楊 礫，趙 瑋，張曉冬

（1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001；2.陜西省延安市水利局,陜西 延安 716000）

1 項(xiàng)目基本情況

陜西省陜北地區(qū)水資源匱乏問(wèn)題十分突出,2017 年～2019 年人均水資源量約580 m3,僅為全國(guó)多年平均水平的29%,水資源短缺已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2019 年,陜北水庫(kù)的泥沙淤積總量達(dá)13.18 億m3,約占到總庫(kù)容的65.0%,極大影響了水庫(kù)的防汛、灌溉、水資源供給等能力及安全運(yùn)行。相較于新建水庫(kù)或其他調(diào)引水工程,開(kāi)展現(xiàn)有水庫(kù)清淤擴(kuò)容無(wú)疑是解決陜北水資源短缺問(wèn)題一項(xiàng)更為經(jīng)濟(jì)高效的措施。

王瑤水庫(kù)工程位于延河一級(jí)支流杏子河中游河段,水庫(kù)距離下游延安市約65 km。水庫(kù)總庫(kù)容2.03 億m3,是一座以防洪為主,兼有城市供水、灌溉、發(fā)電等功能的Ⅱ等大（2）型水利樞紐。水庫(kù)所在的河流杏子河來(lái)沙量大,多年平均淤積量407 萬(wàn)m3,水庫(kù)運(yùn)行四十多年,2021 年現(xiàn)狀總淤積量已達(dá)1.42 億m3,約占總庫(kù)容70%,庫(kù)容衰減迅速,嚴(yán)重影響到水庫(kù)大壩自身防洪安全及供水效益的正常發(fā)揮。

王瑤水庫(kù)通過(guò)清淤可以改善庫(kù)區(qū)水沙動(dòng)力條件,為以后長(zhǎng)期沖沙提供良好的河床條件,對(duì)維持水庫(kù)防洪、興利庫(kù)容,提高水庫(kù)防洪、供水效益,實(shí)施水資源的可持續(xù)利用十分必要。同時(shí)可以減少原固結(jié)底泥對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的不利影響,保障水庫(kù)供水安全。相對(duì)于加壩方案具有不增加淹沒(méi)面積,對(duì)原樞紐布置擾動(dòng)少,社會(huì)環(huán)境和風(fēng)險(xiǎn)影響最小等優(yōu)點(diǎn)。水庫(kù)清出來(lái)的淤泥不僅可以通過(guò)填溝造地解決當(dāng)?shù)馗鼐o缺問(wèn)題,還可以通過(guò)制磚作為建筑材料降低整個(gè)工程費(fèi)用。

2 水庫(kù)清淤規(guī)模

2.1 水庫(kù)淤積形態(tài)

王瑤水庫(kù)壩址以上庫(kù)區(qū)整體呈“Y”形狀,由主河道杏子河和支流岔路川組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔揭示,水庫(kù)區(qū)淤積物質(zhì)為淤泥質(zhì)土,按照淤積物的顆粒組成及空間關(guān)系,可劃分為3 個(gè)淤積段,近壩段淤積物厚度較大,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,粘粒含量較高,可塑～軟塑,厚度35 m～40 m；庫(kù)中段淤積物厚度較大,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,厚度20 m～35 m；庫(kù)尾段淤積物厚度較小,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,厚度5 m～20 m。其中近壩庫(kù)區(qū)基本淤平,河道橫向淤積形態(tài)已經(jīng)無(wú)明顯的灘槽,且固結(jié)程度高,基本喪失了水庫(kù)沖沙的水沙動(dòng)力條件。

本次清淤目標(biāo)為恢復(fù)水庫(kù)縱向沖沙比降和水沙動(dòng)力條件,保證水庫(kù)多年運(yùn)行后達(dá)到?jīng)_淤平衡,保持錐體河槽的終極庫(kù)容形態(tài)。因此清淤設(shè)計(jì)首先確保清淤體在終極有效庫(kù)容的范圍之內(nèi),最大限度減少無(wú)效清淤部位,減少回淤量。同時(shí)清淤后在庫(kù)區(qū)形成類(lèi)似于終極槽庫(kù)容的形態(tài),每年敞泄排沙期間水流相對(duì)集中,排沙效果好,有利于槽庫(kù)容的恢復(fù)。最后還要清除泄洪洞進(jìn)口前長(zhǎng)期淤積形成的邊坡較陡的淤積體,避免每年敞泄排沙期間排沙洞淤堵的可能性。根據(jù)這些原則以杏子河為例,在圖1 縱剖面中正常蓄水位與設(shè)計(jì)河槽線之間所圍成的區(qū)域就是設(shè)計(jì)的清淤部位。

