城固縣堰溝河水庫(kù)清淤工程淺析

田 可

(陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018)

近年來我國(guó)干旱和洪澇災(zāi)害問題日趨尖銳，可用水資源量的時(shí)空分布更不均勻，水庫(kù)庫(kù)容用以保障灌溉和抵御洪水的需求越來越強(qiáng)烈。同時(shí)，移民和生態(tài)環(huán)境問題的日益突出與備受關(guān)注，新建水庫(kù)受到的限制條件越來越多，且可供建設(shè)的優(yōu)良?jí)沃芬苍谥饾u減少。水庫(kù)泥沙淤積不僅侵占水庫(kù)庫(kù)容，直接影響水庫(kù)灌溉、發(fā)電的效益，削弱水庫(kù)防洪能力，危害水庫(kù)運(yùn)行安全，還會(huì)導(dǎo)致上游支流水位抬升，加大區(qū)域防洪壓力。通過水庫(kù)清淤工程，不僅能恢復(fù)水庫(kù)庫(kù)容，延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命，還可達(dá)到除害為利、變廢為寶的目的。

1 水庫(kù)概況

城固縣位于陜西南部漢中盆地腹部，總?cè)丝?4.3萬，是古絲綢之路的重要源點(diǎn)、漢中副中心城市和漢中第二人口大縣。堰溝河為漢江一級(jí)支流，發(fā)源于城固縣米倉(cāng)山北麓觀音巖，由南向北流經(jīng)天明鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)等2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在三合鎮(zhèn)余觀村穿過堰溝河水庫(kù)繼續(xù)北流，于三合鎮(zhèn)龍王廟村西匯入漢江，河道全長(zhǎng)61 km，流域面積168 km2。平均比降13.2‰。堰溝河水庫(kù)位于城固縣三合鎮(zhèn)，堰溝河入漢江口，水庫(kù)壩址以上流域面積147 km2，河道長(zhǎng)58 km。

堰溝河水庫(kù)位于城固縣三合鎮(zhèn)，堰溝河入漢江口，水庫(kù)壩址以上流域面積147 km2，河道長(zhǎng)58 km。堰溝河水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的小(一)型水庫(kù)，總庫(kù)容515萬 m3，設(shè)計(jì)核定興利庫(kù)容180萬 m3，滯洪庫(kù)容200萬 m3，死庫(kù)容20萬 m3。設(shè)施灌溉面積1.1萬畝，養(yǎng)魚水面290畝。堰溝河水庫(kù)始建于文革時(shí)期，是邊勘測(cè)邊設(shè)計(jì)邊施工的“三邊”工程。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，工程地質(zhì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工中存在著不可忽視的技術(shù)問題，致使工程多次出現(xiàn)險(xiǎn)情,工程帶病運(yùn)行三十多年，老化嚴(yán)重，險(xiǎn)情加劇。2005年對(duì)堰溝河水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。

該水庫(kù)保護(hù)下游城固縣城、三合鎮(zhèn)、316國(guó)道、西漢高速公路以及9.5萬人口與1.5萬畝農(nóng)田，位置十分重要。水庫(kù)經(jīng)過多年的運(yùn)行，水庫(kù)淤積問題嚴(yán)重，導(dǎo)致水位抬高，嚴(yán)重影響水庫(kù)運(yùn)行。

2 庫(kù)區(qū)淤積現(xiàn)狀

堰溝河水庫(kù)興建于20世紀(jì)60年代，水土流失嚴(yán)重，水流含一定泥沙量，經(jīng)多年運(yùn)行之后已出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，嚴(yán)重削減了水庫(kù)的有效庫(kù)容，影響水庫(kù)效益正常發(fā)揮。根據(jù)《堰溝河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，水庫(kù)自1975-2004運(yùn)行30 a，水庫(kù)淤積量125萬 m3，占水庫(kù)總庫(kù)容515萬 m3的24.2%。

根據(jù)2020年測(cè)量資料顯示，水庫(kù)淤積高程呈上升趨勢(shì)，淤積總長(zhǎng)度為6.99 km，平均清淤厚度5.20 m，最大淤積厚度為8.3 m，淤積總量為178.7萬 m3，占總庫(kù)容的34.7%。水庫(kù)淤積現(xiàn)狀縱斷面見圖1。

