水庫(kù)清淤及淤積泥沙處理技術(shù)

王青峰，周 琪，劉曉光

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450000）

水庫(kù)在水利工程上具有重要作用。首先，水庫(kù)的滯洪與蓄洪作用使其廣泛應(yīng)用在防洪工程中，為民生安全提供保障；其次，水庫(kù)可為附近地區(qū)提供灌溉及生活用水并可對(duì)庫(kù)區(qū)及下游進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)；此外，水庫(kù)在漁業(yè)養(yǎng)殖及水壩水利發(fā)電方面能夠產(chǎn)生較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。中國(guó)是世界上水庫(kù)最多的國(guó)家，據(jù)中華人民共和國(guó)水利部發(fā)布的《2020年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國(guó)已建成各類(lèi)水庫(kù)98 566座，水庫(kù)總庫(kù)容9 306億m3，其中大型水庫(kù)與中型水庫(kù)數(shù)量分別為774座與4 098座。但我國(guó)水庫(kù)多數(shù)建造于1950年至1980年期間，受當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)建造水平及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展限制，水庫(kù)對(duì)排沙設(shè)計(jì)考慮不足甚至缺少合理的排沙設(shè)計(jì)方法[1]。而我國(guó)河道中泥沙含量普遍較高，在其上建造水庫(kù)后，由于壩體的存在，水中夾雜的泥沙會(huì)遭到攔截，同時(shí)水體流速及勢(shì)能也會(huì)遭受一定的損失，外加庫(kù)尾地區(qū)水體回流現(xiàn)象的影響，水中泥沙在水庫(kù)內(nèi)尤其是壩前和水庫(kù)尾部的沉積就在所難免。某些人為因素亦會(huì)加重水庫(kù)的淤積：如在庫(kù)區(qū)附近亂采濫伐致使土壤流失，從而引起庫(kù)區(qū)排水溝渠及溢洪道等的堵塞；部分處于郊區(qū)的規(guī)模較小的水庫(kù)，出于經(jīng)濟(jì)效益，其附近往往會(huì)進(jìn)行房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能會(huì)造成原有的排水溝渠堵塞[2]。早在2003年，田海濤等[3]根據(jù)115座具有代表性的中國(guó)內(nèi)地水庫(kù)淤積資料推算出：中國(guó)大陸地區(qū)的庫(kù)區(qū)淤積率已達(dá)到20%左右，每年因泥沙淤積而損失0.76%左右的庫(kù)容，也就是每年減少約42.3億m3的庫(kù)容。水庫(kù)淤積不僅是對(duì)水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容及興利庫(kù)容的侵占，更是對(duì)良好水庫(kù)壩址的浪費(fèi)，同時(shí)淤積在水庫(kù)中的泥沙會(huì)磨蝕泄水建筑物和發(fā)電設(shè)備的機(jī)輪，降低其效能及使用期限，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。水庫(kù)淤積會(huì)抬高回水位，從而增大水庫(kù)被淹沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)，并且錐體淤積會(huì)加大壩體受到的泥沙壓力，對(duì)壩體的穩(wěn)定性造成影響，從而威脅壩址附近民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，在水庫(kù)中長(zhǎng)期淤滯的泥沙會(huì)不斷吸附流經(jīng)水體中的銅、鉛、汞等重金屬及氮、磷等有機(jī)質(zhì)，造成庫(kù)區(qū)水質(zhì)降低，不僅難以補(bǔ)救，而且會(huì)影響附近住戶的生活用水，危害民眾生命健康[4]。因此，結(jié)合現(xiàn)在的科技水平及工程裝備條件，對(duì)水庫(kù)的淤積探測(cè)、清淤技術(shù)及淤泥處理技術(shù)進(jìn)行探究，從而更好地恢復(fù)水庫(kù)庫(kù)容，使水庫(kù)安穩(wěn)長(zhǎng)久運(yùn)行，是十分必要的。

