武漢東湖通道湖底淤泥處理工程設(shè)計

曾祥英，李爾，張杞蓉，何培弘，伍軍

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,湖北武漢430015)

摘要：武漢東湖通道湖底淤泥工程主要處理東湖通道圍堰區(qū)域內(nèi)的東湖湖底表層淤泥。工程設(shè)計首先確定了本工程處理后的淤泥消納單位和處理后的淤泥泥質(zhì)及尾水標(biāo)準(zhǔn)，然后在綜合分析各種淤泥處理方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合本項目的實際，確定對圍堰1~3區(qū)和圍堰4~5區(qū)的淤泥分別采用壓濾脫水固結(jié)法和原位固結(jié)法進行處理，并介紹了這兩種淤泥處理方法的工藝流程、主要構(gòu)筑物及配套設(shè)備。實際處理效果表明其達到了設(shè)計要求且淤泥總量大幅減少。

1 工程概況

武漢東湖通道工程北起于紅廟立交橋，南止于喻家山北路(見圖1)，全長約10.63 km，其中下穿東湖湖底的隧道段長約6.88 km，是中國最長的城中湖下穿隧道。東湖通道湖底淤泥工程主要處理東湖通道圍堰區(qū)域內(nèi)的湖底表層淤泥,本項目下穿東湖湖底的隧道段采用圍堰明挖法施工�？紤]到圍堰區(qū)內(nèi)施工總體平面布置和基坑安全等因素，整個圍堰區(qū)域分為5個區(qū)(見圖2)，面積分別為：圍堰1區(qū)3.3×10⁴ m²，圍堰2區(qū)11.7×10⁴ m²，圍堰3區(qū)15×10⁴ m²，圍堰4區(qū)9.4×10⁴ m²，圍堰5區(qū)15.6×10⁴ m²，總面積為55.0×10⁴ m²。施工將挖出大量表層淤泥，這部分淤泥不僅污染物含量較高（研究表明東湖底泥中約95%以上的污染物均集中在表層淤泥中）且體積較大，如直接棄置或堆放將對環(huán)境造成嚴(yán)重危害,故需對其進行專門處理。

圖1 東湖通道平面示意

圖2 施工圍堰區(qū)布局示意

2 圍堰區(qū)域內(nèi)的淤泥現(xiàn)狀

整個圍堰區(qū)域內(nèi)湖底表層淤泥泥質(zhì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表1�？梢�，湖底表層淤泥含水率較高，重金屬總體含量不高，肥分較低，力學(xué)性質(zhì)較差。

表1 整個圍堰區(qū)域內(nèi)湖底表層淤泥泥質(zhì)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較

整個東湖通道圍堰區(qū)域開挖深度為東湖湖底以下12~15 m，經(jīng)過前期土質(zhì)勘察，該部分湖底底泥土層分布從上至下依次是淤泥層（厚度為0.3~6 m）、粉質(zhì)粘土層（厚度為0.6~9.2 m）及粘土層（厚度為0.5~8 m）。整個圍堰區(qū)域內(nèi)的湖底表層淤泥厚度分布不均，其中圍堰1~3區(qū)表層淤泥厚度為0.4~6 m，平均為1.2 m；圍堰4~5區(qū)表層淤泥厚度為0.3~1.7 m，平均為0.8 m。

3 處理后的淤泥消納單位

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗，考慮到整個圍堰區(qū)域內(nèi)的湖底表層淤泥泥質(zhì)特點，結(jié)合本項目周邊淤泥消納單位的實際情況，在與這些單位協(xié)商溝通后，最終明確了本項目處理后的淤泥采用以下兩種消納方式。