圖1 堰溝河水庫(kù)淤積

3 清淤的必要性分析

堰溝河水庫(kù)現(xiàn)狀庫(kù)容為336.3萬 m3，淤積庫(kù)容178.7萬 m3，占總庫(kù)容的34.7%。淤積占興利庫(kù)容127.3萬 m3，侵占興利庫(kù)容的70%。水庫(kù)淤積已經(jīng)嚴(yán)重影響水庫(kù)效益及自身防洪安全。故急需進(jìn)行水庫(kù)清淤。

3.1 防洪保安，提高防洪能力

防洪庫(kù)容是衡量水庫(kù)防洪能力，保護(hù)下游人民群眾以及重要基礎(chǔ)設(shè)施防洪安全的重要指標(biāo)。泥沙在水庫(kù)防洪庫(kù)容內(nèi)大量淤積，勢(shì)必導(dǎo)致防洪庫(kù)容的減少，相應(yīng)降低水庫(kù)防洪能力。另外，淤積物在入庫(kù)河流段淤積，會(huì)導(dǎo)致上游河道行洪斷面變小，降低行洪能力，影響兩岸群眾、耕地及道路等的安全。淤積的逐年增大影響防洪安全。有效實(shí)施水庫(kù)清淤工程，可達(dá)到防洪保安，提高防洪能力的目的。

3.2 興利增效

興利庫(kù)容是水庫(kù)工程發(fā)揮灌溉、養(yǎng)殖等效益的基礎(chǔ)。興利庫(kù)容內(nèi)存在大量淤積物，會(huì)減少水庫(kù)興利庫(kù)容，減弱水庫(kù)興利能力，進(jìn)而影響水庫(kù)興利增效的能力。

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水庫(kù)經(jīng)多年運(yùn)行，死庫(kù)容已被淤積物侵占，淤積問題嚴(yán)重，現(xiàn)狀水庫(kù)興利庫(kù)容已有70%庫(kù)容被淤積物侵占，導(dǎo)致水庫(kù)原設(shè)計(jì)的灌溉規(guī)模大打折扣。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，每年已有6 000余畝農(nóng)田得不到有效灌溉，糧食產(chǎn)量急劇減少，影響群眾收入，對(duì)農(nóng)民脫貧致富產(chǎn)生負(fù)面影響。因此為確保水庫(kù)的灌溉效益及綜合效益的發(fā)揮，緩解水庫(kù)淤積對(duì)糧食安全的影響，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行清淤是十分必要和相當(dāng)迫切的。

3.3 保護(hù)環(huán)境

泥沙淤積導(dǎo)致水庫(kù)有效水深降低，減少了水生生物的活動(dòng)范圍，對(duì)水生生物的生存環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)對(duì)庫(kù)區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)生負(fù)面影響。泥沙淤積導(dǎo)致上游河床抬高，淤積帶向上延伸，兩岸地下水位也隨之抬高，從而造成兩岸農(nóng)田次生鹽堿化對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，清淤后可恢復(fù)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

水庫(kù)淤積所損失的不僅是庫(kù)容，更浪費(fèi)了建造水庫(kù)的良好壩址。選擇新的壩址需要淹沒大量?jī)?yōu)質(zhì)農(nóng)田或大量移民，投入成本巨大且容易成為社會(huì)不穩(wěn)定因素，并對(duì)自然生態(tài)造成破壞。

4 清淤的可行性

實(shí)施水庫(kù)清淤工程能恢復(fù)水庫(kù)的有效庫(kù)容，技術(shù)上可行，成本相對(duì)也較低。

4.1 淤積物可再利用

清淤改善了水庫(kù)水質(zhì)，清出的淤泥可用來制作有機(jī)肥、改善土壤和填土造田，砂料可用作制磚或建筑材料，實(shí)現(xiàn)淤積泥沙的資源化產(chǎn)業(yè)化利用，變廢為寶且降低了清淤成本。