1 水庫(kù)淤積情況探測(cè)技術(shù)

對(duì)水庫(kù)的淤積情況進(jìn)行探測(cè)可以為后續(xù)清淤提供數(shù)據(jù)支持，使清淤工作更加方便快捷，是開(kāi)展水庫(kù)清淤工程的基礎(chǔ)。國(guó)際上對(duì)淤積層厚度的探測(cè)主要采用鉆孔法、靜力觸探法、聲吶測(cè)量法及放射線探測(cè)法等方法。如今淺地層剖面儀（圖1）因其便攜及精準(zhǔn)性成為了水庫(kù)淤積深度及分布探測(cè)最常用的探測(cè)儀器[5]。淺地層剖面儀主要由聲納收發(fā)系統(tǒng)、GPS定位儀、姿態(tài)儀及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，利用聲音在不同介質(zhì)中具有不同傳播速度的特性，通過(guò)發(fā)射與接受聲波的間隔對(duì)水深、泥沙厚度進(jìn)行測(cè)量。淺地層剖面儀具有操作簡(jiǎn)單、方便攜帶、分辨率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行水庫(kù)淤積探測(cè)時(shí)，可將淺地層剖面儀安裝在測(cè)船底部，GPS定位儀可精準(zhǔn)定位測(cè)點(diǎn)，姿態(tài)儀可對(duì)測(cè)船在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行三維姿態(tài)補(bǔ)償測(cè)量，從而得到精準(zhǔn)的水庫(kù)淤積測(cè)量數(shù)據(jù)[6]。經(jīng)淺地層剖面儀探測(cè)后，對(duì)于死庫(kù)容淤積率（淤積泥沙體積所占死庫(kù)容的百分比）大于60%的水庫(kù)需進(jìn)行后續(xù)的清淤操作，以防淤積泥沙對(duì)水庫(kù)的興利及防洪功能帶來(lái)不利影響。對(duì)于淤積類(lèi)型為錐體淤積且淤積泥沙已對(duì)或即將對(duì)水壩產(chǎn)生危害的水庫(kù)，即使死庫(kù)容淤積率小于60%，也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行清淤。此外，對(duì)水庫(kù)淤積情況的探測(cè)不能只局限于對(duì)淤積深度及分布的探測(cè)，還需要對(duì)淤泥的成分、物理力學(xué)性質(zhì)及污染物情況進(jìn)行探測(cè)，從而為后續(xù)清淤技術(shù)的選擇提供依據(jù)。因此還需借助高頻振動(dòng)聲波鉆機(jī)對(duì)水庫(kù)淤泥進(jìn)行取樣分析。高頻振動(dòng)聲波鉆機(jī)的原理是利用高頻振動(dòng)力或回轉(zhuǎn)力和壓力使鉆頭切入土層或軟巖進(jìn)行取樣[7]，可與水上懸浮工作平臺(tái)相連接進(jìn)行庫(kù)區(qū)淤泥勘測(cè)取樣工作，具有拆裝方便快捷、污染小、施工安全性高、樣品采集效率高且所取樣品完整性較好的優(yōu)點(diǎn)[8]。取樣后，對(duì)樣品進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析，對(duì)于樣品被污染的部分還需進(jìn)行重金屬污染、氮磷等有機(jī)污染物及農(nóng)藥污染等的測(cè)試分析。此外，還可將樣品淤積層厚度與淺地層剖面儀所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確保探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 淺地層剖面儀

2 水庫(kù)清淤技術(shù)