① 武漢化工新城場平填方

武漢化工新城位于武漢市主城區(qū)東北部的青山區(qū)內(nèi)，其核心區(qū)與本項目所在地的平均距離約17 km，化工新城以核心項目80×10⁴ t/a乙烯為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)園，配套下游產(chǎn)品加工園、新港物流園以及生產(chǎn)性服務(wù)中心區(qū)等園區(qū)，整個化工新城占地面積為71.64 km²，其中建設(shè)用地面積為30.5 km²。該區(qū)域整體地勢較低且正處于大建設(shè)時期，需要大量的綠化帶及綠化廣場場平填方用土，經(jīng)估算約需410×10⁴ m³填土。

② 武漢未來科技城場平填方

武漢未來科技城位于武漢主城區(qū)東南部的東湖國家自主創(chuàng)新示范區(qū)內(nèi)，其核心區(qū)與本項目所在地的平均距離約19 km，未來科技城包括光電子信息產(chǎn)業(yè)園、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園、能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)園、現(xiàn)代裝備制造產(chǎn)業(yè)園和高科技農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園等五大核心產(chǎn)業(yè)園，整個未來科技城占地面積為66.8 km²，其中建設(shè)用地面積為18.5 km²。目前各園區(qū)需大量的景觀工程及人行道路場平填方用土，經(jīng)估算約需220×10⁴ m³填土。

4 淤泥處理方案

4.1 設(shè)計出泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)

根據(jù)整個圍堰區(qū)域內(nèi)湖底表層淤泥泥質(zhì)情況，按照環(huán)保的要求，結(jié)合各淤泥消納單位及尾水接納單位（尾水排入市政污水管網(wǎng)）對處理后的淤泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)的要求，確定了本項目設(shè)計出泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

具體出泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 設(shè)計出泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 處理方法的確定

常用的淤泥處理方法主要有拋泥法、吹填法、自然晾曬法、化學(xué)固結(jié)法等，根據(jù)本項目進出泥泥質(zhì)情況、處理規(guī)模、用地、東湖通道整體施工方式、工序和工期等因素，確定采用化學(xué)固結(jié)法。目前應(yīng)用較多的化學(xué)固結(jié)法主要有：

① 原位固結(jié)法

該法采用干塘法施工，即先將圍堰區(qū)內(nèi)湖水排空，其后對湖底表層淤泥進行初次晾曬濾水，再向淤泥中投加固結(jié)劑，并通過攪拌混合、二次晾曬濾水、養(yǎng)護碾壓密實等工序進行處理。該法所有工序均在圍堰溝槽內(nèi)進行，多用于厚度相對較淺的湖底表層淤泥處理。

② 土工管袋脫水法

該法采用不干塘法施工，即圍堰區(qū)內(nèi)不干塘帶水作業(yè)，采用吸泥船將湖底表層淤泥和湖水一并抽吸，在此過程中將絮凝劑和穩(wěn)定劑投入到吸泥管內(nèi)并與其中的泥漿充分混合后由吸泥船上的泥漿泵輸送至湖岸上的淤泥處理場的土工管袋（由高分子材料制成具有過濾結(jié)構(gòu)的管狀土工袋）內(nèi)，在淤泥處理場內(nèi)各土工管袋層層疊加堆放,通過重力靜壓對管袋內(nèi)含有絮凝劑和穩(wěn)定劑的泥漿進行擠壓脫水。該法所有處理工序均在湖岸上的淤泥處理場內(nèi)進行，多用于厚度相對較深的湖底表層淤泥處理。

③ 壓濾脫水固結(jié)法

該法采用不干塘法施工，即圍堰區(qū)內(nèi)不干塘帶水作業(yè)，采用吸泥船將湖底表層淤泥和湖水一并抽吸并泵送至位于湖岸上的淤泥處理場，依次經(jīng)過沉淀池、格柵間、調(diào)節(jié)池后進入均化池，在均化池中投加固結(jié)劑，泥漿與固化劑在該池中經(jīng)充分混合均勻后由泵送至板框壓濾脫水機房進行泥水分離，形成泥餅。該法的所有處理工序均在湖岸上的淤泥處理場內(nèi)進行，多用于厚度相對較深的湖底表層淤泥的處理。

