现场试验装置整体如图2(a)所示,透水空腔与负压虹吸管及测压表连接实物如图2(b)所示。
图1 试验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of the test device

图2 现场试验装置

Fig.2 Field test devices

1.2 试验材料

试验用工程泥浆由舟山金塘码头施工开挖基坑内的疏浚淤泥制得,泥浆配制前所需的土料详细参数,如天然含水率和相对密度等,严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[23]进行测定。配制时按一定土水体积比在搅拌泵中搅拌固定时间获得试验用泥浆,制得试验用泥浆物理性质如表1所示。泥浆的颗分曲线如图3所示,泥浆中粉粒[0.075]mm和黏粒(<0.005 mm)含量分别约为39%、42%。
表1 试验泥浆的物理性质

Table 1 Physical properties of the test mud

密度/
(g·cm-3)		 含水
率/%		 土粒
相对密度		 液限/
%		 塑限/
%		 粉粒含
量/%		 黏粒含
量/%
1.12 478 2.72 58.7 24.9 39 42
图3 颗粒级配累积曲线

Fig.3 Accumulation curve of particle gradation

1.3 泥浆脱水试验方案与步骤

1.3.1 试验方案

通过对比试验的形式探究负压排水法处理泥浆的可行性,对比因子包括排水管内径和排水高差。
根据前人研究[24-25],为使排水过程中排水管内能形成稳定的负压和满管流,选用4 mm和6 mm这2种内径的排水管进行一组内径流态试验,以确定能够维持负压的平衡并保证负压虹吸排水可持续的虹吸排水管内径大小,便于后续的进一步试验。
同时,为探究排水高差对负压排水法处理不同厚度泥浆的影响。选用4 mm内径排水管进行不同高差的负压排水试验,并设置对照组,研究在高、低2种不同厚度的泥浆下,负压排水处理泥浆的排水量随时间变化以及泥浆最终的脱水效果。
参考并等比例缩小实际工程的泥浆厚度与透水管直径,考虑试验对照效果,试验设置泥浆厚度300 mm为大厚度、100 mm为小厚度。
内径大小流态试验组(记为P)采用厚度为100 mm的泥浆进行,排水高差设置为1 m,观察负压排水启动后的排水现象并记录负压强度的变化及排出水的重量,研究排水管内径对负压大小和排水效果的影响。
排水高差与泥浆厚度对比试验组(记为F)采用厚度分别为100、300 mm的泥浆进行,试验组设置排水高差的变化作为试验条件,由于负压虹吸排水具有一定的扬程且在排水过程中存在沿程水头损失,排水高差为0时负压排水难以启动,因此设置排水高差为0的重力排水试验作为对照组。参照实际工程中的使用便利与排水效果,试验设置0、0.5、1.0、1.5、2.0 m这5种排水高差进行试验。各组试验条件如表2所示。试验编号中P与F分别代表内径大小流态试验、排水高差与泥浆厚度对比试验;第一位数字1与2分别代表小厚度、大厚度泥浆;第二位数字代表不同排水高差。
表2 试验方案设计

Table 2 Design of test scheme

试验
组别		 试验
编号		 排水高
差/m		 泥浆厚
度/mm		 排水内
径/mm		 备注
内径大小
流态试验		 P-1-1 1.0 100 6 负压排水,
中途重新启动
P-1-2 1.0 100 4 负压排水
排水高差
与泥浆厚
度对比
试验		 F-1-1 0 100 4 重力排水
F-1-2 0.5 100 4 负压排水
F-1-3 1.5 100 4 负压排水
F-1-4 2.0 100 4 负压排水
F-2-1 0 300 4 重力排水
F-2-2 0.5 300 4 负压排水
F-2-3 1.0 300 4 负压排水
F-2-4 1.5 300 4 负压排水
F-2-5 2.0 300 4 负压排水

