王青峰，周 琪，劉曉光

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310000；2.華北水利水電大學，鄭州 450000）

水庫在水利工程上具有重要作用。首先，水庫的滯洪與蓄洪作用使其廣泛應用在防洪工程中，為民生安全提供保障；其次，水庫可為附近地區(qū)提供灌溉及生活用水并可對庫區(qū)及下游進行徑流調(diào)節(jié)；此外，水庫在漁業(yè)養(yǎng)殖及水壩水利發(fā)電方面能夠產(chǎn)生較為可觀的經(jīng)濟效益。中國是世界上水庫最多的國家，據(jù)中華人民共和國水利部發(fā)布的《2020年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》統(tǒng)計，截至2020年底，我國已建成各類水庫98 566座，水庫總庫容9 306億m3，其中大型水庫與中型水庫數(shù)量分別為774座與4 098座。但我國水庫多數(shù)建造于1950年至1980年期間，受當時的設計建造水平及社會經(jīng)濟發(fā)展限制，水庫對排沙設計考慮不足甚至缺少合理的排沙設計方法[1]。而我國河道中泥沙含量普遍較高，在其上建造水庫后，由于壩體的存在，水中夾雜的泥沙會遭到攔截，同時水體流速及勢能也會遭受一定的損失，外加庫尾地區(qū)水體回流現(xiàn)象的影響，水中泥沙在水庫內(nèi)尤其是壩前和水庫尾部的沉積就在所難免。某些人為因素亦會加重水庫的淤積：如在庫區(qū)附近亂采濫伐致使土壤流失，從而引起庫區(qū)排水溝渠及溢洪道等的堵塞；部分處于郊區(qū)的規(guī)模較小的水庫，出于經(jīng)濟效益，其附近往往會進行房地產(chǎn)開發(fā)建設，開發(fā)過程中可能會造成原有的排水溝渠堵塞[2]。早在2003年，田海濤等[3]根據(jù)115座具有代表性的中國內(nèi)地水庫淤積資料推算出：中國大陸地區(qū)的庫區(qū)淤積率已達到20%左右，每年因泥沙淤積而損失0.76%左右的庫容，也就是每年減少約42.3億m3的庫容。水庫淤積不僅是對水庫調(diào)節(jié)庫容及興利庫容的侵占，更是對良好水庫壩址的浪費，同時淤積在水庫中的泥沙會磨蝕泄水建筑物和發(fā)電設備的機輪，降低其效能及使用期限，造成嚴重的經(jīng)濟損失[1]。水庫淤積會抬高回水位，從而增大水庫被淹沒的風險，并且錐體淤積會加大壩體受到的泥沙壓力，對壩體的穩(wěn)定性造成影響，從而威脅壩址附近民眾的生命財產(chǎn)安全。此外，在水庫中長期淤滯的泥沙會不斷吸附流經(jīng)水體中的銅、鉛、汞等重金屬及氮、磷等有機質(zhì)，造成庫區(qū)水質(zhì)降低，不僅難以補救，而且會影響附近住戶的生活用水，危害民眾生命健康[4]。因此，結合現(xiàn)在的科技水平及工程裝備條件，對水庫的淤積探測、清淤技術及淤泥處理技術進行探究，從而更好地恢復水庫庫容，使水庫安穩(wěn)長久運行，是十分必要的。