圖1 主河道設(shè)計(jì)的清淤錐體河槽的形態(tài)

圖2 水庫(kù)清淤范圍示意圖（三維地形）

2.2 水庫(kù)清淤規(guī)模方案研究

水庫(kù)進(jìn)行清淤擴(kuò)容規(guī)模的方案研究,應(yīng)首先滿足水庫(kù)防洪、供水等工程任務(wù)的要求。王瑤水庫(kù)水庫(kù)清淤擴(kuò)容確定工程任務(wù)為,以解決大壩自身防洪安全為主,繼續(xù)發(fā)揮對(duì)下游的防洪作用,“以供定需”滿足水庫(kù)供水需求,兼顧改善下游生態(tài),延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命,發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益。

清淤規(guī)模采用參數(shù)法首先確定王瑤水庫(kù)的終極庫(kù)容,并假定終極槽庫(kù)容形態(tài)與清淤體的形態(tài)類(lèi)似。依據(jù)終極庫(kù)容估算方法主要研究了三個(gè)清淤量分別為1229 萬(wàn)m3、1650 萬(wàn)m3、2032 萬(wàn)m3三種不同的清淤規(guī)模,并進(jìn)行水沙調(diào)節(jié)數(shù)模計(jì)算分析研究。研究結(jié)果表明：采用汛期定期（7 月1 日～8 月14 日）敞泄排沙運(yùn)用方式情況下,依據(jù)上述三個(gè)不同清淤量方案,進(jìn)行水庫(kù)自身防洪安全、水庫(kù)泥沙淤積和徑流調(diào)節(jié)計(jì)算從滿足防洪任務(wù)、泥沙淤積、供水量、供水投資等方面綜合比選,選定正常蓄水位1182.5 m以下清淤量1650萬(wàn)m3方案。

表1 王瑤水庫(kù)清淤規(guī)模方案比選表

具體范圍為：杏子河庫(kù)區(qū)清淤范圍為壩址以上10.6 km,清淤深度2 m～20 m,橫斷面底部寬度為60 m,穩(wěn)定邊坡1∶5。岔路川庫(kù)區(qū)清淤范圍為岔路川支流交匯口以上6.0 km,岔路川河道清淤深度2 m～20 m,橫斷面底部寬度33 m,穩(wěn)定邊坡1∶5。

3 水庫(kù)清淤方案研究

3.1 水上、水下清淤方案確定

陜北黃土高原溝壑區(qū)受地形和氣候影響,王瑤水庫(kù)清淤工程中具有排高高、排距長(zhǎng),水資源緊缺等特點(diǎn)。因此工程在王瑤水庫(kù)清淤方案中不僅要解決深水型挖泥船清淤工藝和水陸兩棲挖機(jī)新的施工工藝滿足庫(kù)區(qū)清淤要求,還要在淤泥高效輸送和節(jié)水還庫(kù)方面以及淤泥資源化利用等方面進(jìn)行充分考慮。

王瑤水庫(kù)多年平均徑流量為3390 萬(wàn)m3,本次擴(kuò)容還包括改造泄洪洞進(jìn)口和新建溢洪道,同時(shí)保證施工期不淤沙,因此,在清淤方式確定上至關(guān)重要。因此根據(jù)水沙模型確定的清淤部位及結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施條件,提出分年度動(dòng)態(tài)水上、水下清淤方式。

經(jīng)過(guò)對(duì)來(lái)水分析,現(xiàn)狀清淤設(shè)備調(diào)研以及堆泥庫(kù)場(chǎng)充分考慮,分別按照施工時(shí)段和相應(yīng)水位合理確定了水上、水下清淤范圍。本次總清淤量1650 萬(wàn)m3,總工期48 個(gè)月,其中水下清淤915 萬(wàn)m3,水上清淤735 萬(wàn)m3。清淤開(kāi)挖斷面由壩前至庫(kù)尾水下和水上同時(shí)進(jìn)行,并且確保每個(gè)施工年份庫(kù)區(qū)河道能形成暢通的過(guò)水?dāng)嗝婧鸵欢ǖ谋冉怠Ｍ醅幩畮?kù)各施工年度水上、水下清淤范圍示意圖見(jiàn)圖3,岔路川、杏子河各年度清淤量分布見(jiàn)圖4～圖5。

