董索 李建清 陳利強(qiáng)

摘要：我國(guó)江河大多含沙量高，水庫(kù)經(jīng)多年運(yùn)行后，普遍存在不同程度的淤積。水庫(kù)淤積嚴(yán)重影響水庫(kù)防洪安全、運(yùn)行安全、生態(tài)安全，是水庫(kù)運(yùn)行管理中亟待解決的重要問(wèn)題?？偨Y(jié)了水庫(kù)淤積性態(tài)規(guī)律研究、淤積物勘測(cè)、機(jī)械清淤及淤泥處理技術(shù)現(xiàn)狀，提出了水庫(kù)清淤面臨的深水清淤、環(huán)保清淤、水下孔洞清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術(shù)難點(diǎn)和對(duì)策思考。雖然目前國(guó)內(nèi)外在水庫(kù)清淤技術(shù)和設(shè)備研究應(yīng)用上均有所進(jìn)展，但總體還處于研究試點(diǎn)階段。未來(lái)還需結(jié)合技術(shù)難點(diǎn)和已有研究成果，加大開(kāi)展水庫(kù)淤泥勘測(cè)、清淤、干化、資源化利用一體化水上施工平臺(tái)及設(shè)備研究，為水庫(kù)清淤工作的大規(guī)模開(kāi)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)淤積;深水清淤;環(huán)保清淤;水下孔洞清淤;淤泥資源化利用

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV697.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.009

1 研究背景

我國(guó)江河大多含沙量高，在河流上修建水庫(kù)后，水位抬高，流速降低，必然導(dǎo)致泥沙在水庫(kù)中淤積。我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)約9.8萬(wàn)座，90%以上修建于20世紀(jì)50～70年代，經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行，普遍存在不同程度的淤積。目前，在全國(guó)范圍內(nèi)尚未系統(tǒng)地開(kāi)展水庫(kù)淤積調(diào)查。根據(jù)2012年水利部組織對(duì)山西、陜西、貴州、江西4個(gè)典型省份水庫(kù)淤積情況的調(diào)查結(jié)果，山西省有水庫(kù)731座，總庫(kù)容47.65億m3，淤積庫(kù)容約16.20億m3;陜西省有水庫(kù)1 019座，總庫(kù)容40.43億m3，淤積庫(kù)容約13.75億m3;貴州省有水庫(kù)1 971座，總庫(kù)容25.40億m3，淤積庫(kù)容約1.1億m3;江西省有水庫(kù)9 793座，總庫(kù)容295.5億m3，淤積庫(kù)容約8.93億m3[1]。

水庫(kù)淤積會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題：導(dǎo)致庫(kù)容損失，降低水庫(kù)防洪和興利效益;抬高回水位、增加水庫(kù)淹沒(méi)損失;壩前堆淤影響工程正常和安全運(yùn)行;清水下泄引起下游河道沖刷;污染物隨泥沙淤積沉淀污染水質(zhì)等。因此，水庫(kù)淤積嚴(yán)重影響水庫(kù)防洪安全、運(yùn)行安全、生態(tài)安全，是水庫(kù)運(yùn)行管理中亟待解決的重要問(wèn)題。

2 水庫(kù)清淤研究現(xiàn)狀

2.1 水庫(kù)淤積形態(tài)研究

韓其為[2]對(duì)水庫(kù)泥沙運(yùn)動(dòng)、水庫(kù)淤積形態(tài)等方面開(kāi)展了大量研究工作，目前普遍認(rèn)為水庫(kù)淤積形態(tài)取決于壩前水位壅高程度、含沙量和泥沙粒徑、水庫(kù)地形條件、水庫(kù)運(yùn)用方式等。水庫(kù)淤積的典型形態(tài)有三角洲、錐體、帶狀等3種淤積體[2]。

三角洲淤積體的特點(diǎn)是淤積厚度達(dá)到一定程度后，淤積體向庫(kù)區(qū)推進(jìn)，呈現(xiàn)出中間厚、兩端薄的特點(diǎn)。錐體淤積體的特點(diǎn)是淤積厚度沿程遞增，至壩前淤積厚度達(dá)到最大;帶狀淤積體的特點(diǎn)是庫(kù)尾淤積厚度沿程分布較均勻。三角洲淤積體一般出現(xiàn)在壩前水位較穩(wěn)定、壅水較高且具有一定回水長(zhǎng)度的水庫(kù)。錐形淤積體一般出現(xiàn)在水庫(kù)壅水低、壩前仍有一定流速，水庫(kù)回水短、含沙量高或顆粒很細(xì)區(qū)域，通常因水庫(kù)較小，淤積無(wú)法充分發(fā)展。帶狀淤積體一般出現(xiàn)在壩前水位變幅很大，有較長(zhǎng)回水區(qū)。此外，水庫(kù)淤積平衡后均為錐形淤積體[3]。

