烏拉泊水庫清淤方案比選分析

(湖南興禹建設(shè)有限公司，湖南 常德 415000)

1 工程概況

烏拉泊水庫位于烏魯木齊市南部，是烏魯木齊河中游的一座攔河水庫，也是烏魯木齊河治理的骨干工程，為Ⅰ級大(1)型工程，大壩和放水涵洞等主要建筑物為1級，次要建筑物為3級。烏拉泊水庫清淤工程主要任務(wù)是在保證正常供水的前提下，將1068.40～1082.40m(正常蓄水位)水位間淤積質(zhì)清除，恢復(fù)烏拉泊水庫汛限水位以下的興利庫容。烏拉泊水庫清淤工程具有規(guī)模大、主體施工內(nèi)容單一、施工期長、水下施工等特點。

烏魯木齊河泥沙主要來自流域內(nèi)暴雨對表土的侵蝕，烏魯木齊河輸沙量的年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，多年平均懸移質(zhì)輸沙率4.73kg/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量14.93萬t；多年平均推移質(zhì)輸沙率1.56kg/s(多年平均推移質(zhì)含沙量為0.20kg/m3)，多年平均推移質(zhì)輸沙量為4.93萬t。多年平均總輸沙量為19.86萬t/年，5—8月的輸沙量占年輸沙量的90%以上。烏拉泊水庫泥沙淤積量實測資料見表1。

表1 烏拉泊水庫泥沙淤積量實測表單位：104m3

2 工程方案比選

結(jié)合烏拉泊水庫的管理和淤積現(xiàn)狀以及淤積物組成和形態(tài)，為使水庫清淤方案符合城市防洪和城市供水的要求，考慮到施工條件、工期、工程量、投資、環(huán)境影響、運行條件等因素，選擇對以下四個清淤工程施工方案進(jìn)行比選。

方案一：采用挖泥船進(jìn)行庫內(nèi)挖掘清淤。該方案在技術(shù)上可行，且施工難度相對不大，施工期間水庫可以正常運行，發(fā)揮效益。

方案二：在烏拉泊水庫左壩段增建排沙洞，進(jìn)行間隙性沖沙。

方案三：在烏拉泊水庫庫區(qū)周邊選擇傍山處等可開挖隧洞及下游具備沉沙條件的地形處，選擇水力沖沙，由挖泥船采砂投入自流排放，機械對沉沙池進(jìn)行機械清淤。

方案二、三施工可能會造成水庫空蝕破壞，安全隱患極大。

方案四：從大西溝水庫放水閘接一輸水管道至烏拉泊水庫放水閘，騰空庫容，晾曬后采用常規(guī)機械挖運清淤。該方案施工期內(nèi)水庫不能發(fā)揮效益，且工程量較大，對時間要求較高，技術(shù)上實施起來難度較大。

通過實地考察及論證分析結(jié)果選取方案一：采用挖泥船進(jìn)行庫內(nèi)挖掘清淤，在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟性相對較優(yōu)。

3 工程主要設(shè)備比選

3.1 工作原理

挖泥船的工作原理就是挖泥機械借助于水的攜砂運動，來進(jìn)行挖掘及輸送轉(zhuǎn)移水下土方。將水下土層經(jīng)過機械切割使之松動，使泥沙與水相混合，形成一定濃度的泥漿，然后吸泥管吸入泥泵再經(jīng)過輸泥管道輸送到排泥場或濾泥池。

挖泥船通過橫移系統(tǒng)的作用，使挖泥船以定位樁為中心呈扇形移動。除換樁時挖泥船短暫停止外，挖泥過程中一直處于軌跡弧線的基本均速運動。擺動的速度取決于“吃”泥量的多少。當(dāng)泥漿濃度較高時，主機負(fù)荷增大，速度減慢；當(dāng)泥漿濃度較低時，速度加快。通過觀察駕駛室內(nèi)的真空表與壓力表，使挖泥船始終處于正常偏高的泥漿狀態(tài)，以保持較高的生產(chǎn)能力。

完成該定位樁控制范圍的挖泥后，通過換樁使挖泥船整體前移，進(jìn)入下一個挖泥作業(yè)。挖泥船通過絞刀及絞刀橋架、橫移、定位樁系統(tǒng)的有序動作，使挖泥船實現(xiàn)在挖槽斷面內(nèi)連續(xù)實施挖寬、挖深及前移定位的施工動作。

3.2 挖泥船生產(chǎn)能力及疏浚土與挖掘特性

絞吸式挖泥船或斗輪式挖泥船作為一種主要用于開挖水下土方的水上施工機械，可以完成人力和其他陸上土方機械所不能勝任的開挖工程，被廣泛應(yīng)用于河道(或航道)的加寬、加深及港池挖泥及水庫清淤等。

挖泥船生產(chǎn)能力見表2。

表2 挖泥船生產(chǎn)能力

疏浚土與挖掘相關(guān)特性是根據(jù)自然條件對所選設(shè)備的初步適應(yīng)性的選擇，在具體工程施工時，還需考慮高產(chǎn)、低耗、安全、優(yōu)質(zhì)等方面的綜合因素，在現(xiàn)場的施工進(jìn)度、工期、運距等條件下，合理組織安排清淤施工。疏浚土與挖掘特性見下頁表3。