上述幾種化學(xué)固結(jié)法的具體綜合比較如表3所示。

表3 不同化學(xué)固結(jié)法綜合比較

根據(jù)前期方案論證，綜合考慮湖底表層淤泥泥質(zhì)及厚度、東湖通道整體施工工序及工期安排、環(huán)保要求、可用的處理場地、投資及運行費用等因素，確定對淤泥層厚度相對較深、淤泥處理量相對較大且主體結(jié)構(gòu)施工工期要求相對較緊的圍堰1～3區(qū)采用壓濾脫水固結(jié)法處理，對淤泥層厚度相對較淺、淤泥處理量相對較小且主體結(jié)構(gòu)施工工期要求相對較松的圍堰4～5區(qū)采用原位固結(jié)法處理。

5 主要構(gòu)筑物及配套設(shè)備

5.1 壓濾脫水固結(jié)

① 工藝流程

壓濾脫水固結(jié)法工藝流程如圖3所示。

圖3 壓濾脫水固結(jié)法工藝流程

② 處理規(guī)模

壓濾脫水固結(jié)法主要處理圍堰1～3區(qū)的湖底表層淤泥，總淤泥處理量約36×10⁴ m³，工期為50 d，即日處理量約為7 200 m³，經(jīng)核算，日排放尾水量約9 000 m³。

③ 處理場場址

壓濾脫水固結(jié)處理場選址原則如下：a.盡可能離圍堰區(qū)域較近，以減少吸泥船的泵送揚程,節(jié)省運行費用；b.有滿足處理工藝要求的用地且滿足環(huán)保防護距離的要求；c.對東湖景觀的影響較��；d.便于處理后的淤泥運輸出泥和尾水就近排入污水管網(wǎng)。根據(jù)上述原則，壓濾脫水固結(jié)處理場選址于東湖岸邊的華僑城苗圃預(yù)留空地。

④ 處理場平面布置圖

壓濾脫水固結(jié)處理場平面布置見圖4，占地面積為17 100 m²。

圖4 壓濾脫水固結(jié)處理場平面布置

⑤ 主要構(gòu)筑物及配套設(shè)備

a.淤泥輸送系統(tǒng)

主要設(shè)備：絞吸式挖泥船（環(huán)保型）4艘。單艘主要參數(shù)：最大挖深為6.5 m，最大挖寬為35 m，每艘船裝有1臺泥漿泵（Q=225 m³/h，H=900 kPa，N=110 kW）。

b.淤泥處理系統(tǒng)

沉淀池1座，平面尺寸為22 m×7.8 m。

格柵間1座，平面尺寸為10 m×2.4 m；設(shè)回轉(zhuǎn)式格柵除污機2臺，柵條凈距為20 mm。

調(diào)節(jié)池1座，平面尺寸為71.5 m×61.5 m；設(shè)泥漿泵4臺（Q=225 m3/h，H=350 kPa，N=45 kW）。

固結(jié)劑投加系統(tǒng)：加藥間1座，面積為93.3 m²；固結(jié)劑料倉6座，單座直徑為2.8 m，高度為11.6 m；螺旋輸料機6臺（單臺輸送量Q=25 t/h），卸料器6臺（單臺出料量Q=25 t/h），空壓機1臺（Q=50 m³/h，P=0.8 MPa，N=30 kW），自動泡藥機1臺（容量為10 m³），隔膜計量泵2臺（單臺Q=27 m³/h，H=350 kPa，N=4.5 kW）。

均化池1座，平面尺寸為30.5 m×22 m；攪拌機3臺（單臺葉輪直徑為400 mm，轉(zhuǎn)速為85 r/min），泥漿泵6臺（單臺Q=150 m³/h，H=600 kPa，N=55 kW）。

板框脫水機房1座，平面尺寸為62 m×13 m；板框壓濾機6臺（單臺濾板尺寸為2 m×2 m，濾板86塊），空壓機2臺（單臺Q=25 m³/h，P=0.8 MPa，N=22 kW）。