4.2 成本低

清淤恢復(fù)有效庫(kù)容的成本低于新建水庫(kù)成本，其優(yōu)勢(shì)在于不占用耕地、不產(chǎn)生移民及費(fèi)用，不損耗建材。水庫(kù)庫(kù)尾河漫灘處采用旱采方式，其工藝成熟，開采費(fèi)用低，水庫(kù)庫(kù)內(nèi)采用陸地清淤，不影響水庫(kù)正常運(yùn)行。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)可控

水庫(kù)清淤只是對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)淤積物進(jìn)行清理，對(duì)水庫(kù)安全無任何影響。水下清淤采用絞吸式挖泥船，其工藝成熟，對(duì)施工人員人身安全無威脅。陸地清淤采用挖掘機(jī)進(jìn)行清淤，操作簡(jiǎn)便不留死角，施工安全。

4.4 對(duì)供水對(duì)象無大的影響

水下清淤過程中會(huì)引起局部庫(kù)水渾濁，但其影響是暫時(shí)的，局部的，絞吸式挖泥船巨大的吸力將其一并清理，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉等不會(huì)產(chǎn)生大的影響。而陸地清淤施工成熟，對(duì)供水對(duì)象基本無影響。

恢復(fù)水庫(kù)的有效庫(kù)容，提高水庫(kù)調(diào)蓄能力，延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命，采取清淤方式增效是恢復(fù)水庫(kù)調(diào)蓄能力和充分發(fā)揮水庫(kù)防洪、灌溉效益的一項(xiàng)費(fèi)省效宏的重要措施，經(jīng)濟(jì)上合理。

因此，水庫(kù)清淤在技術(shù)上可行，在經(jīng)濟(jì)上是合理的，運(yùn)行期間影響小，且工程實(shí)施后對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行也是有利的。

5 清淤范圍確定

為保證水庫(kù)大壩樞紐工程穩(wěn)定安全，本次清淤范圍為大壩保護(hù)范圍以外的水庫(kù)庫(kù)區(qū)。

根據(jù)《河湖和水利工程管理范圍及保護(hù)范圍劃界技術(shù)指南(試行)》，小型水庫(kù)工程管理范圍外緣控制線上游為從壩上游腳線向上游50～100 m，此次取100 m；工程保護(hù)范圍從工程管理范圍邊界線外延，小型水庫(kù)上游100～200 m，此次取100 m。

本次清淤水平范圍：起點(diǎn)為堰溝河水庫(kù)壩上游腳線200 m處，末點(diǎn)為壩上游坡腳線6 992 m處，清淤總長(zhǎng)度為6 792 m，水庫(kù)校核洪水位以下高程；

6 清淤設(shè)計(jì)

6.1 開挖縱向比降

根據(jù)地形圖，原庫(kù)區(qū)段河底比降為3.38‰；根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)狀河道淤積面縱比降為1.98‰，設(shè)計(jì)開挖縱向比降采用庫(kù)區(qū)段原河底比降3.38‰，開挖設(shè)計(jì)庫(kù)底高程范圍為480.48～503.29 m。

6.2 開挖橫斷面

6.3 水庫(kù)清淤方案選定

目前，水庫(kù)機(jī)械清淤主要有兩類，一類是無水作業(yè)，一類是無水作業(yè)與帶水作業(yè)相結(jié)合。無水作業(yè)需要排空作業(yè)區(qū)，帶水作業(yè)主要由專業(yè)船舶完成。兩類方法均可以滿足本工程清淤要求，但各有利弊，兩方案對(duì)比如下：

方案一：因水庫(kù)死水位以下已基本淤滿，此方案將水庫(kù)放空，施工安排上，從9月開始，將庫(kù)區(qū)清淤區(qū)曬干至11月上凍初期，待解凍后采用挖掘機(jī)直接進(jìn)入清淤區(qū)挖掘。

方案二：保持水庫(kù)水位于運(yùn)行水位，水下采用具有自排功能的清淤設(shè)備，陸地采用挖掘機(jī)直接進(jìn)入清淤區(qū)挖掘。水下施工時(shí)，可選用適合施工條件的挖泥船，經(jīng)水下清淤，再通過排泥管將淤積物排至堆積點(diǎn)。