圖3 王瑤水庫(kù)庫(kù)區(qū)各施工年度水上、水下清淤范圍示意圖

圖4 岔路川各年度清淤量分布圖

圖5 杏子河各年度清淤量分布圖

3.2 清淤工藝比選

疏挖設(shè)備見(jiàn)表2,底泥輸送工藝見(jiàn)表3。

表2 疏挖設(shè)備選型研究比較表

表3 底泥輸送工藝研究比較表

表4 清淤底泥處理工藝比較

3.3 清淤方案研究

通過(guò)精準(zhǔn)化劃分清淤范圍,同時(shí)考慮施工的可行性,采用底高程控制清淤,將王瑤水庫(kù)庫(kù)區(qū)清淤區(qū)劃分為8個(gè)分區(qū)?？梢源_保通過(guò)清淤使河道恢復(fù)水沙動(dòng)力條件的同時(shí)減少清淤工程量,節(jié)約成本。

其中4 個(gè)水下清淤區(qū)水域開(kāi)闊且水深條件理想,采用生產(chǎn)率為800 m3/h,最大挖深15 m 的環(huán)保絞吸式挖泥船,進(jìn)行作業(yè)。該類(lèi)型絞吸挖泥船可以通過(guò)陸上車(chē)輛運(yùn)輸將分解的船體運(yùn)送至岸邊,組裝后下水進(jìn)行作業(yè)。清淤過(guò)程中,底泥在絞刀的挖掘作用下形成一定濃度的泥漿,通過(guò)船上泥泵和排泥管路進(jìn)入處理場(chǎng)地進(jìn)行后期處理。絞吸船可以單船獨(dú)立施工、清淤生產(chǎn)率高、對(duì)土質(zhì)適應(yīng)性較好、定位控制精度較高。根據(jù)本工程地質(zhì)資料,水庫(kù)主水體清淤土質(zhì)主要為流泥和淤泥,清淤土級(jí)別為1 級(jí)土,清淤邊坡為 1∶5。環(huán)保式絞吸船可直接串接泵站進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送,在生產(chǎn)率及排距的選擇上較靈活,能耗和成本較低。在輸送過(guò)程中采用管道輸送,按照輸泥管線每增加3 km 長(zhǎng)度增設(shè)一個(gè)接力泵站（船）,輸送過(guò)程中不會(huì)使泥土散落造成污染。根據(jù)堆泥庫(kù)布置本工程水下清淤排距10 km～15 km,排高30 m～55 m。4 個(gè)堆泥庫(kù)設(shè)計(jì)就地取材,選用當(dāng)?shù)夭牧闲拗潦瘔?并設(shè)置專(zhuān)門(mén)的回水裝置,確保水下清淤用水量。

4 個(gè)水上清淤區(qū)基本位于庫(kù)尾,該部分區(qū)域因水域條件不足,不適宜采用環(huán)保式絞吸船進(jìn)行清淤,考慮到水生植物根系干擾,采用水陸兩棲挖掘機(jī)進(jìn)行清淤,用傳統(tǒng)的挖轉(zhuǎn)運(yùn)將淤泥送至堆泥場(chǎng)。施工工期主要安排在冬季,運(yùn)泥工藝采用封閉式運(yùn)輸?shù)姆绞?淤泥處置場(chǎng)設(shè)置于上游溝道,運(yùn)距約10 km,車(chē)輛行駛過(guò)程中應(yīng)勻速慢行,減少淤泥外泄,造成污染。堆泥場(chǎng)設(shè)計(jì)根據(jù)溝道地勢(shì)分級(jí)堆放,最大堆高10 m,并設(shè)置兩側(cè)排水溝。

