向 燕,劉軼敏

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

1 概述

我國已建水庫約9.8萬座,總庫容9300億m3,目前全國中大型水庫的供水量超過2700億m3,占總供水量的40 %左右。湯浦水庫壩址位于曹娥江流域下游一級支流小舜江下游,距紹興市區(qū)23.5 km,水庫壩址以上集雨面積460 km2,總庫容2.35億m3,是一座以供水為主,兼有防洪、灌溉、改善水環(huán)境等綜合利用的大(2)型水利工程。

紹興市湯浦水庫現(xiàn)狀供水區(qū)人口已經(jīng)超過300萬,全年供水量近3.08億m3,已經(jīng)超過水庫原設(shè)計供水量。隨著水庫供水區(qū)需水量不斷增加,城鎮(zhèn)優(yōu)質(zhì)用水供需矛盾突出。本工程通過對庫尾區(qū)域的庫底淤積泥沙、砂卵石進(jìn)行清理開挖,增加湯浦水庫的供水調(diào)節(jié)庫容1542萬m3,提高湯浦水庫供水能力,改善庫區(qū)水環(huán)境,提高水庫供水質(zhì)量。

2 主要技術(shù)難點

(1)湯浦水庫為紹興市的一級水源地保護(hù)區(qū),不允許修建與水質(zhì)保護(hù)無關(guān)的設(shè)施且嚴(yán)禁清淤施工區(qū)的渾水進(jìn)入庫區(qū)。施工同時需正常供水并保證水質(zhì),因此整個施工期環(huán)保、水保要求極為嚴(yán)苛。

(2)庫區(qū)內(nèi)開挖施工具有明顯的季節(jié)性特點并嚴(yán)重依賴天氣情況,只能在水庫低水位條件下?lián)屪ァ按翱谄凇苯M織快速、高強度施工。

(3)施工期間投入機械設(shè)備數(shù)量多,作業(yè)多為涉水作業(yè),場內(nèi)運輸?shù)慕煌看?對道路通行能力要求高。

(4)因快速施工的要求,場內(nèi)道路、圍堰需滿足作業(yè)面靈活、頻繁調(diào)整的特性要求,需具備快建快拆的特點。

(5)施工區(qū)內(nèi)道路、圍堰等臨時工程修建主要材料為就近利用砂卵石開挖料,砂卵石形成的路基、堰體力學(xué)性能差,不穩(wěn)定,不具備防洪抗沖刷能力,使用性能差。

3 主要施工方法

3.1 施工工藝

庫區(qū)清淤開挖的工藝流程詳見圖1。

圖1 清淤開挖施工工藝流程

3.2 施工要點

3.2.1 施工準(zhǔn)備

(1)以年度為單位確定施工范圍,并根據(jù)范圍內(nèi)現(xiàn)狀灘面高程,結(jié)合歷年最高庫水位、最低庫水位、平均庫水位、歷次枯水年、歷年降雨量等信息,將施工范圍劃分為低灘地、中灘地和高灘地等3種清淤區(qū)域。其中低灘區(qū)為現(xiàn)狀灘面高程低于23.0 m的清淤區(qū),該類區(qū)域作業(yè)條件較好,可利用挖掘機直接開挖并裝車運輸;中灘區(qū)為現(xiàn)狀灘面高程介于23.0～26.0 m的清淤區(qū),該類區(qū)域灘面位于水面以下且超出挖掘機臂展作業(yè)范圍,施工條件較差,需采用水泵抽排水以降低水位,挖掘機涉水開挖;高灘區(qū)為灘面高程為26.00～32.05 m的清淤區(qū),該類區(qū)域施工位于水面以下超過3 m范圍,圍堰回滲量大,水泵排水難度大,挖掘機無法繼續(xù)開挖,需采用抓斗式挖泥船進(jìn)行水下清淤開挖。

(2)完成施工范圍的測量復(fù)核工作,確定各區(qū)域的開挖深度和工程量,并以一個班組7～10d完成清淤開挖的強度為標(biāo)準(zhǔn)將施工范圍劃分成若干小塊區(qū)域,同時完成道路和土埂圍堰的布置規(guī)劃以便迅速、高效地組織施工。