1 水庫淤積情況探測技術

對水庫的淤積情況進行探測可以為后續(xù)清淤提供數(shù)據(jù)支持，使清淤工作更加方便快捷，是開展水庫清淤工程的基礎。國際上對淤積層厚度的探測主要采用鉆孔法、靜力觸探法、聲吶測量法及放射線探測法等方法。如今淺地層剖面儀（圖1）因其便攜及精準性成為了水庫淤積深度及分布探測最常用的探測儀器[5]。淺地層剖面儀主要由聲納收發(fā)系統(tǒng)、GPS定位儀、姿態(tài)儀及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，利用聲音在不同介質(zhì)中具有不同傳播速度的特性，通過發(fā)射與接受聲波的間隔對水深、泥沙厚度進行測量。淺地層剖面儀具有操作簡單、方便攜帶、分辨率高、數(shù)據(jù)準確及可連續(xù)測量等優(yōu)點。在進行水庫淤積探測時，可將淺地層剖面儀安裝在測船底部，GPS定位儀可精準定位測點，姿態(tài)儀可對測船在運動過程中實時進行三維姿態(tài)補償測量，從而得到精準的水庫淤積測量數(shù)據(jù)[6]。經(jīng)淺地層剖面儀探測后，對于死庫容淤積率（淤積泥沙體積所占死庫容的百分比）大于60%的水庫需進行后續(xù)的清淤操作，以防淤積泥沙對水庫的興利及防洪功能帶來不利影響。對于淤積類型為錐體淤積且淤積泥沙已對或即將對水壩產(chǎn)生危害的水庫，即使死庫容淤積率小于60%，也應對其進行清淤。此外，對水庫淤積情況的探測不能只局限于對淤積深度及分布的探測，還需要對淤泥的成分、物理力學性質(zhì)及污染物情況進行探測，從而為后續(xù)清淤技術的選擇提供依據(jù)。因此還需借助高頻振動聲波鉆機對水庫淤泥進行取樣分析。高頻振動聲波鉆機的原理是利用高頻振動力或回轉(zhuǎn)力和壓力使鉆頭切入土層或軟巖進行取樣[7]，可與水上懸浮工作平臺相連接進行庫區(qū)淤泥勘測取樣工作，具有拆裝方便快捷、污染小、施工安全性高、樣品采集效率高且所取樣品完整性較好的優(yōu)點[8]。取樣后，對樣品進行物理力學性能試驗分析，對于樣品被污染的部分還需進行重金屬污染、氮磷等有機污染物及農(nóng)藥污染等的測試分析。此外，還可將樣品淤積層厚度與淺地層剖面儀所得數(shù)據(jù)進行比對，確保探測數(shù)據(jù)的準確性。

圖1 淺地層剖面儀

2 水庫清淤技術

2.1 沖刷清淤法

常用的沖刷清淤方法有滯洪排沙、泄空排沙及集中沖刷等。滯洪排沙適用于中小型洪水來臨的渾水水庫，當洪水到來時，及時開啟閘門，利用洪水的沖擊，將大量水中泥沙及部分淤積泥沙排出水庫。運用此種方法清淤時，必須控制水庫水位，使洪水不漫灘或少漫灘，同時要掌握開閘泄洪時機，及時開閘，盡可能加大下匯量。泄空排沙適用于淤積泥沙黏性較小或淤積泥沙尚未充分壓實固結的水庫，在洪水入庫前放空水庫，然后利用在泄洪過程中產(chǎn)生的沿程沖刷及溯源沖刷將淤積泥沙排出水庫。集中沖刷適用于平枯年間沒有額外儲備庫水進行排沙的水庫，在洪水來臨之際，趁著泄洪的機會利用水流的沖擊，使泥沙從泄洪孔排出。上述沖刷排沙的方法操作簡便，不需要額外排沙設備，但棄水量較大，且需保證淤積泥沙不含有害污染物以防污染周邊環(huán)境[8]。

2.2 放空干清法

放空干清法主要分為挖掘法及抽取泥漿法，挖掘法是在對水庫存水進行放空后，采用挖掘機及推土機進入水庫進行陸地工作，從而清除水庫淤泥。在使用該方法進行清淤前要先進行淤泥厚度勘測，從而確定挖掘機挖掘深度，以防在清淤過程中破壞水庫防滲層。挖掘法清除的淤積料可直接堆放或用渣土運輸車運輸，方便進行后續(xù)的泥沙處理。抽取泥漿法是在水庫放空后，使用高壓水槍對淤積料進行沖刷從而形成泥沙漿，然后使用泥漿泵直接將泥沙漿排出庫外。放空干清法清淤效率高，在清淤過程中可實現(xiàn)對清淤情況的實時把控，并且可順帶對庫岸邊坡進行清理，能保證對水庫清淤見底[2]，清淤完成后無需對水庫淤積情況再次查驗。但其缺點也很明顯：適用性較窄，僅適用于有條件對水庫進行放空的中小型水庫，且雨天對清淤工作影響較大，難以確保清淤工期。