1.3.2 试验步骤

(1)搭建试验装置,组装透水空腔与排水管、测压管的连接后注水检查气密性,并用微型水泵注水启动虹吸排水,若能形成稳定负压,则装置气密性良好。
(2)试验开始前,将制备得到的泥浆自然静置1 d,抽取上层清液。
(3)向模型箱内装填试验所需厚度的泥浆,待泥浆稳定0.5 d,用微型水泵向虹吸排水管内注水,启动虹吸。
(4)利用电子秤测量排水重量,利用真空表监测透水空腔中的负压值,同时观测并记录排水现象。
(5)排水结束后,用一直径10 mm圆柱形有机玻璃透明切片管进行分层取样,取出从泥浆表面到底部的一管完整土样,保证含水率测定较准确。对不同位置的泥浆取样,并进行时长为24 h、温度为105 ℃的烘干以测量得到其含水量,并记录脱水后的泥浆形态。

2 排水管内径对负压的影响分析

为探究排水管内径对负压和管内流态的影响,对排水高差均为1 m,泥浆厚度均为100 mm,排水内径分别为6 mm与4 mm的P-1-1和P-1-2组别进行负压排水试验,得到透水空腔内压强随排水时间变化,如图4所示。
图4 不同内径负压排水法处理泥浆试验透水空腔内前24 h压强变化

Fig.4 Variation of pressure in the permeable cavity in the first 24 h of the mud test treated by negative pressure drainage method with varied internal tube diameter

由前3 h的数据可知,虹吸排水形成后,2种管径的透水空腔内的压强均迅速下降,产生负压,并稳定维持在一定的水平,说明2种内径的虹吸排水管均能够在透水管顶部形成负压空腔。
在排水的前24 h,4 mm内径排水管负压排水处理泥浆试验的负压大小一直维持在稳定状态,但6 mm内径排水管的负压值却在3 h后逐渐降低,8 h后恢复到正压值,说明6 mm内径排水管的虹吸排水管并不能维持负压空腔的稳定存在。为了排除偶然因素的影响,明确6 mm内径排水管并不能形成稳定的负压,在10 h时对6 mm内径排水管负压排水处理泥浆试验进行负压虹吸排水重启动,并继续记录真空表读数。但透水管内的负压值仍在重启动的3.5 h后逐渐降低,8 h后恢复至正值,负压作用消失,同时负压排水进程也中断,说明6 mm内径排水管难以产生稳定的负压。

3 透水空腔内负压情况分析

3.1 排水高差对透水空腔内负压变化情况的影响

根据负压数据绘得不同时间段的负压大小变化曲线如图5所示。
图5 排水高差对透水空腔内负压的影响

Fig.5 Effect of drainage height difference on negative pressure in the permeable cavity

由图5可知,不同时间段的负压排水试验在虹吸排水形成后透水管内的压力迅速降低并产生负压,说明泥浆负压排水系统在透水管内形成了负压空腔,并且负压的大小与排水高差的取值呈正相关。在排水进行的前十几个小时,各组试验工况的负压空腔的压强均较为稳定。
由图5(a)可知,负压排水法处理低厚度泥浆试验中,排水初期透水空腔中压强随着排水高差的增大而减小,随着排水的进行,各组排水试验的透水空腔内压强维持一段时间稳定后又持续升高,甚至在40 h后出现了排水高差2 m试验工况的透水空腔内压强高于排水高差1.5 m试验工况的情况。分析是因为随着排水高差的提升,负压排水法处理低厚度泥浆的排水进程较快,排水效果较好,泥面较容易接触大气,负压的消散过程也随之提前。
由图5(b)可知,负压排水法处理高厚度泥浆试验中,各组排水试验的透水空腔内压强在排水全程均随着排水高差的增大而减小。在排水后期,由于透水空腔内水中溶解气体在压强降低下析出,各组排水试验的透水空腔内压强有所升高,但负压消散的程度较小。

3.2 泥浆厚度对透水空腔内负压变化的影响

为研究泥浆厚度对排水全过程中透水空腔内压强变化的影响,选取4组相同排水高差下不同厚度泥浆试验的负压变化数据进行了对比分析(图6)。
图6 泥浆厚度对透水空腔内负压的影响

