水庫清淤技術(shù)概述

董索 李建清 陳利強

摘要：我國江河大多含沙量高，水庫經(jīng)多年運行后，普遍存在不同程度的淤積。水庫淤積嚴重影響水庫防洪安全、運行安全、生態(tài)安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題?？偨Y(jié)了水庫淤積性態(tài)規(guī)律研究、淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術(shù)現(xiàn)狀，提出了水庫清淤面臨的深水清淤、環(huán)保清淤、水下孔洞清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術(shù)難點和對策思考。雖然目前國內(nèi)外在水庫清淤技術(shù)和設(shè)備研究應(yīng)用上均有所進展，但總體還處于研究試點階段。未來還需結(jié)合技術(shù)難點和已有研究成果，加大開展水庫淤泥勘測、清淤、干化、資源化利用一體化水上施工平臺及設(shè)備研究，為水庫清淤工作的大規(guī)模開展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水庫淤積;深水清淤;環(huán)保清淤;水下孔洞清淤;淤泥資源化利用

中圖法分類號：TV697.3文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.009

1 研究背景

我國江河大多含沙量高，在河流上修建水庫后，水位抬高，流速降低，必然導致泥沙在水庫中淤積。我國現(xiàn)有水庫約9.8萬座，90%以上修建于20世紀50～70年代，經(jīng)過幾十年運行，普遍存在不同程度的淤積。目前，在全國范圍內(nèi)尚未系統(tǒng)地開展水庫淤積調(diào)查。根據(jù)2012年水利部組織對山西、陜西、貴州、江西4個典型省份水庫淤積情況的調(diào)查結(jié)果，山西省有水庫731座，總庫容47.65億m3，淤積庫容約16.20億m3;陜西省有水庫1 019座，總庫容40.43億m3，淤積庫容約13.75億m3;貴州省有水庫1 971座，總庫容25.40億m3，淤積庫容約1.1億m3;江西省有水庫9 793座，總庫容295.5億m3，淤積庫容約8.93億m3[1]。

水庫淤積會產(chǎn)生一系列問題：導致庫容損失，降低水庫防洪和興利效益;抬高回水位、增加水庫淹沒損失;壩前堆淤影響工程正常和安全運行;清水下泄引起下游河道沖刷;污染物隨泥沙淤積沉淀污染水質(zhì)等。因此，水庫淤積嚴重影響水庫防洪安全、運行安全、生態(tài)安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題。

2 水庫清淤研究現(xiàn)狀

2.1 水庫淤積形態(tài)研究

韓其為[2]對水庫泥沙運動、水庫淤積形態(tài)等方面開展了大量研究工作，目前普遍認為水庫淤積形態(tài)取決于壩前水位壅高程度、含沙量和泥沙粒徑、水庫地形條件、水庫運用方式等。水庫淤積的典型形態(tài)有三角洲、錐體、帶狀等3種淤積體[2]。

三角洲淤積體的特點是淤積厚度達到一定程度后，淤積體向庫區(qū)推進，呈現(xiàn)出中間厚、兩端薄的特點。錐體淤積體的特點是淤積厚度沿程遞增，至壩前淤積厚度達到最大;帶狀淤積體的特點是庫尾淤積厚度沿程分布較均勻。三角洲淤積體一般出現(xiàn)在壩前水位較穩(wěn)定、壅水較高且具有一定回水長度的水庫。錐形淤積體一般出現(xiàn)在水庫壅水低、壩前仍有一定流速，水庫回水短、含沙量高或顆粒很細區(qū)域，通常因水庫較小，淤積無法充分發(fā)展。帶狀淤積體一般出現(xiàn)在壩前水位變幅很大，有較長回水區(qū)。此外，水庫淤積平衡后均為錐形淤積體[3]。

2.2 水庫淤積勘測技術(shù)

國內(nèi)外淤泥測量普遍采用鉆孔取樣、靜力觸探、聲吶探測、放射線探測等方法，目前水庫淤泥主要采用淺地層剖面儀進行探測。淺地層剖面儀通過聲波的傳播和反射特性對淺底地層剖面結(jié)構(gòu)進行探測[4]。淺地層剖面儀底層穿透深度大、分辨率較高，具有圖像連續(xù)、便于操作、探測速度快的特點，可快速、精確探測淤泥厚度;探測深度可達200 m，能夠穿透40 m的泥層，精度可達厘米級，已在柴河水庫[5]等清淤工程成功應(yīng)用。