2.2 水庫(kù)淤積勘測(cè)技術(shù)

國(guó)內(nèi)外淤泥測(cè)量普遍采用鉆孔取樣、靜力觸探、聲吶探測(cè)、放射線(xiàn)探測(cè)等方法，目前水庫(kù)淤泥主要采用淺地層剖面儀進(jìn)行探測(cè)。淺地層剖面儀通過(guò)聲波的傳播和反射特性對(duì)淺底地層剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)[4]。淺地層剖面儀底層穿透深度大、分辨率較高，具有圖像連續(xù)、便于操作、探測(cè)速度快的特點(diǎn)，可快速、精確探測(cè)淤泥厚度;探測(cè)深度可達(dá)200 m，能夠穿透40 m的泥層，精度可達(dá)厘米級(jí)，已在柴河水庫(kù)[5]等清淤工程成功應(yīng)用。

目前，水庫(kù)淤泥性狀勘察常用重力取樣器，其基本原理是利用取樣器本身的重力，將中空的取樣管直接貫入湖泊沉積物，并用密封裝置確保樣品在提升過(guò)程中不會(huì)掉落。重力取樣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、取樣質(zhì)量高。淤泥取樣后需測(cè)定不同深度的檢測(cè)指標(biāo)，包括物理指標(biāo)及污染物指標(biāo)，為清淤方案選擇提供基礎(chǔ)資料?；A(chǔ)物理指標(biāo)包括pH值、含水率、含沙率、顆粒分析、物理力學(xué)性能指標(biāo)等;污染物指標(biāo)包括一般性污染物指標(biāo)、無(wú)機(jī)元素及其化合物指標(biāo)、有機(jī)污染物指標(biāo)、農(nóng)藥類(lèi)指標(biāo)等。

2.3 水庫(kù)機(jī)械清淤技術(shù)

選擇水庫(kù)清淤設(shè)備時(shí)，應(yīng)綜合考慮水庫(kù)水深、淤泥成分、排泥場(chǎng)設(shè)置與距離、動(dòng)力源配備及要求、水庫(kù)地形地貌條件、施工強(qiáng)度要求、設(shè)備運(yùn)輸及進(jìn)出場(chǎng)道路狀況、氣象條件及水庫(kù)水質(zhì)狀況等。常用的干地清淤機(jī)械有挖掘機(jī)、水力沖挖;水下清淤機(jī)械有抓斗挖泥船、絞吸式挖泥船、環(huán)保絞吸式挖泥船、氣動(dòng)泵船等（見(jiàn)表1）。挖掘機(jī)干地開(kāi)挖效率高，但需放空水庫(kù)，適用于小型水庫(kù)或有條件放空的水庫(kù)。抓斗挖泥船取料濃度大，對(duì)水體攪動(dòng)大，效率低，適用于淺水區(qū)作業(yè)及對(duì)水體環(huán)境無(wú)要求的水庫(kù)。絞吸式挖泥船取料濃度小，對(duì)水體有一定攪動(dòng)，適用于對(duì)水體環(huán)境要求不高的水庫(kù)。環(huán)保絞吸式挖泥船取料濃度大，作業(yè)過(guò)程基本無(wú)污染，適用于對(duì)水體環(huán)境要求高的水庫(kù)。氣動(dòng)泵船取料濃度大，工作效率一般，工作水深大，適用于對(duì)水體環(huán)境要求高的水庫(kù)。

淤泥輸送一般有汽車(chē)運(yùn)輸、管道輸送、泥駁輸送等方式。汽車(chē)運(yùn)輸方便靈活，但運(yùn)輸效率較小，運(yùn)輸費(fèi)用較高，對(duì)環(huán)境影響大。管道輸送是最常用的輸送方法，適用于淤泥輸送目的地穩(wěn)定不變，淤泥流動(dòng)性較高、含水率較高，該法環(huán)保性好、操作方便、效率高，但投資較大。泥駁輸送適用于輸送不同含水率的淤泥，具有靈活方便、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，但須在岸上設(shè)中轉(zhuǎn)站。