3.4 底泥處理工藝方案比選

現(xiàn)階段,清淤底泥固化處理方式主要有自然干化、真空脫水干化、機(jī)械脫水法、土工管袋脫水固化及投加固化劑法等。

經(jīng)分析對(duì)水上清淤部分淤泥含水量較低故采用自然脫水固結(jié)的工藝。水下清淤底泥因采用絞吸式挖泥船吹填清淤,含水率較高,傳統(tǒng)的固結(jié)方式脫水較慢,為了后期造地和資源化利用提供支持,對(duì)4 處堆泥庫(kù)內(nèi)底泥采用真空預(yù)壓排水固結(jié)處理工藝。

4 淤泥的資源化利用研究

根據(jù)當(dāng)?shù)卣{(diào)研現(xiàn)階段水庫(kù)清淤底泥資源化利用主要途徑如下：

（1）疏浚底泥具有陸地土壤的基本理化性質(zhì),富含植物生長(zhǎng)所需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素,通過(guò)一系列處理措施可以制成綠化種植土,應(yīng)用于園林綠化,以促進(jìn)樹(shù)木草坪等的生長(zhǎng)。水庫(kù)清淤底泥處理后可應(yīng)用于園林綠化中的客土置換。也可用于附近林地恢復(fù)種植用土。

（2）經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的底泥,通過(guò)土壤固化劑改良使其滿足工程要求。研究表明,水庫(kù)清淤底泥有機(jī)質(zhì)含量低于7%,處理后含水率為55%左右,可滿足道路建設(shè)路基和筑壩使用需求。本工程考慮采用土壤固化劑,改善土壤中的膠質(zhì)及有機(jī)質(zhì),處理后底泥可作為路基填料和堆泥庫(kù)筑壩材料,實(shí)現(xiàn)淤泥的有效處理和循環(huán)利用。

（3）疏浚底泥的建筑利用是基于其可替代黏土性。疏浚底泥的建筑利用緩解了建筑用土與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)土的局面,有利于可持續(xù)發(fā)展的要求。目前,主要將其應(yīng)用于制作陶粒、建筑型材、水泥等。

王瑤水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積物為淤泥質(zhì)土,厚度5 m～40 m,庫(kù)尾段夾多層薄層透鏡狀細(xì)砂,底部含少量礫石。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果分析,淤泥質(zhì)土主要以粉粒、粘粒為主,粉粒含量占72.2%,粘粒含量占13.6%,淤積質(zhì)土天然密度為1.80 g/cm3～1.91 g/cm3,含水率為21.72%～29.42%。根據(jù)淤泥質(zhì)礦化檢測(cè),庫(kù)區(qū)淤泥無(wú)礦物可提取利用。根據(jù)庫(kù)區(qū)不同點(diǎn)位的淤泥監(jiān)測(cè)試驗(yàn)成果分析,淤泥質(zhì)土不屬于危險(xiǎn)廢物,可以作為農(nóng)作物土壤,適合造田。所以一部分淤泥固化后用于堆泥庫(kù)大壩填筑和庫(kù)區(qū)臨時(shí)道路修建,同時(shí)因地制宜在庫(kù)區(qū)溝壑內(nèi)堆放后用于造地,初步估算可以造地約1000 畝。在水庫(kù)下游具備材料加工場(chǎng)地布置和交通便利的陳則溝堆放淤泥100 萬(wàn)m3,通過(guò)試驗(yàn)研究利用水庫(kù)淤泥為主要原料,摻加煤矸石泥巖或爐渣等物料,以調(diào)節(jié)水庫(kù)淤泥中化學(xué)成分和礦物組成,調(diào)整水庫(kù)淤泥的各項(xiàng)物理性能采用環(huán)保的工藝用來(lái)制磚,真正實(shí)現(xiàn)了“變廢為寶”。

5 結(jié)語(yǔ)

王瑤水庫(kù)清淤工程不僅解決了《陜西省黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展》規(guī)劃綱要里黃河流域水資源短缺、生態(tài)脆弱以及洪水威脅的問(wèn)題水庫(kù)清淤問(wèn)題,還為陜北地區(qū)大中型水庫(kù)全庫(kù)區(qū)底泥清淤擴(kuò)容的可行性提供系統(tǒng)技術(shù)支撐和示范樣板。通過(guò)其實(shí)施還可以探索解決水庫(kù)清淤效率與挖深、排距和爬高的規(guī)律及庫(kù)底泥沙低耗能定向輸送和清淤底泥快速脫水回用和淤泥的資源化利用等關(guān)鍵問(wèn)題,為該區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。