目前，水庫淤泥性狀勘察常用重力取樣器，其基本原理是利用取樣器本身的重力，將中空的取樣管直接貫入湖泊沉積物，并用密封裝置確保樣品在提升過程中不會掉落。重力取樣器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、取樣質(zhì)量高。淤泥取樣后需測定不同深度的檢測指標，包括物理指標及污染物指標，為清淤方案選擇提供基礎(chǔ)資料。基礎(chǔ)物理指標包括pH值、含水率、含沙率、顆粒分析、物理力學性能指標等;污染物指標包括一般性污染物指標、無機元素及其化合物指標、有機污染物指標、農(nóng)藥類指標等。

2.3 水庫機械清淤技術(shù)

選擇水庫清淤設(shè)備時，應(yīng)綜合考慮水庫水深、淤泥成分、排泥場設(shè)置與距離、動力源配備及要求、水庫地形地貌條件、施工強度要求、設(shè)備運輸及進出場道路狀況、氣象條件及水庫水質(zhì)狀況等。常用的干地清淤機械有挖掘機、水力沖挖;水下清淤機械有抓斗挖泥船、絞吸式挖泥船、環(huán)保絞吸式挖泥船、氣動泵船等（見表1）。挖掘機干地開挖效率高，但需放空水庫，適用于小型水庫或有條件放空的水庫。抓斗挖泥船取料濃度大，對水體攪動大，效率低，適用于淺水區(qū)作業(yè)及對水體環(huán)境無要求的水庫。絞吸式挖泥船取料濃度小，對水體有一定攪動，適用于對水體環(huán)境要求不高的水庫。環(huán)保絞吸式挖泥船取料濃度大，作業(yè)過程基本無污染，適用于對水體環(huán)境要求高的水庫。氣動泵船取料濃度大，工作效率一般，工作水深大，適用于對水體環(huán)境要求高的水庫。

淤泥輸送一般有汽車運輸、管道輸送、泥駁輸送等方式。汽車運輸方便靈活，但運輸效率較小，運輸費用較高，對環(huán)境影響大。管道輸送是最常用的輸送方法，適用于淤泥輸送目的地穩(wěn)定不變，淤泥流動性較高、含水率較高，該法環(huán)保性好、操作方便、效率高，但投資較大。泥駁輸送適用于輸送不同含水率的淤泥，具有靈活方便、運行費用低的優(yōu)點，但須在岸上設(shè)中轉(zhuǎn)站。

2.4 水庫淤泥處置及資源化利用技術(shù)

常用淤泥脫水處理方法有自然脫水干燥法、真空預(yù)壓排水固結(jié)法、土工管袋法、機械脫水法、攪拌固化法等（見表2）。自然脫水干燥法是指淤泥在干化場內(nèi)自然風干;土工管袋法是利用自重和加壓管袋過濾水;攪拌固化法是在淤泥中添加固化劑;機械攪拌固化、機械脫水法是利用離心機、帶式壓濾機、板框式壓濾機等機械將淤泥中水分擠出。淤泥自然脫水干燥法處理成本低，但占地面積大，其他固化方法成本均較高。

總體來說，我國水庫淤積性態(tài)研究已開展數(shù)十年，對水庫淤積形態(tài)有較深入的了解，淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術(shù)在港口、河道、湖泊清淤工程中均有應(yīng)用基礎(chǔ)，具備開展常規(guī)水庫清淤的條件。

3 水庫清淤技術(shù)難點及對策

3.1 水庫深水清淤

我國水庫多選擇在高山峽谷地區(qū)建壩，最大壩高已超過300 m。相較于湖泊和河道清淤，水庫清淤具有壩前水深大、水深變化范圍大、淤積物粒徑差別大的特點，且水庫多建于內(nèi)陸地區(qū)，不具備通航條件，大型挖泥船難以進入。荷蘭、意大利、日本等國企業(yè)研發(fā)的深水清淤設(shè)備價格和施工成本均較高。研究開發(fā)出易拆裝、施工簡便、工效高、成本低、適應(yīng)性強的清淤設(shè)備是水庫深水清淤面臨的技術(shù)難題。

