大尺寸三維電動-水力滲透協同固結淤泥能耗特性

鄭若璇，孫秀麗，王 渝，金 勛，郁秦杰，劉文化

（江南大學環境與土木工程學院, 江蘇 無錫 214122）

近二十年來，隨著經濟的高速發展，我國大量建筑拔地而起，尤其在我國的東南沿海及珠江三角洲地區，由于城市建設用地緊缺，填海造陸、灘涂開發、軟土地基加固等引起了人們的廣泛關注。大型工程建設和可持續發展要求，催生了地基處理新技術的發展，我國在復合地基技術、真空預壓技術、強夯技術、島礁填筑技術等方面已經達到國際領先水平[1]。電滲固結法作為一種幾乎不受水力滲透系數影響只受電滲透系數影響的排水固結方式，排水固結速度快、效果好且能夠深入到軟土深層，在處理深厚軟土地基時具有很大的優勢[2]。

目前對電滲法的研究多與其他地基處理方法聯合使用，如堆載預壓法[3?5]、真空預壓法[6?9]、電化學法[10?11]等，以解決單一方法的局限性[3?5]。但目前對于電滲固結法的研究多停留在室內研究，在實際工程中未得到廣泛的應用，這主要受制于電滲固結法的高耗能及大尺寸模擬困難等問題。

為解決電滲固結法的高耗能問題，許多學者在電滲固結法理論基礎上[12?14]提出改善電滲固結技術的方法，主要集中在電極材料、電極布置方式、通電方式等方面的改變。選擇不同的電極材料如鐵、銅、不銹鋼等金屬材料和石墨電極、鈦電極等惰性電極材料，均在電滲過程中有著不同的效果，在電滲過程中選擇與試驗條件合適的電極材料尤為重要[15?17]；除金屬電極外，電動土工合成材料電極（EKG電極）也得到了很多專家學者的關注，EKG電極將電滲技術和土工合成材料應用相結合，制成一種能夠導電的土工合成材料,可以消除或減弱傳統電滲法采用金屬電極帶來的電蝕問題，同時可以加速孔壓消散，加速土體固結等[18?20]。不同的電極布置形式如梅花形、正六邊形、平行布置等對電滲效率有著不同程度的影響，選擇合適的電極間距及電勢梯度能夠降低能耗、節約成本[21?22]。不同的通電方式如間歇通電、逐級加載、電極反轉等，具有各自不同的優勢，如間歇通電的優勢在于可以節約能耗，逐級加載的優勢在于提高最終土體的抗剪強度和固結度，電極反轉的優勢在于可使電滲后的土體含水更加均勻[23?25]。

室內小尺寸試驗存在尺寸效應，致使大尺寸模擬困難[26]。研究發現，裂縫發展的巨大差異是導致單純電滲模型試驗與現場情況差別較大的原因，適當進行堆載可消除幾何邊界引起的尺寸效應[27]。也有學者進行了電滲現場試驗，探究現場試驗過程中的最佳施加電壓，以及與真空預壓聯合使用時排水板的最佳排布形式[28?29]。

為解決目前電滲固結法的高能耗及大尺寸模擬困難等問題，本研究在電滲理論和固結理論的基礎上，提出針對低滲透性、高含水量土體的三維電動-水力滲透協同固結思想，自行研制了一套結合陰極、集水、排水的多功能集排水系統，排水方式采用更加節約能耗的間歇式抽水方式。三維電動-水力滲透協同固結系統可以大大降低土體含水率、大幅度降低能耗、提高電滲效率，可為實際工程提供可靠的數據支持和設計依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

為驗證三維電動-水力聯合電滲系統的節能效果，采用2種不同的太湖底泥進行試驗。太湖底泥的采集地點及物理性質見表1。試驗前去除土體內雜質，烘干、碾碎、過2 mm篩，配置成55%含水率的土樣，用于電滲試驗。

表1 試驗所用土體采集地點及物理性質Table 1 Sampling location and physical properties of soil used in the test

1.2 試驗裝置及步驟

1.2.1 三維試驗

（1）試驗裝置

電動-水力滲透三維固結試驗系統由電滲槽、多功能集水井、電源、數據采集裝置、抽水泵等部分組成，見圖1。

圖1 三維電動-水力滲流固結裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D electric-hydraulic seepage consolidation device