2.3 虹吸清淤法

虹吸清淤法主要是利用虹吸現(xiàn)象將上游水庫中的淤積泥沙排到下游區(qū)域。在上游水庫至下游排淤區(qū)域架設虹吸式放水涵管或浮動軟管，清淤時先將管內(nèi)空氣從出水口排出，從而形成虹吸，水庫的淤積泥沙會隨水流從涵管進水口持續(xù)流向下游排水口。研究表明，該方法所排每立方米渾水中通?？珊?00～150 kg泥沙，最高可含700 kg以上泥沙[9]。缺點是排沙速率由上下游水位差決定，只能清除壩前一定范圍的淤積泥沙，且清淤所需水量較大。但可在下游出水口建立沉淀池，將沉淀后的清水用于農(nóng)田灌溉，以此來節(jié)約用水。此方法無需泄空水庫，不受枯水少雨季節(jié)影響，可根據(jù)各地農(nóng)田澆灌情況實現(xiàn)常年持續(xù)排沙[10]。因此該方法比較適用于臨近農(nóng)田且淤積類型為壩前錐形淤積的水庫。

2.4 挖泥船清淤法

挖泥船清淤法主要分為2種，一種是鉸吸式，另一種是氣力泵式。鉸吸式挖泥船（圖2）憑借旋轉(zhuǎn)的鉸刀鉸松并帶動淤積在庫底的泥沙，隨后由泥漿泵將泥沙漿泵送至指定區(qū)域，其作業(yè)水深一般在30 m以內(nèi)。對于水質(zhì)要求較高的水庫，鉸吸式挖泥船可搭配裝配有導泥擋板、絞刀密封罩、絞刀水平調(diào)節(jié)器等裝置的環(huán)保絞刀來降低鉸刀對淤積物產(chǎn)生的擾動。清淤時鉸刀始終平貼于庫底，密封罩將擾動嚴格限制在罩內(nèi)區(qū)域，以防污染物擴散污染庫水，同時密封罩的存在也起到提高排出漿液含沙率的作用。鉸吸式挖泥船優(yōu)點是集挖泥、輸泥和卸泥一體化，耗水量少，清淤效率較高，清淤過程中不影響水庫的正常運行，且可通過選配不同部件適應多種清淤環(huán)境。氣力泵式挖泥船主要由柴油發(fā)電機、泥漿泵、吸淤管、空氣壓縮機、固液分離裝置、排泥管及船體等部件組成。氣力泵式挖泥船可在較深水域進行清淤，同時清淤時可將淤積料及水進行初步分離，并將余水返還水庫，耗水較少，清淤效率高，而且且操作簡便，泵體扇葉不直接與泥沙漿接觸，部件磨損率較低，經(jīng)久耐用且便于維護。鉸吸式及氣力泵式挖泥船均采用分體式設計，安裝拆卸方便，適用范圍廣。

圖2 鉸吸式挖泥船

3 淤積泥沙處理

淤積泥沙的處理要按照“可控化、減量化、資源化、無害化”的可持續(xù)發(fā)展原則，根據(jù)淤積泥沙的性質(zhì)、類型及工程要求，選擇相應的技術手段。淤積泥沙污染的可控化可采用物理方法阻斷泥沙吸附的有害物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的擴散，無害化可采用化學法或者生物法消減污染物的毒性。水庫淤積泥沙處理主要分為清淤前泥沙處理及清淤后泥沙處理2步。

3.1 清淤前泥沙處理技術

常用的清淤前泥沙處理技術主要包括化學處理、生物修復、生態(tài)修復及綜合修復等技術。清淤時需根據(jù)污染物特性、各種方法的特點及清淤工程的實際需求，選擇合適的方法阻斷污染物的擴散并消除其毒性。

化學處理是指依靠向水體或淤積層投加化學修復藥劑，利用其與污染物發(fā)生化學反應促進污染物降解或抑制淤積層污染物釋放的淤積泥沙處理技術。生物修復是指通過投加外援微生物或激活土著微生物等方式，利用微生物的代謝活動降解和減輕淤積層污染物的毒性，實現(xiàn)對污染淤積泥沙的治理。生態(tài)修復主要指采用水生植物、生態(tài)綠島、曝氣增氧等綜合手段進行污染淤積泥沙修復的技術。綜合修復技術是指綜合采用微生物、生物、化學、生態(tài)甚至物理修復等技術手段實現(xiàn)污染淤積泥沙的治理，發(fā)揮不同技術優(yōu)勢，聯(lián)合作用以提高綜合修復效果，以克服單一手段帶來的一些弊端。