國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的深水清淤設(shè)備通常利用氣力提升原理。如江蘇氣力泵疏浚系統(tǒng)疏浚深度可達160 m，排距達2 500 m，適用于淤泥、粉細砂等細顆粒松散淤積物，管道輸送距離遠。使用該設(shè)備在云南撫仙湖進行了深水清淤，最大作業(yè)水深154 m。新型氣動式深水清淤系統(tǒng)作業(yè)深度可達160 m，施工效率高，作業(yè)無污染，適用于粒徑較大的砂礫石、砂卵石等淤積物，管道輸送距離較短。該系統(tǒng)在三峽庫區(qū)萬州段進行了深水清淤，作業(yè)水深60～110 m，淤積物為砂礫石，采用船舶外運出渣方式，完成清淤63.9萬m3，生產(chǎn)能力達325 m3/h[6]。我國水庫深水清淤機械的應(yīng)用整體還處于試點階段，還需根據(jù)試點工程經(jīng)驗，研發(fā)成本低、工效高、對淤積物粒徑及水位變幅適應(yīng)性強的水庫深水清淤設(shè)備。

3.2 水庫環(huán)保清淤

環(huán)保清淤是指以改善水環(huán)境為目的，對水庫淤泥進行清淤，其對清淤的精度、防污染物二次擴散、底泥處理等要求較高。環(huán)保絞吸式挖泥船和氣力泵船是應(yīng)用較為廣泛的環(huán)保清淤設(shè)備，其優(yōu)點是施工時對底泥的擾動影響小，吸入泥漿濃度高，可有效減少污染物的擴散。環(huán)保絞吸式挖泥船一般作業(yè)水深在30 m以內(nèi)，氣力泵船最大挖深可達200 m。近年來，環(huán)保清淤技術(shù)已成功應(yīng)用于我國部分湖泊清淤工程，典型案例有江蘇太湖、云南滇池[7-8]等工程，但在水庫中的應(yīng)用較少。

水庫環(huán)保清淤的難點有：

（1）對具有供水功能的水庫，水庫環(huán)保清淤不能影響水庫供水。具體體現(xiàn)在兩個方面：①水庫無法放空施工，需進行水下清淤作業(yè);②施工時不能擾動底泥污染物，以免影響供水水質(zhì)。

（2）水庫庫底環(huán)境復雜，水深變化較大，而環(huán)保清淤作業(yè)對清淤要求高，因此對清淤機械適應(yīng)性要求高。

（3）清淤后底泥、余水中污染物需進行環(huán)保處理。

隨著我國對水生態(tài)環(huán)境的要求逐漸提高，水庫環(huán)保清淤正在進行試點工作，如通濟橋水庫環(huán)保清淤試點工程[9]。通濟橋水庫水質(zhì)常年為III類、IV類，主要影響因子為TN，庫底淤積量達258萬m3，庫區(qū)水深10～30 m。選用深水環(huán)保絞吸式挖泥船清淤，通過對清淤點附近水質(zhì)的跟蹤監(jiān)測，清淤施工僅對距離絞刀頭20 m范圍內(nèi)的水體產(chǎn)生一定的擾動，清淤作業(yè)擾動范圍較小，影響持續(xù)時間較短，對取水口水質(zhì)基本無影響。疏浚底泥經(jīng)格柵機、沉淀池、物料池、板框式壓濾機處理脫水干化后用于修復礦山和制磚，余水經(jīng)過濾、添加絮凝劑處理，水質(zhì)達標后排放至河道。

3.3 孔洞水下清淤

除庫區(qū)及壩前淤積外，水庫泄洪建筑物、引水建筑物在長期運行后，也會存在泥沙、石塊、樹枝、垃圾在孔洞口及洞內(nèi)淤積情況，降低建筑物過流能力，嚴重時會造成堵塞，使閘門無法順利提升開啟，影響水利工程正常、安全運行。當水庫不具備放空清淤條件時，需要進行水下清淤?？锥此虑逵偈┕ぷ鳂I(yè)面小，孔洞內(nèi)部淤積物復雜，作業(yè)條件差，普通挖泥船無法施工。目前孔洞水下清淤實施案例較少，一般由潛水員配合清淤機械施工。鴨河口水庫循環(huán)水泵站進口淤積了大石塊、碎石、泥沙等雜物，清淤深度約18 m，清淤工程采用潛水員配合鋼索牽引式犁耙將大塊石、膠泥塊等雜物排出涵洞，再由潛水員手持水槍沖刷淤泥，氣升式吸泥器吸泥[10]。該工程耗時8個月，清淤約1 800 m3，潛水員下水作業(yè)1 286次。