Fig.6 Effect of mud thickness on negative pressure in permeable cavity

由图6可知,在相同排水高差的情况下不同厚度泥浆试验全程透水空腔内压强稳定值基本相同,随着排水过程的进行,低厚度泥浆试验的负压值降低幅度较大;高厚度泥浆试验的负压值在排水后期同样有所降低,但是变化幅度较小。如1 m排水高差组,试验到第120 h时,100 mm厚度泥浆组压力增大了约8 kPa,而300 mm组压力增大不足1 kPa,几乎保持不变。在处理100 mm厚度泥浆时,由于负压排水速率较快,低厚度泥浆在排水结束后压缩程度较高,在排水后期泥浆厚度逐渐变薄,大气中气体更加容易通过泥浆的孔隙通道进入透水空腔,负压消散程度较高。在处理300 mm厚度泥浆时,高厚度泥浆的上层在排水后期仍然维持着较高的含水率,且泥面上方残留部分清液,所以透水空腔并未与大气联通,透水空腔内部的负压消散程度也较小。导致二者负压曲线差异较大的原因在于他们与大气的连通程度不同,100 mm厚度泥浆组连通程度更高,负压消散程度提升较大。

4 泥浆脱水效果分析

4.1 负压作用对排水效果的影响

为研究负压作用对泥浆排水效果的影响,选取不同厚度泥浆在重力排水和0.5 m排水高差负压排水的条件下排水量随时间变化的数据进行分析,得到不同试验条件下排水量随时间变化曲线如图7所示。
图7 不同泥浆厚度在重力排水和0.5 m排水高差负压排水量随时间变化对比

Fig.7 Comparison of time-history of discharge volume between gravity drainage and negative pressure drainage with 0.5 m drainage height difference for varied mud thickness

如图7(a)所示,在处理100 mm厚度泥浆时,同一时刻下重力排水试验的排水量远小于0.5 m高差负压排水试验的排水量。排水开始后40 h时,重力排水排水量仅为0.9 kg,而负压排水约为2.9 kg,为重力排水的3倍以上;排水开始120 h时,重力排水排出2.8 kg水,而负压排量已经达到了6.6 kg,为重力排水的2倍有余。排水过程中,重力排水的排水速率比负压排水试验低,且随着排水的进行,重力排水速率下降较快,而负压排水速率下降缓慢。在排水开始0~12 h左右,负压排水和重力排水的平均排水速率分别约为0.092 kg/h与0.019 kg/h,而在12~24 h时,二者平均排水速率分别为0.083 kg/h和0.011 kg/h,下降了9.7%和36.8%。一方面,负压作用加快泥浆中水的入渗速率,另一方面,重力排水的流速较低,细颗粒容易淤积在透水空腔中,造成排水速率降低。
如图7(b)所示,在处理300 mm厚度泥浆时,同一时刻下负压排水试验的排水量同样高于重力排水试验,但在0.5 m负压排水高差的试验条件下,其排水速率差距并不显著。排水量差距也不如100 mm厚度泥浆组大,同一时刻负压排水排出的水量并未超过重力排水的2倍。原因在于高厚度泥浆中的水本身存在较高的水头,使得下层泥浆中的水更容易发生渗流,即0.5 m负压排水试验与重力排水试验对泥浆中水的渗流梯度差距缩小,因此2种排水速率差距减小。泥浆中水分不断随时间被排出,重力和渗流力会造成土颗粒沉积在土工织物表面和内部,造成负压排水和重力排水的排水速率均不断减小。

4.2 排水高差对负压排水量的影响

由于在不同厚度泥浆下,最终泥浆形态并不一致,最终排水量需要结合处理后土体形态进行分析。在厚度泥浆100 mm时,处理前泥浆体和处理后土体在模型箱中如图8(a)所示,处理后土体泥面高度约为2.5~2.8 cm。在厚度泥浆300 mm厚度泥浆时,处理前泥浆体和处理后土体在模型箱中示意图如图8(b)所示,处理后土体泥面高度约为10.2~11 cm,上层残留部分水体。
图8 负压排水法处理前后泥浆形态示意图