2.4 水庫(kù)淤泥處置及資源化利用技術(shù)

常用淤泥脫水處理方法有自然脫水干燥法、真空預(yù)壓排水固結(jié)法、土工管袋法、機(jī)械脫水法、攪拌固化法等（見(jiàn)表2）。自然脫水干燥法是指淤泥在干化場(chǎng)內(nèi)自然風(fēng)干;土工管袋法是利用自重和加壓管袋過(guò)濾水;攪拌固化法是在淤泥中添加固化劑;機(jī)械攪拌固化、機(jī)械脫水法是利用離心機(jī)、帶式壓濾機(jī)、板框式壓濾機(jī)等機(jī)械將淤泥中水分?jǐn)D出。淤泥自然脫水干燥法處理成本低，但占地面積大，其他固化方法成本均較高。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)水庫(kù)淤積性態(tài)研究已開(kāi)展數(shù)十年，對(duì)水庫(kù)淤積形態(tài)有較深入的了解，淤積物勘測(cè)、機(jī)械清淤及淤泥處理技術(shù)在港口、河道、湖泊清淤工程中均有應(yīng)用基礎(chǔ)，具備開(kāi)展常規(guī)水庫(kù)清淤的條件。

3 水庫(kù)清淤技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

3.1 水庫(kù)深水清淤

我國(guó)水庫(kù)多選擇在高山峽谷地區(qū)建壩，最大壩高已超過(guò)300 m。相較于湖泊和河道清淤，水庫(kù)清淤具有壩前水深大、水深變化范圍大、淤積物粒徑差別大的特點(diǎn)，且水庫(kù)多建于內(nèi)陸地區(qū)，不具備通航條件，大型挖泥船難以進(jìn)入。荷蘭、意大利、日本等國(guó)企業(yè)研發(fā)的深水清淤設(shè)備價(jià)格和施工成本均較高。研究開(kāi)發(fā)出易拆裝、施工簡(jiǎn)便、工效高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)的清淤設(shè)備是水庫(kù)深水清淤面臨的技術(shù)難題。

國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)的深水清淤設(shè)備通常利用氣力提升原理。如江蘇氣力泵疏浚系統(tǒng)疏浚深度可達(dá)160 m，排距達(dá)2 500 m，適用于淤泥、粉細(xì)砂等細(xì)顆粒松散淤積物，管道輸送距離遠(yuǎn)。使用該設(shè)備在云南撫仙湖進(jìn)行了深水清淤，最大作業(yè)水深154 m。新型氣動(dòng)式深水清淤系統(tǒng)作業(yè)深度可達(dá)160 m，施工效率高，作業(yè)無(wú)污染，適用于粒徑較大的砂礫石、砂卵石等淤積物，管道輸送距離較短。該系統(tǒng)在三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州段進(jìn)行了深水清淤，作業(yè)水深60～110 m，淤積物為砂礫石，采用船舶外運(yùn)出渣方式，完成清淤63.9萬(wàn)m3，生產(chǎn)能力達(dá)325 m3/h[6]。我國(guó)水庫(kù)深水清淤機(jī)械的應(yīng)用整體還處于試點(diǎn)階段，還需根據(jù)試點(diǎn)工程經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)成本低、工效高、對(duì)淤積物粒徑及水位變幅適應(yīng)性強(qiáng)的水庫(kù)深水清淤設(shè)備。

3.2 水庫(kù)環(huán)保清淤

環(huán)保清淤是指以改善水環(huán)境為目的，對(duì)水庫(kù)淤泥進(jìn)行清淤，其對(duì)清淤的精度、防污染物二次擴(kuò)散、底泥處理等要求較高。環(huán)保絞吸式挖泥船和氣力泵船是應(yīng)用較為廣泛的環(huán)保清淤設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)對(duì)底泥的擾動(dòng)影響小，吸入泥漿濃度高，可有效減少污染物的擴(kuò)散。環(huán)保絞吸式挖泥船一般作業(yè)水深在30 m以?xún)?nèi)，氣力泵船最大挖深可達(dá)200 m。近年來(lái)，環(huán)保清淤技術(shù)已成功應(yīng)用于我國(guó)部分湖泊清淤工程，典型案例有江蘇太湖、云南滇池[7-8]等工程，但在水庫(kù)中的應(yīng)用較少。