孔洞水下清淤的難點有：水利工程孔洞水深較大、洞身長、洞內(nèi)雜物多、能見度低、作業(yè)條件差，潛水員在孔洞內(nèi)操作高壓水槍、吸泥管等機械時容易發(fā)生機械傷害，尤其對于深水部位長的孔洞，清淤潛水員施工風險較大，亟需研發(fā)適應(yīng)于水下孔洞清淤的施工機械。

目前，國內(nèi)一些企業(yè)和科研院所正在開展水下清淤機器人的研究工作。浙江大學研發(fā)了一種基于水下機器人的水下孔洞清淤方法[11]，利用水下機器人替代潛水員，將耙子的耙齒釘入淤積物，由卷揚機通過牽引繩將耙子拉出水下孔洞外，可清除樹枝等大塊物體;還可利用水下機器人放置碎淤設(shè)備和渣漿軟管清除淤泥。長沙礦冶研究院研發(fā)了一種深水清淤車[12]，結(jié)構(gòu)包括車體、行走裝置和攪吸裝置，可實現(xiàn)不依靠船載設(shè)備，自行進行水下清淤工作?？傮w來說，水下孔洞機械清淤還處于研究及試點階段。未來結(jié)合工程實際需要，可研發(fā)搭載水下孔洞勘察、檢測、清淤等多功能模塊的水下機器人。

3.4 淤泥脫水處理

淤泥常規(guī)脫水處置需要布置干化池或沉淀池、調(diào)理池、脫水固化工廠等，而位于高山峽谷地區(qū)的水庫，難以找到大面積的淤泥固化及處置地點，淤泥脫水處理是水庫清淤面臨的重要問題之一。美國密西西比國際水務(wù)有限公司研究了一種水面平臺上就地實施淤泥清理的系統(tǒng)[13]，浮動平臺上包括抽吸淤泥裝置、前處理裝置和干餾裝置，淤泥最終制成生物碳土。該設(shè)施不占用土地，無淤泥外運，不造成水體和環(huán)境的二次污染，為水庫清淤機械及淤泥脫水處理方式提供了新的思路。

3.5 淤泥資源化利用

水庫淤積量大、淤泥成分和分布復雜，如何無害化、資源化處置水庫淤泥是亟待解決的水庫清淤難題。根據(jù)國內(nèi)湖泊和河道疏浚經(jīng)驗，對于含沙量高的淤泥，可用作建筑材料、燒制磚等;對于有機質(zhì)含量高的淤泥，可用作覆土造田、改造低產(chǎn)田、場礦治理等。如紅崖山水庫[14]淤積物為壤土或粉質(zhì)黏土，經(jīng)沉淀和晾曬脫水后用作回填料，摻配黏土巖粉碎細磨料用于壩體防滲料。賦石水庫淤積物含沙量高，淤泥篩分砂石料出售，經(jīng)濟效益較好[15]。

水庫淤積物成分、淤泥處理條件不盡相同，需結(jié)合水庫實際情況，因地制宜地采用經(jīng)濟、環(huán)保的處置方式。國內(nèi)水庫清淤淤泥處置方式以棄渣場堆存或用作造地回填料為主，是由于水庫位于偏遠山區(qū)，建材需求較低，運距遠，且淤泥加工為建筑材料成本較高。目前，經(jīng)處理后，水庫淤積物作為砂料利用仍存在政策方面的問題。

4 結(jié) 語

水庫淤積嚴重影響水庫防洪安全、運行安全、生態(tài)安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題。我國水庫淤積性態(tài)研究已開展數(shù)十年，對水庫淤積性態(tài)規(guī)律有較深入的了解，淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術(shù)均較成熟，具備開展常規(guī)水庫清淤條件。但水庫清淤仍存在深水清淤、環(huán)保清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術(shù)難點。雖然目前已在深水清淤船、環(huán)保式絞吸船、淤泥環(huán)保處理工藝、孔洞水下清淤機器人研發(fā)、水上清淤及固化處理平臺、淤泥制作建筑材料等方面開展了研究，并應(yīng)用于一些水庫清淤試點工程，取得了一些研究成果，但總體還上還處于研究試點階段。

結(jié)合上述技術(shù)難點和研究成果，可開展水庫淤泥勘測、清淤、干化、資源化利用一體化水上施工平臺及設(shè)備研究，簡化施工工藝，提高施工效率，降低清淤成本，提高淤泥資源化利用經(jīng)濟效益，有利于大規(guī)模開展水庫清淤工作。

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（編輯：李曉濛）