(3)因“窗口期”較短,需搶抓有限的施工機會。在任務(wù)重、時間緊、強度高的條件下并無充足時間做施工準(zhǔn)備工作,因此需要提前做好施工隊伍的組織工作,提前完成招投標(biāo)、教育培訓(xùn)、安全技術(shù)交底等工作。

(4)提前完成環(huán)保、水保措施的策劃和實施安排,措施和施工需同步進(jìn)行,并起到防護(hù)作用。

3.2.2 修筑土埂圍堰

(1)為盡量減少各個施工區(qū)的相互干擾、減少施工區(qū)擾動影響范圍、避免施工時施工區(qū)擾動的水土入庫影響庫區(qū)水質(zhì),需在各個施工區(qū)域外設(shè)置圍堰進(jìn)行有效隔離。高灘區(qū)因開挖區(qū)基本出露水面,圍堰可采用預(yù)留土埂的方式修建,中灘區(qū)和低灘區(qū)需采用填筑方式修建。

(2)因施工區(qū)內(nèi)砂卵石料源豐富并具備可重復(fù)利用且不產(chǎn)生污染等優(yōu)點,可作為圍堰的填筑料源。

(3)因考慮到預(yù)留土埂和砂卵礫石填筑體的力學(xué)性能差且不具備防滲和防洪抗沖刷能力,圍堰的體積適當(dāng)增大。圍堰高程以施工區(qū)5年一遇洪水水位超高50 cm設(shè)計,圍堰頂寬4.5 m,兩側(cè)按照1∶3進(jìn)行放坡,坡面設(shè)置1層反濾土工布作隔污層。圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計詳見圖2。

圖2 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計示意

3.2.3 修建臨時施工道路

(1)本工程的主要施工內(nèi)容為開挖和運輸清淤土石方,交通運輸能力是保證施工強度和效率最關(guān)鍵的因素。經(jīng)初步計算,以每年清淤開挖200萬m3為例,場內(nèi)每條臨時主干道的交通量需達(dá)到650～700車次/d,各施工區(qū)內(nèi)臨時支路的交通量約為200～250車次/d。運輸車輛的靜載約為40 t,動載約為50～60 t。

(2)場內(nèi)臨時道路分為兩種,一種為連通各個開挖區(qū)域與中轉(zhuǎn)料堆場的主干路,主干路路面高程以5年一遇洪水位為標(biāo)準(zhǔn)超高1.0 m,路面寬度為9.0 m。另一種為主干路延伸至開挖作業(yè)面的臨時分支道路,分支道路每隔30～50 m設(shè)置一條,其路面高程以施工區(qū)水位為標(biāo)準(zhǔn)超高50 cm,路面寬度4.0 m。

(3)路基由就近開挖的砂卵礫石為原料填筑而成,兩側(cè)坡比為1∶3.0。為提高路面強度和道路整體的使用性能,在分支道路路面滿鋪厚度為20 mm的勻質(zhì)鋼板,在主干路左側(cè)鋪設(shè)兩列(幅寬3.0 m),供載重車輛行駛,減少對路面的沖擊和破壞。

(4)場內(nèi)臨時施工道路隨各區(qū)塊開挖完成而結(jié)束運輸任務(wù),采用后退法逐步開挖拆除,路基砂卵礫石運往中轉(zhuǎn)堆場堆存,鋼板周轉(zhuǎn)利用。

臨時施工道路典型斷面結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 臨時施工道路典型斷面結(jié)構(gòu)示意

3.2.4 清淤開挖施工

(1)清理表層土和淤泥

湯浦水庫建庫前庫尾為村莊和農(nóng)田,蓄水前并未完全清除全部地面附著物和土方,經(jīng)20多年后在庫底沉積有大量淤泥和表層土,經(jīng)勘測探查厚度為0.3～4.6 m,需要先行開挖清理,然后再開挖下層砂礫卵石,直至開挖至基巖部位[1]。