Fig.8 Mud morphology before and after treatment by negative pressure drainage method

如图8(a)所示,负压排水法处理100 mm厚度泥浆时,泥浆中大部分水被排出,最终土体表面不存在清液,当排水量不再增加则视为排水阶段结束。如图8(b)所示,负压排水法处理300 mm厚度泥浆时,虽然泥浆中大部分水被排出,但由于负压的作用结果至下而上传递,导致处理后下层土体渗透性较低,土体表面存在一定量的清液,因此试验箱中土体高度不再变化且每日排水量基本不变(即进入稳定渗流阶段时)排水阶段结束。
由于影响负压大小的主要因素是排水高差,因此选取不同排水高差负压排水处理不同厚度泥浆试验的排水量数据进行分析,得到排水量随时间变化曲线如图9所示。
图9 不同排水高差负压排水试验排水量对比

Fig.9 Comparison of drainage volume by negative pressure drainage method with varied drainage height difference

由图9可知,厚度泥浆不同时,随着排水高差的增高,负压排水速率均呈现升高状态;在排水末期最终达到相同排水量的情况下,排水高差越高的试验所需要的总时长越小,说明负压排水效率也越高。由图9(a)可知,排水高差为2 m的负压排水速率显著高于排水高差为0.5、1.0、1.5 m的组别,说明较高的排水高差在处理低厚度泥浆时排水效果良好,能够在较短时间内排出泥浆中水分。
由图9(b)可知,在总排水量相近的情况下,排水高差越大时,排水所用总时长越短,即排水效率越高。排水高差为0.5 m的负压排水速率在排水全过程下降比较缓慢,虽然排水高差分别为1.0、1.5、2.0 m的负压排水速率在前期较高,但是在后期下降得也较快,并且排水高差越高,后期排水速率降低得越明显。究其原因,是排水高差越大时,负压作用也越明显,排水效果也就越好,但是随着高厚度泥浆中大量水分被排出,接近透水空腔的土体含水率大大降低且在负压作用下被压密,渗透性也变差,处理后土体表面的清液及土体内部的水分只能在渗流作用下通过渗透性较差的黏土缓慢流向透水空腔。

4.3 负压排水高差对处理后泥浆含水率的影响

为探究不同负压排水高差处理不同厚度泥浆的脱水效果,结合不同厚度泥浆的形态,进行处理后泥浆含水率分析。
由于100 mm厚度泥浆处理后土体总厚度较薄,且均为固态泥浆,选取模型箱如图10位置的土样进行取样烘干,以测定其含水率,得到不同工况下处理后试样含水率如表3所示。
图10 低厚度泥浆试验取样点位置横断面示意图

Fig.10 Cross-section of sampling location for small-thickness mud

表3 不同排水高差下负压排水处理后低厚度泥浆试样含水率测定

Table 3 Moisture content of small-thickness mud specimens after negative pressure drainage treatment

排水高
差/m		 试样编号 含水
率/%		 排水高
差/m		 试样编号 含水
率/%
0.5 1-A 85.63 1.5 3-A 72.64
1-B 84.32 3-B 70.68
1.0 2-A 74.21 2.0 4-A 69.59
2-B 72.41 4-B 68.21
由表3可知,负压排水法处理100 mm厚度泥浆效果较好,不同排水高差下最终泥浆试样的含水率在68.21%~85.63%之间,且泥浆的含水率随着排水高差的升高而降低、靠近透水空腔处的泥浆试样含水率。当排水高差在1 m以上时,最终泥浆试样的含水率差别不大,原因是泥浆较薄时负压衰减程度较小,能有效排出泥浆中的水分。
由于300 mm厚度泥浆在处理后泥面稳定高度仍有100 mm以上,且上层仍残留有清液,待泥面稳定后2 d,将上层清液抽干再对处理后不同位置的泥浆试样进行含水率测定。由于处理后泥浆土体较厚,在如图11所示位置分别取点A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3处泥浆试样并测定泥浆含水率,得到不同工况下处理后试样含水率如表4所示,其中记号A、B、C取样点横向距离间隔为50 mm,记号1、2、3纵向距离间隔为25 mm。
图11 300 mm厚度泥浆试验取样点位置横断面示意图