電滲槽為有機玻璃箱，內部尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，厚度為1 cm，頂部開口。陽極為寬度10 cm、高度25 cm的角鋼，分布在四角。陰極-集水-排水裝置由陰極排水管、集水井、防堵塞裝置3部分組成。陰極排水管采用圓柱形鍍釕銥鈦管，外徑3.8 cm，長35 cm，管內填充由土工布包裹的碎石，防止堵塞，并可增加抽水液面高度，增強抽水效果；集水井采用長玻纖增強聚丙烯薄片，井壁上均勻分布直徑1 cm的圓孔，便于土中水滲流進入集水井內；在井壁外側包裹濾紙和廢棄鋼絲，用作過濾和防堵塞裝置。本試驗使用抽水泵進行間歇式抽水，即周期性關閉電源，斷電后進行抽水，抽水結束后再繼續通電進行電滲，抽水與電滲不同時進行。

本試驗電路為并聯電路，電源正極連接4個陽極板，負極連接陰極管。電滲過程中排出的水分匯集于集水井，再通過抽水泵定時抽出陰極管中的水，抽水時間間隔為8 h。將電流采集模塊（8路熱電阻模塊，型號為JF-8PT100-4-003）和電勢采集模塊（24路全隔離直流電壓采集模塊，型號為ZH-44241-14F2）連接計算機采集系統，采集電滲過程中的電流和電勢差。

（2）試驗步驟

三維試驗步驟具體如下：

①將陽極板安裝到四角處；

②在裝置內部四壁上涂抹凡士林，減小邊界效應對試驗結果的影響；

③將配置好的土樣分層填入裝置內，每層填入后對裝置進行振搗以排出氣泡，并將土體高度控制在25 cm，與陽極板齊平；

④將集水井放置在土樣中間，盡量靠近裝置底部，同時上部高于土體，防止土體進入集水井；

⑤連接電路和電流、電壓等數據采集設備，之后開始試驗。

1.2.2 一維試驗

（1）試驗裝置

一維電滲試驗裝置由土樣室、集水槽、電源、電流和電勢采集系統、攝像頭等組成，見圖2。土樣室為20 cm×10 cm×13 cm的有機玻璃槽；土樣室與尺寸為3 cm×10 cm×13 cm的集水槽相連，并用直徑為1 cm孔洞的有機玻璃隔板隔開。集水槽側壁開有小孔，用橡膠管將水引入量筒，并采用攝像頭，實時監控排水數據。陰陽極電極板尺寸均為10 cm×10 cm，陽極采用鍍釕銥高純鈦板，陰極采用高純鈦網。一維試驗的采集設備與三維試驗相同。

圖2 一維試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of 1D test device

（2）試驗步驟

一維試驗步驟具體如下：

①在陰極板外側、帶有孔洞的間隔板上鋪設濾紙，阻止土顆粒進入集水槽，隨后將陰陽極板放入到裝置中；

②電滲槽內涂抹凡士林，減小邊界效應對試驗結果的影響；

③將配置好的土樣分層填入裝置內，每層填入后對裝置進行振搗以排出氣泡，土樣高度控制在10 cm，與陰陽極板齊平；

④連接電路和電流、電壓等數據采集設備，之后開始試驗。

1.3 試驗方案

為驗證三維電滲裝置對不同土體的效用，使用三維電滲裝置對1號太湖底泥和2號太湖底泥進行了電滲試驗（S1、C1），并設置了一維電滲試驗作為對比試驗（C2），各組試驗條件見表2。

表2 試驗條件Table 2 Test conditions

2 三維滲流裝置原理

三維電動-水力滲流固結裝置起到水力滲流及電滲流的協同作用。集水井-陰極管-間歇式抽水組合設計，在抽水后，陽極和陰極區存在水頭差，實現三維水力滲流。另外，在電勢差的作用下，水流在水平方向流動的同時在豎直方向產生流動，實現三維電動-水力協同滲流作用。滲流過程見圖3。

圖3 三維滲流示意圖Fig.3 Seepage diagram of 3D electroosmosis

從理論上，電滲試驗過程中的電滲流量可以通過電滲流流量公式計算得出：

式中：qe——電滲流總流量/（m·s-1）；

Ke——電滲透系數/（m2·s?1·V?1）；

ie——電勢梯度/（V·m?1）；

A——滲流的面積/m2；

ζ——zeta電位/mV；

ε——介電常數/（F·m?1）；

η——黏滯系數/（N·s·m?2）；

n——土壤孔隙率/%；

?V——電勢差/V；

L——電流路徑長度/m。

圖4 傳統一維滲流示意圖Fig.4 Horizontal seepage diagram of 1D electroosmosis

3 結果與討論

3.1 三維和一維電滲電流

一維電滲在排水終止時結束試驗，試驗時長45 h。三維電滲試驗的體量較大、時間較長，為了便于比較，選擇S1與C1排水量大致相同的節點作為試驗結束的時間。試驗進行至80 h時C1排水基本結束，此時S1與C1排水量基本相同，因此，在80 h終止S1試驗。