水庫(kù)環(huán)保清淤的難點(diǎn)有：

（1）對(duì)具有供水功能的水庫(kù)，水庫(kù)環(huán)保清淤不能影響水庫(kù)供水。具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①水庫(kù)無(wú)法放空施工，需進(jìn)行水下清淤作業(yè);②施工時(shí)不能擾動(dòng)底泥污染物，以免影響供水水質(zhì)。

（2）水庫(kù)庫(kù)底環(huán)境復(fù)雜，水深變化較大，而環(huán)保清淤作業(yè)對(duì)清淤要求高，因此對(duì)清淤機(jī)械適應(yīng)性要求高。

（3）清淤后底泥、余水中污染物需進(jìn)行環(huán)保處理。

隨著我國(guó)對(duì)水生態(tài)環(huán)境的要求逐漸提高，水庫(kù)環(huán)保清淤正在進(jìn)行試點(diǎn)工作，如通濟(jì)橋水庫(kù)環(huán)保清淤試點(diǎn)工程[9]。通濟(jì)橋水庫(kù)水質(zhì)常年為III類(lèi)、IV類(lèi)，主要影響因子為T(mén)N，庫(kù)底淤積量達(dá)258萬(wàn)m3，庫(kù)區(qū)水深10～30 m。選用深水環(huán)保絞吸式挖泥船清淤，通過(guò)對(duì)清淤點(diǎn)附近水質(zhì)的跟蹤監(jiān)測(cè)，清淤施工僅對(duì)距離絞刀頭20 m范圍內(nèi)的水體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，清淤作業(yè)擾動(dòng)范圍較小，影響持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)取水口水質(zhì)基本無(wú)影響。疏浚底泥經(jīng)格柵機(jī)、沉淀池、物料池、板框式壓濾機(jī)處理脫水干化后用于修復(fù)礦山和制磚，余水經(jīng)過(guò)濾、添加絮凝劑處理，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后排放至河道。

3.3 孔洞水下清淤

除庫(kù)區(qū)及壩前淤積外，水庫(kù)泄洪建筑物、引水建筑物在長(zhǎng)期運(yùn)行后，也會(huì)存在泥沙、石塊、樹(shù)枝、垃圾在孔洞口及洞內(nèi)淤積情況，降低建筑物過(guò)流能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堵塞，使閘門(mén)無(wú)法順利提升開(kāi)啟，影響水利工程正常、安全運(yùn)行。當(dāng)水庫(kù)不具備放空清淤條件時(shí)，需要進(jìn)行水下清淤。孔洞水下清淤施工作業(yè)面小，孔洞內(nèi)部淤積物復(fù)雜，作業(yè)條件差，普通挖泥船無(wú)法施工。目前孔洞水下清淤實(shí)施案例較少，一般由潛水員配合清淤機(jī)械施工。鴨河口水庫(kù)循環(huán)水泵站進(jìn)口淤積了大石塊、碎石、泥沙等雜物，清淤深度約18 m，清淤工程采用潛水員配合鋼索牽引式犁耙將大塊石、膠泥塊等雜物排出涵洞，再由潛水員手持水槍沖刷淤泥，氣升式吸泥器吸泥[10]。該工程耗時(shí)8個(gè)月，清淤約1 800 m3，潛水員下水作業(yè)1 286次。

孔洞水下清淤的難點(diǎn)有：水利工程孔洞水深較大、洞身長(zhǎng)、洞內(nèi)雜物多、能見(jiàn)度低、作業(yè)條件差，潛水員在孔洞內(nèi)操作高壓水槍、吸泥管等機(jī)械時(shí)容易發(fā)生機(jī)械傷害，尤其對(duì)于深水部位長(zhǎng)的孔洞，清淤潛水員施工風(fēng)險(xiǎn)較大，亟需研發(fā)適應(yīng)于水下孔洞清淤的施工機(jī)械。

目前，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)和科研院所正在開(kāi)展水下清淤機(jī)器人的研究工作。浙江大學(xué)研發(fā)了一種基于水下機(jī)器人的水下孔洞清淤方法[11]，利用水下機(jī)器人替代潛水員，將耙子的耙齒釘入淤積物，由卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)牽引繩將耙子拉出水下孔洞外，可清除樹(shù)枝等大塊物體;還可利用水下機(jī)器人放置碎淤設(shè)備和渣漿軟管清除淤泥。長(zhǎng)沙礦冶研究院研發(fā)了一種深水清淤車(chē)[12]，結(jié)構(gòu)包括車(chē)體、行走裝置和攪吸裝置，可實(shí)現(xiàn)不依靠船載設(shè)備，自行進(jìn)行水下清淤工作。總體來(lái)說(shuō)，水下孔洞機(jī)械清淤還處于研究及試點(diǎn)階段。未來(lái)結(jié)合工程實(shí)際需要，可研發(fā)搭載水下孔洞勘察、檢測(cè)、清淤等多功能模塊的水下機(jī)器人。