2.1 沖刷清淤法

常用的沖刷清淤方法有滯洪排沙、泄空排沙及集中沖刷等。滯洪排沙適用于中小型洪水來(lái)臨的渾水水庫(kù)，當(dāng)洪水到來(lái)時(shí)，及時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)，利用洪水的沖擊，將大量水中泥沙及部分淤積泥沙排出水庫(kù)。運(yùn)用此種方法清淤時(shí)，必須控制水庫(kù)水位，使洪水不漫灘或少漫灘，同時(shí)要掌握開(kāi)閘泄洪時(shí)機(jī)，及時(shí)開(kāi)閘，盡可能加大下匯量。泄空排沙適用于淤積泥沙黏性較小或淤積泥沙尚未充分壓實(shí)固結(jié)的水庫(kù)，在洪水入庫(kù)前放空水庫(kù)，然后利用在泄洪過(guò)程中產(chǎn)生的沿程沖刷及溯源沖刷將淤積泥沙排出水庫(kù)。集中沖刷適用于平枯年間沒(méi)有額外儲(chǔ)備庫(kù)水進(jìn)行排沙的水庫(kù)，在洪水來(lái)臨之際，趁著泄洪的機(jī)會(huì)利用水流的沖擊，使泥沙從泄洪孔排出。上述沖刷排沙的方法操作簡(jiǎn)便，不需要額外排沙設(shè)備，但棄水量較大，且需保證淤積泥沙不含有害污染物以防污染周邊環(huán)境[8]。

2.2 放空干清法

放空干清法主要分為挖掘法及抽取泥漿法，挖掘法是在對(duì)水庫(kù)存水進(jìn)行放空后，采用挖掘機(jī)及推土機(jī)進(jìn)入水庫(kù)進(jìn)行陸地工作，從而清除水庫(kù)淤泥。在使用該方法進(jìn)行清淤前要先進(jìn)行淤泥厚度勘測(cè)，從而確定挖掘機(jī)挖掘深度，以防在清淤過(guò)程中破壞水庫(kù)防滲層。挖掘法清除的淤積料可直接堆放或用渣土運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸，方便進(jìn)行后續(xù)的泥沙處理。抽取泥漿法是在水庫(kù)放空后，使用高壓水槍對(duì)淤積料進(jìn)行沖刷從而形成泥沙漿，然后使用泥漿泵直接將泥沙漿排出庫(kù)外。放空干清法清淤效率高，在清淤過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)清淤情況的實(shí)時(shí)把控，并且可順帶對(duì)庫(kù)岸邊坡進(jìn)行清理，能保證對(duì)水庫(kù)清淤見(jiàn)底[2]，清淤完成后無(wú)需對(duì)水庫(kù)淤積情況再次查驗(yàn)。但其缺點(diǎn)也很明顯：適用性較窄，僅適用于有條件對(duì)水庫(kù)進(jìn)行放空的中小型水庫(kù)，且雨天對(duì)清淤工作影響較大，難以確保清淤工期。

2.3 虹吸清淤法

虹吸清淤法主要是利用虹吸現(xiàn)象將上游水庫(kù)中的淤積泥沙排到下游區(qū)域。在上游水庫(kù)至下游排淤區(qū)域架設(shè)虹吸式放水涵管或浮動(dòng)軟管，清淤時(shí)先將管內(nèi)空氣從出水口排出，從而形成虹吸，水庫(kù)的淤積泥沙會(huì)隨水流從涵管進(jìn)水口持續(xù)流向下游排水口。研究表明，該方法所排每立方米渾水中通?？珊?00～150 kg泥沙，最高可含700 kg以上泥沙[9]。缺點(diǎn)是排沙速率由上下游水位差決定，只能清除壩前一定范圍的淤積泥沙，且清淤所需水量較大。但可在下游出水口建立沉淀池，將沉淀后的清水用于農(nóng)田灌溉，以此來(lái)節(jié)約用水。此方法無(wú)需泄空水庫(kù)，不受枯水少雨季節(jié)影響，可根據(jù)各地農(nóng)田澆灌情況實(shí)現(xiàn)常年持續(xù)排沙[10]。因此該方法比較適用于臨近農(nóng)田且淤積類(lèi)型為壩前錐形淤積的水庫(kù)。