圖5為C2、S1和C1試驗電流隨時間的關系。如圖5（a）所示，一維電滲試驗C2的電流值隨時間逐漸減小，C2的電流最大值為254 mA，最小值為39 mA。這是因為，在試驗過程中，水分子和陽離子結合形成水化陽離子，隨著試驗的進行，水分和水化陽離子隨著電流逐漸排出，系統內總電阻值隨之逐漸增大。由歐姆定律可知，輸入電壓保持不變的情況下，由于系統內總電阻增大，電流值減小。

圖5 電滲過程中電流值Fig.5 Current values during electroosmosis

如圖5（b）（c）所示，S1 和 C1 的電流在試驗過程中由于間歇式抽水，表現出重復減小——增大的現象。S1電流的低值點幾乎相等，維持在840 mA左右，高值點逐漸降低，最高值達到1 947 mA；而C1電流的高值點和低值點均逐漸降低，最高值為1 557 mA，最低值為513 mA。

電滲開始后至第1次抽水前，S1、C1電流值均逐漸減小，這是由于電滲時間較短，水分和水化陽離子僅在土體內遷移，還未積聚到集水井中，系統內總電阻增大導致電流值減??；由于水是導體，電阻率極小，土體中的水分向陰極遷移并開始在集水井中積聚后，系統中的總電阻逐漸減小，電流值隨之逐漸增大。每8 h抽水1次，每次抽水后電阻值增大、電流值驟減，而隨著電滲的進行，水再次遷移至陰極集水井中，電流值再次逐漸增大。

每次抽水之后的電流最高值隨著排水次數的增加而逐漸減小，這是由于隨著土體中水分和水化陽離子的排出，系統內總電阻逐漸增大，導致其電流值逐漸減小。由于2種太湖底泥取自不同地點，S1中的有機質含量較高，有機質細胞內的水分無法排出，因此，電流最低值幾乎保持不變，且電流值高于C1。

根據ESRIG[30]的理論，電滲排水速率為：

式中： υe——電滲排水速率/（m·s?1）；

Ke——土體的電滲透系數/（m2·s?1·V?1）；

Et——施加在陰陽極之間的電壓/V；

S——通過水流或電流的土體截面面積/m2。

將式（4）中的電勢差用電流強度代替：

式中： ρ1——土體的電阻率/（Ω·m）；

I——電滲流系統中的總電流/A。

由式（5）可知，系統內電流值越大排水速率越高。三維電滲集水井的設計使土中向陰極遷移的水聚集在集水井中，使得系統內電流保持在較高的范圍，這是本系統固結效率較高的重要原因之一。三維協同電滲系統為并聯電路，試驗電流值始終遠遠大于傳統一維電滲試驗電流，這是該系統電滲效率始終遠遠高于一維電滲的又一重要原因。

3.2 三維和一維電滲試驗排水量

由圖5（a）可知，試驗過程中一維電滲試驗C2的電流值逐漸減小，電滲效率逐漸降低，導致其排水速率逐漸減緩，在45 h時排水完全停止，最終排水量為314 mL。由圖5（b）可知，S1第3次抽水后的電流值維持在一個相對穩定的范圍內，因此其80 h內排水速率變化幅度較小，排水穩定時間較長。C1的初始電流值高于S1，因此前期電滲過程中排水速率較快，但由于后期電流值在每次抽水后逐漸減小，排水速率減緩，排水穩定時間較短，C1在80 h時排水基本停止，且在80 h時排出了幾乎等量的水。試驗80 h時S1和C1的最大排水量分別為6 483 mL和6 433 mL。各試驗排水量變化情況見圖6（a）。

圖6 電滲過程中排水量和總能耗Fig.6 Displacement and total energy consumption during electroosmosis