3.4 淤泥脫水處理

淤泥常規(guī)脫水處置需要布置干化池或沉淀池、調(diào)理池、脫水固化工廠(chǎng)等，而位于高山峽谷地區(qū)的水庫(kù)，難以找到大面積的淤泥固化及處置地點(diǎn)，淤泥脫水處理是水庫(kù)清淤面臨的重要問(wèn)題之一。美國(guó)密西西比國(guó)際水務(wù)有限公司研究了一種水面平臺(tái)上就地實(shí)施淤泥清理的系統(tǒng)[13]，浮動(dòng)平臺(tái)上包括抽吸淤泥裝置、前處理裝置和干餾裝置，淤泥最終制成生物碳土。該設(shè)施不占用土地，無(wú)淤泥外運(yùn)，不造成水體和環(huán)境的二次污染，為水庫(kù)清淤機(jī)械及淤泥脫水處理方式提供了新的思路。

3.5 淤泥資源化利用

水庫(kù)淤積量大、淤泥成分和分布復(fù)雜，如何無(wú)害化、資源化處置水庫(kù)淤泥是亟待解決的水庫(kù)清淤難題。根據(jù)國(guó)內(nèi)湖泊和河道疏浚經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于含沙量高的淤泥，可用作建筑材料、燒制磚等;對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量高的淤泥，可用作覆土造田、改造低產(chǎn)田、場(chǎng)礦治理等。如紅崖山水庫(kù)[14]淤積物為壤土或粉質(zhì)黏土，經(jīng)沉淀和晾曬脫水后用作回填料，摻配黏土巖粉碎細(xì)磨料用于壩體防滲料。賦石水庫(kù)淤積物含沙量高，淤泥篩分砂石料出售，經(jīng)濟(jì)效益較好[15]。

水庫(kù)淤積物成分、淤泥處理?xiàng)l件不盡相同，需結(jié)合水庫(kù)實(shí)際情況，因地制宜地采用經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的處置方式。國(guó)內(nèi)水庫(kù)清淤淤泥處置方式以棄渣場(chǎng)堆存或用作造地回填料為主，是由于水庫(kù)位于偏遠(yuǎn)山區(qū)，建材需求較低，運(yùn)距遠(yuǎn)，且淤泥加工為建筑材料成本較高。目前，經(jīng)處理后，水庫(kù)淤積物作為砂料利用仍存在政策方面的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)淤積嚴(yán)重影響水庫(kù)防洪安全、運(yùn)行安全、生態(tài)安全，是水庫(kù)運(yùn)行管理中亟待解決的重要問(wèn)題。我國(guó)水庫(kù)淤積性態(tài)研究已開(kāi)展數(shù)十年，對(duì)水庫(kù)淤積性態(tài)規(guī)律有較深入的了解，淤積物勘測(cè)、機(jī)械清淤及淤泥處理技術(shù)均較成熟，具備開(kāi)展常規(guī)水庫(kù)清淤條件。但水庫(kù)清淤仍存在深水清淤、環(huán)保清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術(shù)難點(diǎn)。雖然目前已在深水清淤船、環(huán)保式絞吸船、淤泥環(huán)保處理工藝、孔洞水下清淤機(jī)器人研發(fā)、水上清淤及固化處理平臺(tái)、淤泥制作建筑材料等方面開(kāi)展了研究，并應(yīng)用于一些水庫(kù)清淤試點(diǎn)工程，取得了一些研究成果，但總體還上還處于研究試點(diǎn)階段。

結(jié)合上述技術(shù)難點(diǎn)和研究成果，可開(kāi)展水庫(kù)淤泥勘測(cè)、清淤、干化、資源化利用一體化水上施工平臺(tái)及設(shè)備研究，簡(jiǎn)化施工工藝，提高施工效率，降低清淤成本，提高淤泥資源化利用經(jīng)濟(jì)效益，有利于大規(guī)模開(kāi)展水庫(kù)清淤工作。

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（編輯：李曉濛）