清淤前泥沙處理技術是在原地對受污染的泥沙進行處理，可以有效降低清淤時因擾動造成的淤積泥沙再懸浮對水體造成的二次污染，同時可以減少底泥在運移過程中向周圍環(huán)境流放的污染物總量。對于淤積層未被污染或采用環(huán)保清淤法進行清淤的水庫可跳過該步驟直接進行后續(xù)清淤操作。

3.2 清淤后泥沙處理技術

清淤后泥沙處理技術是指采用疏浚設備將淤積泥沙疏浚至岸邊或運移至指定場地，通過淤積泥沙預處理及脫水，使得淤積泥沙能夠“減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化”地處理，主要包括化學固化法、機械分離法、土工管袋脫水法等。

化學固化法就是在水庫清淤泥沙漿中加入固化劑并充分攪拌，固化劑、水及空氣充分反應后固化，會使泥沙漿高含水率、低強度的特性得到顯著改善。該方法的優(yōu)點是固化后的產(chǎn)物可用于工程建設，無需長期占用堆放場地，能以較低的成本帶來較大的經(jīng)濟效益。該方法的缺點是固化后的泥沙需要養(yǎng)護處理，養(yǎng)護周期相對較長，根據(jù)添加的固化劑不同，需要3～20 d左右的養(yǎng)護時長，對養(yǎng)護場地面積及使用時間要求較高。

機械分離法是將清淤產(chǎn)生的泥沙漿體，通過垃圾分選機篩除泥沙漿中垃圾雜物后，將泥沙漿送入泥沙分離池，將分離出的泥漿液送入沉淀池進行二次脫水濃縮。采用泥漿泵或小型絞吸式挖泥船將沉淀池底部濃縮泥漿送入添加疏水劑和疏水固化劑的拌合系統(tǒng)，拌合后送入脫水固化設備。脫水后可分離出含水率小于等于40%的泥餅及退水，泥餅可用于其他工程，退水經(jīng)化學處理符合庫水相關要求后可還庫。本方案的優(yōu)點是淤積泥沙中的含沙可分離并資源化利用，泥餅無需養(yǎng)護，可直接資源化利用。

土工管袋脫水法是利用管袋的孔隙過濾作用達到泥沙與水分離的目的。向泥沙漿中添加凈水劑，攪拌均勻后裝入土工管袋，隨后將管袋堆放在階梯式儲水場地靠上的階梯部位，利用管袋的過濾作用、管袋的相互擠壓作用及水體自重作用達到泥沙與水的分離，泥沙被攔截于袋內(nèi)，水體流入儲水池，管袋內(nèi)泥沙可收集作為填筑材料，池內(nèi)水體處理達標后可用于附近農(nóng)田灌溉。土工管袋脫水法經(jīng)濟便捷，且在脫水過程中無噪音產(chǎn)生，但由于淤積泥沙滲透系數(shù)低，土工管袋脫水法效率較低，工期較長，根據(jù)類似經(jīng)驗，需要一年甚至更長時間。適用于工期較為寬松的項目以及干燥少雨、有長期可用堆放場地的地區(qū)。

對淤積泥沙進行處理就是為了實現(xiàn)在最大限度保護水庫區(qū)域水土及生態(tài)環(huán)境的情況下，對廢棄資源再利用，在節(jié)約占地的同時創(chuàng)造經(jīng)濟價值。淤積泥沙經(jīng)處理后，達標的余水可返還水庫或用于農(nóng)田灌溉，泥沙可用于水庫擴容及壩體加高培厚與防滲[11]或作為制磚、建筑用沙及其他項目填方的用料，處理后的泥沙料符合GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》中二級標準要求的也可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如制作有機肥、改良土壤及填土造田等。

4 結束語

實施水庫清淤工程可以增強水庫的防洪及興利能力，從而保證庫區(qū)及下游居民的生命及財產(chǎn)安全。在進行清淤工程的同時，工作人員要加強對水庫庫容的長期監(jiān)測，及時掌握庫容淤積情況，在淤積泥沙未對水庫產(chǎn)生嚴重影響之前及時清淤。同時對淤積速度較快的水庫，要對其淤積成因及時進行分析研究，對入庫泥沙進行溯源分析，確認集水范圍內(nèi)泥沙產(chǎn)生原因，然后對癥下藥，從源頭上防淤減淤，從而實現(xiàn)水庫的“長治久安”。