因庫區(qū)清淤工作需搶占有利天氣和低水位施工條件,表層土和淤泥的清理工作采用“機械密集型矩陣式集群”的方式組織施工。即配置足量開挖裝運設(shè)備,以施工區(qū)劃分為單位組織密集的方陣同時施工,在短時間內(nèi)清理出足夠面積的區(qū)域,為多區(qū)域、多作業(yè)面同時展開高效開挖提供基礎(chǔ)。

表層土和淤泥開挖時需注意根據(jù)臨時施工道路的布置情況,多采用挖掘機接力翻渣的方式將開挖料由開挖區(qū)中央轉(zhuǎn)移至臨近道路方便裝車運輸?shù)奈恢?。?0～50 m設(shè)置一條分支道路連接分區(qū)主干路為例,挖掘機和25 t自卸車的配置比例約為1∶1.35。本工程在表層和淤泥開挖階段高峰期投入挖掘機87臺,自卸車120臺。

(2)挖掘機干挖施工

水庫庫區(qū)清淤開挖施工方案選擇與水位密切相關(guān),開挖面出露水面的高灘區(qū)域施工條件較好,適合采用挖掘機直接開挖的方式施工,其作業(yè)過程中不受水位、水流等影響,稱之為干挖施工。

干挖施工的工作面劃分仍以一個班組7 d左右的開挖量為標(biāo)準(zhǔn),因施工條件較好,開挖效率高,可以適當(dāng)擴(kuò)大工作面以減少臨時道路的修建量。

干挖施工每層開挖厚度3 m,施工過程中干挖區(qū)域每80～100 m從分區(qū)主干路接引布置一條4.0 m寬度分支道路,分支道路末端可直接隨開挖作業(yè)面的推進(jìn)而不斷延伸。

(3)水泵排水+挖掘機涉水開挖

當(dāng)清淤區(qū)處于水面以下或干挖深度超過3.0 m后即不具備干挖作業(yè)條件。同時,因采用砂礫卵石修筑的圍堰并不具有防滲能力,土埂圍堰外圍的水將快速回滲到開挖部位。施工過程中配置50 kW和20 kW柴油發(fā)電機和6 kW、7.5 kW、22 kW潛污泵相互搭配使用,持續(xù)抽水作業(yè),降低圍堰內(nèi)水位,創(chuàng)造施工機會。

為充分搶抓非汛期和低水位條件,減少工序的轉(zhuǎn)換和銜接間隙,提高開挖效率,施工過程中采用干挖和水泵排水挖掘機涉水開挖同時進(jìn)行。即在平面上進(jìn)行分區(qū),分區(qū)內(nèi)縱向進(jìn)行分層作業(yè)。上層由挖掘機完成3.0 m范圍內(nèi)清淤,當(dāng)形成下層作業(yè)面時配置水泵進(jìn)行降水,水位下降至挖掘機可作業(yè)高度時則展開涉水開挖作業(yè)。

(4)抓斗式挖泥船水下開挖

清淤開挖范圍內(nèi)低灘區(qū)及中、高灘區(qū)采用挖掘機涉水開挖,不能挖到的部位需采用水下開挖方式施工。水下清淤開挖施工前需將隔水土工膜施工完成,將施工范圍形成一個獨立、封閉、防滲且具有一定柔性和變形能力的隔離區(qū)域[2]。

抓斗式挖泥船按照岸設(shè)導(dǎo)標(biāo)的指示或GPS的指引并完成定位。挖泥船每次前移距離約為一個斗寬,下斗間距要重疊1/4～1/3個抓斗寬度。挖泥船和泥駁通過纜繩固定,挖泥船按照要求將河床的卵石等抓到泥駁里,滿載后,解開纜繩用泥駁運至指定的碼頭進(jìn)行棄渣,再將空駁返回挖泥船,循環(huán)作業(yè)。

臨時?？奎c配備斗容為2 m3挖掘機1臺,駁船運至臨時?？奎c,通過挖掘機翻挖上岸裝車,自卸汽車就近運至堆料區(qū)堆放。

為減少開挖料運輸過程中對庫區(qū)水質(zhì)的影響,采用艙容為120 m3封底自航泥駁。封底自航泥駁是專門裝運泥砂的內(nèi)河封底駁船,是挖泥船的配套船舶,具有自航能力。船體中段為泥艙,兩旁為空氣浮力艙。推進(jìn)裝置為單舵槳推進(jìn),主機設(shè)在機艙后部,落艙設(shè)計,在駕駛室能進(jìn)行主機調(diào)速和操縱舵槳的方位。自航泥駁空載時吃水深度為0.8 m,滿載時吃水深度為2.3～2.5 m。