Fig.11 Cross-section of sampling location for mud specimens with 300 mm thickness

表4 不同排水高差下负压排水处理高厚度泥浆不同位置泥浆含水率

Table 4 Moisture content of mud at different positionsof thick mud specimens treated by negative pressuredrainage method with varied drainage height difference

排水高
差/m		 试样编号 含水
率/%		 排水高
差/m		 试样编号 含水
率/%
0.5 1-A1 203.08 1.5 3-A1 145.71
1-A2 125.76 3-A2 125.71
1-A3 105.60 3-A3 98.50
1-B1 193.75 3-B1 132.73
1-B2 112.50 3-B2 104.00
1-B3 93.14 3-B3 77.36
1-C1 173.33 3-C1 125.00
1-C2 110.45 3-C2 80.00
1-C3 90.00 3-C3 66.67
1.0 2-A1 151.58 2.0 4-A1 139.78
2-A2 123.57 4-A2 126.40
2-A3 101.43 4-A3 97.06
2-B1 166.74 4-B1 121.45
2-B2 118.85 4-B2 101.62
2-B3 92.43 4-B3 66.26
2-C1 150.60 4-C1 94.32
2-C2 99.53 4-C2 67.34
2-C3 85.71 4-C3 60.23
对不同工况下的不同位置泥浆含水率变化规律进行分析,绘制不同工况下泥浆含水率变化曲线如图12所示。
图12 不同排水高差下不同横向位置泥浆含水率随深度变化曲线

Fig.12 Variation of moisture content versus depth at different lateral positions under varied drainage height difference

由表4和图12(a)可知,0.5 m负压排水高差处理后的上层泥浆含水率降低至173.30%~203.08%左右,中层泥浆含水率降低至110.45%~125.76%,下层泥浆含水率降低至90.00%~105.60%,含水率整体分布差异较大,上部泥浆含水率远高于下部,远离排水空腔处泥浆含水率略高于靠近排水空腔处泥浆,原因是下部泥浆靠近排水空腔且更容易在自重下发生渗流,水容易排出,0.5 m的负压排水高差较小,且真空负压传递有损失,对泥浆排水的影响较小。
由表4和图12(b)可知,1.0 m负压排水高差处理后的上层泥浆含水率降低至150.60%~166.74%左右,中层泥浆含水率降低至99.53%~123.57%,下层泥浆含水率降低至85.71%~101.43%;由表4和图12(c)可知1.5 m负压排水高差处理后的上层泥浆含水率降低至125.00%~145.71%左右,中层泥浆含水率降低至80.00%~125.71%,下层泥浆含水率降低至66.67%~98.50%。随着排水高差的升高,整体泥浆含水率降低,含水率整体分布差异仍然较大,但是比0.5m排水高差时略小,上部泥浆含水率降低的程度较大,下部泥浆含水率降低较小,说明增加负压排水高差有利于泥浆中水分的排出,尤其是上部泥浆,随着排水高差的增大,透水空腔中负压进一步升高,更易传递到泥浆上层,使原来较难排出的水分在真空负压的影响下被排出。
由表4和图12(d)可知,2.0 m负压排水高差处理后的泥浆上层含水率降低至94.32%~139.78%,中层泥浆含水率降低至67.34%~126.40%,下层泥浆含水率60.23%~97.06%。当负压排水高差进一步增大时,整体泥浆含水量进一步降低,且下层除侧边外的泥浆均能达到较低的含水率,原因是当排水高差越大时,真空负压的影响范围越大,下层泥浆的水力梯度较大,排水路径较短,泥浆的排水效果更好;上层靠近透水空腔处的泥浆含水率进一步降低至94.32%,说明随着排水高差的提高,真空负压能够进一步传递到上层泥浆中,但上层远离透水空腔处泥浆含水率降低不明显,此处排水路径最长,真空负压衰减的最快;中层远离透水空腔处的泥浆含水率在不同的排水高差下同样变化不明显,说明真空负压存在一定的影响范围,对中上层远离透水空腔处的泥浆影响较小。
观察图12(b),排水高差为1.0 m时出现了上层泥浆A1点的含水率小于B1点的含水率的情况,分析可能是因为中下层排水后可能存在泥浆沉降不均匀的现象,导致上层含水量较大的泥浆含水量分布也不均匀,属于偶然误差因素。试验结果整体而言,排水路径越长,真空负压衰减的越快,泥浆含水率越高。
为进一步分析不同排水高差下透水空腔中真空负压的影响范围,将模型箱中的液态泥浆倾倒出外部,此时试验模型箱底部固态泥浆形态如图13所示。
图13 不同负压排水高差下高厚度泥浆试验模型箱底部固态泥浆形态