2.4 挖泥船清淤法

挖泥船清淤法主要分為2種，一種是鉸吸式，另一種是氣力泵式。鉸吸式挖泥船（圖2）憑借旋轉(zhuǎn)的鉸刀鉸松并帶動(dòng)淤積在庫(kù)底的泥沙，隨后由泥漿泵將泥沙漿泵送至指定區(qū)域，其作業(yè)水深一般在30 m以?xún)?nèi)。對(duì)于水質(zhì)要求較高的水庫(kù)，鉸吸式挖泥船可搭配裝配有導(dǎo)泥擋板、絞刀密封罩、絞刀水平調(diào)節(jié)器等裝置的環(huán)保絞刀來(lái)降低鉸刀對(duì)淤積物產(chǎn)生的擾動(dòng)。清淤時(shí)鉸刀始終平貼于庫(kù)底，密封罩將擾動(dòng)嚴(yán)格限制在罩內(nèi)區(qū)域，以防污染物擴(kuò)散污染庫(kù)水，同時(shí)密封罩的存在也起到提高排出漿液含沙率的作用。鉸吸式挖泥船優(yōu)點(diǎn)是集挖泥、輸泥和卸泥一體化，耗水量少，清淤效率較高，清淤過(guò)程中不影響水庫(kù)的正常運(yùn)行，且可通過(guò)選配不同部件適應(yīng)多種清淤環(huán)境。氣力泵式挖泥船主要由柴油發(fā)電機(jī)、泥漿泵、吸淤管、空氣壓縮機(jī)、固液分離裝置、排泥管及船體等部件組成。氣力泵式挖泥船可在較深水域進(jìn)行清淤，同時(shí)清淤時(shí)可將淤積料及水進(jìn)行初步分離，并將余水返還水庫(kù)，耗水較少，清淤效率高，而且且操作簡(jiǎn)便，泵體扇葉不直接與泥沙漿接觸，部件磨損率較低，經(jīng)久耐用且便于維護(hù)。鉸吸式及氣力泵式挖泥船均采用分體式設(shè)計(jì)，安裝拆卸方便，適用范圍廣。

圖2 鉸吸式挖泥船

3 淤積泥沙處理

淤積泥沙的處理要按照“可控化、減量化、資源化、無(wú)害化”的可持續(xù)發(fā)展原則，根據(jù)淤積泥沙的性質(zhì)、類(lèi)型及工程要求，選擇相應(yīng)的技術(shù)手段。淤積泥沙污染的可控化可采用物理方法阻斷泥沙吸附的有害物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的擴(kuò)散，無(wú)害化可采用化學(xué)法或者生物法消減污染物的毒性。水庫(kù)淤積泥沙處理主要分為清淤前泥沙處理及清淤后泥沙處理2步。

3.1 清淤前泥沙處理技術(shù)

常用的清淤前泥沙處理技術(shù)主要包括化學(xué)處理、生物修復(fù)、生態(tài)修復(fù)及綜合修復(fù)等技術(shù)。清淤時(shí)需根據(jù)污染物特性、各種方法的特點(diǎn)及清淤工程的實(shí)際需求，選擇合適的方法阻斷污染物的擴(kuò)散并消除其毒性。

化學(xué)處理是指依靠向水體或淤積層投加化學(xué)修復(fù)藥劑，利用其與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)污染物降解或抑制淤積層污染物釋放的淤積泥沙處理技術(shù)。生物修復(fù)是指通過(guò)投加外援微生物或激活土著微生物等方式，利用微生物的代謝活動(dòng)降解和減輕淤積層污染物的毒性，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染淤積泥沙的治理。生態(tài)修復(fù)主要指采用水生植物、生態(tài)綠島、曝氣增氧等綜合手段進(jìn)行污染淤積泥沙修復(fù)的技術(shù)。綜合修復(fù)技術(shù)是指綜合采用微生物、生物、化學(xué)、生態(tài)甚至物理修復(fù)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)污染淤積泥沙的治理，發(fā)揮不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合作用以提高綜合修復(fù)效果，以克服單一手段帶來(lái)的一些弊端。