4 環(huán)保、水保措施

(1)本工程不允許修建一切與水質(zhì)保護(hù)無關(guān)的設(shè)施,包括多級沉淀池、污水處理系統(tǒng)等,從源頭上杜絕了外來污染,為水庫水質(zhì)保護(hù)構(gòu)建了一層屏障[3]。

(2)從施工組織設(shè)計上,盡量減少水下施工部分,將原設(shè)計約1200萬m3的水下開挖減少至約450萬m3,提高了施工效率,縮短了影響周期。同時,在施工設(shè)備選擇上摒棄水污染嚴(yán)重的絞泥船、吸泥船等設(shè)備,采用抓斗式挖泥船替代振動頻率高、振幅大的鉸鏈?zhǔn)酵谀啻?也明顯減少了對庫區(qū)水體的擾動,減少了沉積在庫底的磷、氮等元素溢散。[4]

(3)庫區(qū)內(nèi)修建道路、圍堰全部就地取材,砂卵礫石回填料隨開挖結(jié)束可挖除再次利用,不產(chǎn)生其他廢物、垃圾,大量減少了外來建筑材料的使用。

(4)庫區(qū)內(nèi)道路路基、圍堰由砂礫卵石填筑而成,雖不具備防滲作用,但擁有良好的過濾能力,施工過程中通過增大道路和圍堰的體形,增加施工區(qū)渾水的滲透路徑。同時,針對長時間大流量滲透將使填筑體細(xì)顆粒流失的問題,在圍堰和道路臨水側(cè)鋪設(shè)反濾土工布,在提高反濾能力的同時增加了道路和圍堰的強度和抗沖刷能力。

(5)在庫區(qū)道路臨導(dǎo)流河側(cè)設(shè)置防污砂袋擋坎,避免帶水運輸導(dǎo)致道路產(chǎn)生唧泥、泥漿、污水等飛濺或溢流至水庫,避免對水質(zhì)產(chǎn)生影響。

(6)將已清淤區(qū)域利用道路或者圍堰與導(dǎo)流河、施工區(qū)進(jìn)行隔離并作為沉淀區(qū),施工擾動后的渾水靜止沉淀,經(jīng)檢測濁度、pH值、總氮、總磷等指標(biāo)符合一類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行排放[4]。

(7)施工區(qū)下游設(shè)置PVC隔油欄,如施工過程中產(chǎn)生少量油污、浮游物等均可進(jìn)行有效攔截,并便于及時清理,避免向下游庫區(qū)溢散。

5 項目實施情況

紹興市湯浦水庫清淤擴(kuò)容工程已經(jīng)實施兩年,完成清淤開挖489.1萬m3,施工過程中無污染水質(zhì)的事件發(fā)生,2022年度水庫供水一類水質(zhì)保證時間為8個月,為歷年供水水質(zhì)最好的一年,2023年的一類水質(zhì)供水時間將超過9個月,成上升趨勢。

6 結(jié)語

我國水庫的數(shù)量多,總庫容規(guī)模大,在我國的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到巨大作用,也是城市飲用水的重要保證,多地都將水源地保護(hù)和水庫建設(shè)作為當(dāng)?shù)氐闹匾裆こ?。同時,大量已建成水庫將隨時間的推移在庫底沉積大量泥沙,對水庫的庫容保障和供水安全產(chǎn)生影響,可預(yù)見,水庫的清淤擴(kuò)容項目將大量涌現(xiàn)[5]。本文依托于紹興市湯浦水庫清淤擴(kuò)容工程對在保證水庫正常供水條件下展開清淤開挖作業(yè)的施工技術(shù)和環(huán)保、水保措施進(jìn)行分析總結(jié)成成熟工藝,為以后類似工程提供參考。