Fig.13 Solid mud morphology at the bottom of test model box for thick mud specimens with varied drainage height difference

由图13可以看出,在排水高差为0.5 m时,模型箱底部固态泥浆含量很少,是因为负压强度不大,泥浆排水效果较差导致泥浆含水率较高;排水高差为1.0 m时,模型箱底部在透水空腔周围一圈形成了固态泥浆层,说明随着负压的增大,透水空腔周围的泥浆排水效果良好;排水高差为1.5 m时,固态泥浆层的高度和范围进一步扩大,说明排水高差的提升能够扩大真空负压的影响范围;当排水高差为2.0 m时,固态泥浆层的厚度基本不再变化,横向范围则继续扩大,说明负压排水法处理泥浆能够有效促使模型箱的中下层泥浆排出大量水分并形成固态泥浆层,负压排水法处理中下层泥浆的效果良好。结合图9(b)可知,高厚度泥浆排水试验中随着排水高差的升高,在后期会由于真空负压的增大导致固态泥浆土体的进一步压密,土体渗透系数下降,下层土体的排水速率反而逐渐降低,导致上层泥浆的脱水效率不高。

5 结论

为验证负压排水法处理泥浆的有效性,本文设计了室内方箱模型试验,首先采用4 mm和6 mm这2种内径的排水管进行了内径流态对比试验,确定了能够维持负压的内径大小,并改变泥浆厚度和排水高差探究不同厚度泥浆及不同排水高差下的泥浆排水速率及脱水效果,结合试验现象和数据进行分析,得出的主要结论如下:
(1)在内径大小合适(4 mm)的情况下,虹吸排水管内能够形成稳定的弹状流及满管流,负压排水法处理泥浆具有可行性。相比于自重作用下的泥浆排水,负压排水能使透水空腔内产生稳定大小的负压,从而提高泥浆的排水速率。
(2)在负压虹吸流稳定的情况下,透水空腔内的负压大小与排水高差呈正相关。排水高差越高,透水空腔内的负压大小越大,泥浆的排水效率越高,最终的脱水效果越好。
(3)负压排水法处理小厚度泥浆的排水效果较好,能够有效排出泥浆中大部分水分。随着负压排水的进行,最终泥面会与大气接触,导致气体逐渐进入透水空腔,负压消散。
(4)负压排水法处理大厚度泥浆时,上部泥面残留清液,负压消散程度较低,压强升高主要源自水中溶解气体的析出。由于真空负压在土体中的传递会有所衰减,越靠近透水空腔的泥浆,水力梯度越大,排水效果越好,且负压效应会使得透水空腔外部形成低含水率的固态泥浆,从而降低了下层泥浆的渗透性,导致上层泥浆的脱水效率不高。

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