3.3 三維和一維電滲試驗能耗

3.3.1 電滲過程中總能耗

電滲過程中的總能耗采用電流和電壓對時間的積分進行計算：

式中：E——電滲過程中的總能耗/（W·h）；

U——電滲過程中的施加電壓/V；

t——電滲時間/h。

三維試驗時使用抽水泵抽水，抽水泵會消耗一定能量：

式中：W——抽水泵所消耗能量/（W·h）；

P——抽水泵的功率/W；

tp——抽水泵的使用時間/h。

本試驗采用的抽水方式為間歇式抽水，每次時間較短，大約為3 min，抽水泵功率為150 W，三維電滲時每組試驗共抽水10次，抽水消耗總電能為7.5 W·h。

S1電滲總能耗為2 602.82 W·h，與抽水消耗總電能相加總和為2 610.32 W·h；C1電滲總能耗為2 488.17 W·h，與抽水消耗總電能相加總和為 2 495.67 W·h ；C2總能耗為117.23 W·h，三維電滲試驗的總能耗均為傳統一維電滲試驗的20倍左右，能耗之間的巨大差異主要由于三維試驗與一維試驗的體量相差較大。由圖6（b）可知，3種試驗條件電滲過程中的總能耗均呈現持續上升的趨勢。

由于三維電滲系統的間歇式抽水使電流出現周期性減小——增大的現象，因此能耗在抽水前后出現波動，圖7以S1為例示意了這種變化。由式（6）可知，在電源輸入總電壓不變的情況下，總能耗值只與電流值有關。抽水后至下一次抽水前，能耗的增長速率呈逐漸增大的趨勢；抽水后，由于電流值驟然變小，能耗的增長速率驟然降低，其后再次逐漸增大，導致能耗增長速率波動。抽水后能耗增長率驟然降低，說明三維電滲裝置中多功能集水井的應用及間歇式抽水設計有利于電滲過程中總能耗的降低，有利于提升電滲效率。

圖7 S1、C1工況抽水點能耗變化示意圖(以S1為例)Fig.7 Schematic diagram of energy consumption change at pumping point in S1 and C1 (Take S1 as an example)

3.3.2 平均能耗

三維電滲試驗與一維電滲試驗的體積和排水量均相差較大，為使能耗的對比更加準確，計算了2種試驗結束時各組試驗的平均能耗：單位體積排水能耗Ev，即每單位體積土體（1 m3）排水所消耗的平均能耗；單位體積單位排水量能耗Edv，即每單位體積土體（1 m3）排出單位排水量的水（1 mL）所消耗的平均能耗。計算方法為：

式中：V——土樣體積/m3；

Q——排水量/mL。

圖8為三組試驗的Ev與Edv對比。試驗結束時S1和C1的Ev和Edv大致相同， C2的Ev與Edv分別為三維電滲試驗的1.5倍、30倍左右。因此，本研究采用的三維電滲裝置單位能耗更低，電滲效率遠大于傳統一維電滲試驗，且對于不同的土體均具有非常明顯的降低能耗的效果。

圖8 S1、C1和C2的Ev與EdvFig.8 Ev and Edv of S1, C1 and C2

需要說明的是，C1、C2試驗在試驗結束時排水均已停止，計算Ev、Edv的時間節點均為排水結束時間，S1選取80 h，即取S1、C1兩組試驗排水量大致相同的時間節點進行計算。此時S1的排水速率仍處于較高的狀態，試驗繼續進行，排水量仍會持續快速增長，并且其能耗上升速率較慢。排水量上升速度快而能耗上升速度慢，S1的Ev與Edv仍會處于較低的水平，因此80 h時S1的計算結果能夠代表S1的最終結果。

4 結論

（1）本研究采用的三維電動-水力滲透協同固結系統打破了傳統一維和二維的電滲思路，采用環式布置電極，實現并聯電路，提高系統電流。采用間歇式抽水方式，抽水后電流降低，減少能耗，結合多功能集水井使井內外形成水頭差，并使電流維持在一定范圍內，將水力滲流和電滲流相結合，達到二者協同的三維滲流效果，提高了電滲效率、降低了能耗。

（2）土體種類相同的情況下，三維電滲裝置的單位體積排水能耗、單位體積單位排水量能耗分別為傳統一維電滲排水裝置的2/3和1/30左右，證明了三維電動-水力滲透協同固結系統擁有降低能耗的作用，并且該三維固結系統對不同種類的土體具有相同的降低耗能的效果。

（3）大尺寸三維電動-水力滲透協同固結系統可以解決電滲能耗高的關鍵問題，并且該裝置及工藝易于現場操作，本研究成果可為實際工程應用提供可靠的數據支持和設計依據。