超软土地基排水体防淤堵高效处理技术

2020年度国家技术发明奖二等奖项目。

主要完成人：

蔡袁强（温州大学）

王军（温州大学）

金亚伟（江苏鑫泰岩土科技有限公司）

张留俊（中交第一公路勘察设计研究院有限公司）

陈锋（中国铁道科学研究院集团有限公司）

楼晓明（上海港湾基础建设（集团）股份有限公司）

围海造田、软土地基处理、淤泥堆场处理等超软土排水工程中，排水体过滤材料通常会遇到淤堵问题，导致无法有效地快速降低超软土含水率。影响排水体淤堵的主要因素有两点：（1）排水界面上的应力、水力条件；（2）过滤材料自身的孔隙特性。本项目通过增加了模拟顶部堆载荷载和真空负压模块的改进梯度比试验仪器，模拟排水体淤堵过程，揭示超软土排水体发生淤堵的机理；通过更换不同滤层材料，进行不同上部荷载压力和不同真空负压下的室内排水模型试验，筛选出最有利于防淤堵的过滤材料和水力、应力条件，揭示这些因素的防淤堵机理；通过试验结束后的取样颗粒分析结果，对照过滤材料的孔隙特性，分析颗粒的运动规律和在过滤材料中的滞留规律，建立超软土排水体滤层材料防淤堵设计准则。本项目的研究结果可以给出指导防淤堵设计的理论依据，进一步优化排水固结工程措施。在沿海港区吹填造陆、内陆河流湖泊疏浚淤泥处置等工程中有较好的应用前景。

本项目通过不同直径尺寸的沉降柱试验，研究了超软土自重沉积过程中边界尺寸效应对沉降过程影响，对初始含水率、沉降柱内径及沉降模式转变对应的临界初始含水率之间相互影响的机理进行了分析；研制了超软土真空排水室内模型试验仪器，通过大量超软土的真空排水室内模型试验，研究了超软土真空排水的效果，通过分析，确定了不同真空度下超软土排水效果的变化规律，得到了不同超软土试样的最优真空度，通过对累积抽水量、含水率降低值、含水率降低率、泥面沉降等试验数据的对比，分析了真空度、竖向排水材料、初始含水率、土样基本特性、模型尺寸等因素对超软土真空排水效果的影响，解释了上述因素的对真空排水效果的影响机理；通过对不同常用土工滤层材料作为排水体的真空排水试验，筛选出了有利于真空排水过滤材料类型，通过干筛法和排水试验结束后的取样颗粒分析，测定了所选用的常规土工滤层材料有效孔径和试验结束后原泥、尾水、织物表层淤泥的颗粒分布规律，分析了颗粒的运动规律和在过滤材料中的滞留规律，研究了过滤材料有效孔径和土样特征粒径之间的关系，对超软土排水体过滤材料的选取提出了指导方法；进一步对6组新型复合滤层材料进行了超软土真空排水试验，筛选得到了最佳复合滤层材料，对复合过滤材料的排水机理和防淤堵机理进行了分析，通过研究试验完成后试样的颗粒迁移规律和含水率空间分布规律，揭示了PVA材料与常规土工织物滤层材料不同的排水机理，并分析了PVA材料排水效果较好的原因，提出了PVA材料“吸水—保水—排水”循环的反滤排水机理。在本基金项目的支持下已发表、录用论文9篇（SCI和EI双收录1篇、EI收录4篇、EI待收录1篇），申请国家发明专利13项，授权国家发明专利4项。 2100433B

我国填埋场建有渗滤液水位迫降抽排竖井超过2万口，但其普遍存在淤堵快、出水流量低和水位控制效果差的问题。工程探索表明，一种具备复合反滤结构的渗滤液抽排竖井具有良好的抗淤堵性能，但其渗透-淤堵机理尚不清楚，难以进一步优化和推广。拟针对填埋场复合反滤渗滤液抽排竖井开展研究。通过单元体试验和模拟，研究复合反滤层的渗流机理，掌握各反滤结构层流量负荷分布规律，揭示其在不同物化生化特性渗滤液、温度、上覆压力、位移等因素作用下的渗透-淤堵响应，探索优化复合反滤结构；开展复合反滤抽排竖井长期室内模型试验，掌握其反滤结构及井周垃圾长期使用后的淤堵时空发展规律，试验探索淤堵防治技术；建立考虑淤堵时空效应的复合反滤抽排竖井井流计算方法；开展现场试验，验证和进一步探索复合反滤层抽排竖井出水效果、淤堵发展规律及淤堵防治技术。本研究可阐明复合反滤渗滤液抽排竖井的渗透-淤堵时空发展规律，有利于其进一步优化发展和推广应用