泥餅堆棚1座，平面尺寸為62 m×28 m，泥餅最大堆放高度為2 m；履帶式鏟車4輛（單輛斗容為1 m³，N=110 kW），履帶式推土機2輛（單輛功率為142 kW）。

尾水反應(yīng)沉淀池1座，平面尺寸為60.5 m×41 m；潛水排污泵2臺（Q=600 m³/h，H=350 kPa，N=110 kW）；快速攪拌機2臺（單臺葉輪直徑為980 mm，轉(zhuǎn)速為65 r/min），慢速攪拌機4臺（單臺葉輪直徑為2 500 mm，轉(zhuǎn)速為21 r/min）。尾水處理達標(biāo)后泵入距壓濾脫水固結(jié)處理場約1 km的歡樂大道現(xiàn)狀d1 000 mm的市政污水管道，并最終進入二郎廟污水處理廠（現(xiàn)狀規(guī)模為24×10⁴ m³/d）處理。

5.2 原位固結(jié)

① 工藝流程

原位固結(jié)法工藝流程如圖5所示。

圖5 原位固結(jié)法工藝流程

② 處理規(guī)模

原位固結(jié)法主要處理圍堰4～5區(qū)的湖底表層淤泥，總淤泥處理量約20×10⁴ m³，工期為70 d，即日處理量約為2 860 m³，經(jīng)核算，日排放尾水量約1 710 m³。

③ 主要構(gòu)筑物及配套設(shè)備

淤泥處理系統(tǒng)：固結(jié)劑料倉4座，單座直徑為3.2 m，高度為12 m；螺旋輸料機5臺，單臺Q=25 t/h；空壓機5臺，單臺Q=70 m³/h，P=0.8 MPa，N=45 kW；履帶式鏟車10輛，單輛斗容為1 m³，N=110 kW；噴淋水泵15臺，單臺Q=400 m³/h，H=400 kPa，N=90 kW。

尾水反應(yīng)沉淀池1座，平面尺寸為40 m×25 m；設(shè)潛水排污泵2臺（單臺Q=120 m3/h，H=250 kPa，N=22 kW）；快速攪拌機1臺（葉輪直徑為980 mm，轉(zhuǎn)速為65 r/min），慢速攪拌機2臺（葉輪直徑為2 500 mm，轉(zhuǎn)速為21 r/min）。尾水處理達標(biāo)后泵入距圍堰5區(qū)約300 m的東湖東路現(xiàn)狀d600 mm的市政污水管道，并最終進入龍王嘴污水處理廠（現(xiàn)狀規(guī)模為30×10⁴ m³/d）處理。

6 實際處理效果

本淤泥處理工程已完成，實際處理后的淤泥泥質(zhì)及尾水水質(zhì)情況如表4所示。

表4 實際處理后淤泥泥質(zhì)和尾水水質(zhì)指標(biāo)

對比表4和表2可知，實際處理后的淤泥泥質(zhì)及尾水水質(zhì)指標(biāo)均穩(wěn)定達到設(shè)計要求，處理后的淤泥總量大幅減少。

本項目處理后的淤泥已分兩部分分別運往淤泥消納單位進行消納，其中26×10⁴ m³淤泥運往武漢化工新城進行綠化帶和綠化廣場場平填方，另外13×10⁴ m³淤泥送至武漢未來科技城進行景觀工程及人行道路場平填方。

7 結(jié)論

針對東湖通道各圍堰區(qū)的湖底表層淤泥不同情況，分別采用壓濾脫水固結(jié)法和原位固結(jié)法進行處理，實際處理后的淤泥泥質(zhì)及尾水水質(zhì)均滿足設(shè)計要求,且對淤泥進行了減量，本工程可為其他類似工程提供參考。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第16期“設(shè)計經(jīng)驗”欄目）