3.3 挖泥船設(shè)備選型

3.3.1 挖泥船類型

絞吸式挖泥船是利用轉(zhuǎn)動著的絞刀絞松河底或海底的土壤，與水和泥混合成泥漿，經(jīng)過吸泥管吸入泵體并經(jīng)過排泥管送至排泥區(qū)。絞吸式挖泥船挖泥，輸泥和卸泥一體化，自身完成，生產(chǎn)效率較高。適用于風(fēng)浪小、流速低的內(nèi)河湖區(qū)和沿海港口的疏浚，以開挖砂、砂壤土、淤泥等土質(zhì)比較適宜，采用有齒的絞刀后可挖黏土。絞吸式挖泥船清淤作業(yè)照片見下頁圖1。

表3 疏浚土與挖掘特性

圖1 絞吸輪式挖泥船清淤作業(yè)圖

斗輪式挖泥船除了挖掘設(shè)備不同，其余與絞吸式挖泥船大同小異。斗輪式挖泥船斗輪轉(zhuǎn)動軸與支臂成一定的角度，而絞吸式挖泥船絞刀頭轉(zhuǎn)動軸則平行于支臂。斗輪式挖泥船清淤作業(yè)見圖2。

圖2 斗輪式挖泥船清淤作業(yè)圖

3.3.2 挖泥船設(shè)備設(shè)計比選

根據(jù)烏拉泊水庫清淤挖泥船設(shè)備設(shè)計及船體尺寸、節(jié)能減排、抗風(fēng)條件、施工干擾等方面的綜合比較，烏拉泊水庫清淤工程清淤Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)淤積物質(zhì)，推薦采用的挖泥船主要設(shè)備為350m3/h絞吸式挖泥船(見表4)。

表4 挖泥船設(shè)備設(shè)計

4 工期優(yōu)化

烏拉泊水庫清淤工程選擇有經(jīng)驗的施工單位進(jìn)行施工，根據(jù)烏拉泊水庫的運行條件及氣象條件，主要是風(fēng)浪及冰情條件進(jìn)行有效施工期優(yōu)化。初步設(shè)計以下兩個方案進(jìn)行比選。

?方案一:Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)清淤安排在每年4月中旬—9月中旬，可工作天數(shù)183天/年，有效工作天數(shù)148天/年(其中控制設(shè)備檢修時間27天/年,大風(fēng)天氣停工8天)，三班制作業(yè)，24小時/日。

?方案二:Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)清淤安排在每年5—8月，可工作天數(shù)123天/年，有效工作天數(shù)103天/年(其中控制設(shè)備檢修時間18天/年,大風(fēng)天氣停工2天)，三班制作業(yè)，24小時/日。

施工期按每年4月中旬—9月中旬設(shè)計,施工總工期需要4.30年,施工期按每年5—8月設(shè)計,施工總工期需要6.18年。經(jīng)施工期的方案優(yōu)化，確定方案一:每年4月中旬—9月中旬作為施工期是更為合理可行的，清淤烏拉泊水庫Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)淤積物質(zhì)可比方案2縮短總工期1.88年。

5 Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)淤積物清淤施工方法

水庫水上淤積物開挖采用350m3/h絞吸式挖泥船挖泥船清淤，按設(shè)計要求以100m為一開挖段。清淤開挖采用定位樁橫挖法，即挖泥船在開挖斷面內(nèi)，利用一根鋼樁或主錨為擺動中心，左右橫移和前移挖泥，船體前移—進(jìn)刀或者后移—退刀，均由定位樁臺車液壓油缸驅(qū)動。按挖泥船前移方向進(jìn)行分段、分層開挖。

排泥管線是挖泥船輸送水沙、必不可少的重要輔助設(shè)備，由水上管線、浮筒、陸上岸管三部分組成。排泥管線在庫內(nèi)段全部由浮筒支撐，錨艇配人工架設(shè)，水陸接頭由多節(jié)軟管連接，陸上管線沿岸邊架設(shè)，通過變向閥門控制進(jìn)入吹填濾泥池；根據(jù)濾泥池底高程和設(shè)計濾泥高度進(jìn)行機械拉運施工。

烏拉泊水庫清淤工程水上供給及作業(yè)交通設(shè)備主要有50t油駁、25t水駁、交通艇。

6 淤積物綜合利用

隨著烏拉泊水庫淤積物清淤出庫，可利用其富含有機質(zhì)的淤積物485萬m3粉細(xì)砂局部夾粉土層、粉土。運到烏拉泊水庫入庫口至青年渠29km烏魯木齊河洪水線以上岸邊，用于環(huán)境治理工程的種植表土40萬m3，種植面積600畝。此外445萬m3淤積物被清淤出庫后，暫堆放于烏板公路烏拉泊至干河子大橋段5km范圍內(nèi)的防風(fēng)、生態(tài)林以外100～200m，集中堆放，堆高3.00～3.50m，臨時占地2122畝。這部分淤積物可用作改良1～1.25萬畝烏魯木齊市生態(tài)恢復(fù)工程客土，以改善烏魯木齊市的生態(tài)環(huán)境條件(施工現(xiàn)場設(shè)備見圖3)。

圖3 施工現(xiàn)場設(shè)備圖

7 結(jié) 語

通過上述對烏拉泊水庫清淤工程淤泥狀況、清淤方案、清淤設(shè)備、工期等進(jìn)行分析，選出最優(yōu)設(shè)備及方案，對烏拉泊水庫進(jìn)行最合理的清淤施工。烏拉泊水庫清淤工程按上述選定設(shè)備、方案實施后，施工順利，完工后為天山區(qū)、沙依巴克區(qū)、水磨溝區(qū)生活、工業(yè)、公共事業(yè)、市政設(shè)施和綠化提供用水，緩解烏魯木齊市城市的用水緊張矛盾。施工經(jīng)驗為今后水庫清淤設(shè)計、施工提供參考。