方案一優(yōu)點(diǎn)是采用挖掘機(jī)挖掘，施工工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省投資。缺點(diǎn)是施工場(chǎng)地要求高，水庫(kù)騰庫(kù)晾曬時(shí)間長(zhǎng)，影響灌溉、養(yǎng)殖及發(fā)電效益；方案二優(yōu)點(diǎn)是不影響水庫(kù)效益及正常運(yùn)行，施工條件較好。缺點(diǎn)是施工工藝相對(duì)復(fù)雜，清淤費(fèi)用相對(duì)較高。

由于方案二不影響灌溉、養(yǎng)殖及發(fā)電效益，并且放空水庫(kù)產(chǎn)生的損失較清淤工程費(fèi)用高。因此本次清淤工程選取方案二，即保持水庫(kù)運(yùn)行水位，采用挖掘機(jī)清淤與挖泥船結(jié)合的方式共同清淤，即本次清淤采用陸地清淤和水下清淤結(jié)合清淤的方式。

6.4 清淤量及清淤方式

水庫(kù)淤積量根據(jù)測(cè)量資料及原水庫(kù)庫(kù)容資料進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)分析計(jì)算，此次設(shè)計(jì)清淤量為152.53萬 m3。其中水下清淤量為73.97萬 m3，陸地清淤量為78.56萬 m3。堰溝河水庫(kù)常年運(yùn)行水位為494.7 m，根據(jù)絞吸式挖泥船最低工作水深的要求，需保持挖泥船的最小吃水深度2 m。根據(jù)絞吸式挖泥船最低工作水深的要求及水庫(kù)近年運(yùn)行常水位高程494.7 m，確定設(shè)計(jì)樁號(hào)0+200至1+111段采用水下清淤工藝；樁號(hào)1+111至3+820段采用水下和陸地結(jié)合清淤工藝，其中淤積高程高于492.70 m采用陸地清淤工藝，淤積高程低于492.70 m采用水下清淤工藝；樁號(hào)3+820至6+992段采用陸地清淤工藝。

在水庫(kù)水深較大處，采用絞吸式挖泥船開挖，淤積物由管道輸送至堆積點(diǎn)，排出積水后外運(yùn)；在水庫(kù)水深較淺及庫(kù)尾處，采用挖掘機(jī)開挖卡車外運(yùn)；陸地與水下結(jié)合清淤區(qū)，先施工導(dǎo)流圍堰，然后對(duì)表層淤積物進(jìn)行陸地清淤，待水深達(dá)到要求后進(jìn)行水下清淤。清淤由上游至下游、由高至低進(jìn)行，每年汛期停止清淤。

本工程水下清淤量為73.97萬 m3，根據(jù)絞吸式挖泥船的工作特點(diǎn)，清理出的淤積物形態(tài)為泥漿，含水體積約為60%，使用絞吸式挖泥船預(yù)計(jì)共清理泥水混合物185萬 m3，根據(jù)總進(jìn)度安排及施工條件分析，本次選用一艘200 m3/h絞吸式挖泥船施工，動(dòng)力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。挖泥船在水庫(kù)內(nèi)回水尾部先進(jìn)行橫向清淤，再逐漸向大壩處移動(dòng)進(jìn)行清淤。

此次清淤釋放庫(kù)容152.53萬 m3，占水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容的30%，依據(jù)近15 a水庫(kù)淤積情況，可延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命約40 a。

7 淤積物利用建議

水庫(kù)淤積物中含有大量的可利用資源，為滿足封閉式、生態(tài)型的新要求，可新建標(biāo)準(zhǔn)化砂場(chǎng)以分離淤積物。淤積物經(jīng)過分離后砂石可出售作為建筑材料，剩余淤積物含泥量較大，營(yíng)養(yǎng)豐富?？蓪⒂俜e物運(yùn)送至低洼處荒地，為植物提供生長(zhǎng)必要的養(yǎng)分，不宜利用部分棄至棄渣場(chǎng)并對(duì)表面覆土恢復(fù)植被。