清淤前泥沙處理技術(shù)是在原地對(duì)受污染的泥沙進(jìn)行處理，可以有效降低清淤時(shí)因擾動(dòng)造成的淤積泥沙再懸浮對(duì)水體造成的二次污染，同時(shí)可以減少底泥在運(yùn)移過(guò)程中向周?chē)h(huán)境流放的污染物總量。對(duì)于淤積層未被污染或采用環(huán)保清淤法進(jìn)行清淤的水庫(kù)可跳過(guò)該步驟直接進(jìn)行后續(xù)清淤操作。

3.2 清淤后泥沙處理技術(shù)

清淤后泥沙處理技術(shù)是指采用疏浚設(shè)備將淤積泥沙疏浚至岸邊或運(yùn)移至指定場(chǎng)地，通過(guò)淤積泥沙預(yù)處理及脫水，使得淤積泥沙能夠“減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化”地處理，主要包括化學(xué)固化法、機(jī)械分離法、土工管袋脫水法等。

化學(xué)固化法就是在水庫(kù)清淤泥沙漿中加入固化劑并充分?jǐn)嚢?，固化劑、水及空氣充分反?yīng)后固化，會(huì)使泥沙漿高含水率、低強(qiáng)度的特性得到顯著改善。該方法的優(yōu)點(diǎn)是固化后的產(chǎn)物可用于工程建設(shè)，無(wú)需長(zhǎng)期占用堆放場(chǎng)地，能以較低的成本帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。該方法的缺點(diǎn)是固化后的泥沙需要養(yǎng)護(hù)處理，養(yǎng)護(hù)周期相對(duì)較長(zhǎng)，根據(jù)添加的固化劑不同，需要3～20 d左右的養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)，對(duì)養(yǎng)護(hù)場(chǎng)地面積及使用時(shí)間要求較高。

機(jī)械分離法是將清淤產(chǎn)生的泥沙漿體，通過(guò)垃圾分選機(jī)篩除泥沙漿中垃圾雜物后，將泥沙漿送入泥沙分離池，將分離出的泥漿液送入沉淀池進(jìn)行二次脫水濃縮。采用泥漿泵或小型絞吸式挖泥船將沉淀池底部濃縮泥漿送入添加疏水劑和疏水固化劑的拌合系統(tǒng)，拌合后送入脫水固化設(shè)備。脫水后可分離出含水率小于等于40%的泥餅及退水，泥餅可用于其他工程，退水經(jīng)化學(xué)處理符合庫(kù)水相關(guān)要求后可還庫(kù)。本方案的優(yōu)點(diǎn)是淤積泥沙中的含沙可分離并資源化利用，泥餅無(wú)需養(yǎng)護(hù)，可直接資源化利用。

土工管袋脫水法是利用管袋的孔隙過(guò)濾作用達(dá)到泥沙與水分離的目的。向泥沙漿中添加凈水劑，攪拌均勻后裝入土工管袋，隨后將管袋堆放在階梯式儲(chǔ)水場(chǎng)地靠上的階梯部位，利用管袋的過(guò)濾作用、管袋的相互擠壓作用及水體自重作用達(dá)到泥沙與水的分離，泥沙被攔截于袋內(nèi)，水體流入儲(chǔ)水池，管袋內(nèi)泥沙可收集作為填筑材料，池內(nèi)水體處理達(dá)標(biāo)后可用于附近農(nóng)田灌溉。土工管袋脫水法經(jīng)濟(jì)便捷，且在脫水過(guò)程中無(wú)噪音產(chǎn)生，但由于淤積泥沙滲透系數(shù)低，土工管袋脫水法效率較低，工期較長(zhǎng)，根據(jù)類(lèi)似經(jīng)驗(yàn)，需要一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。適用于工期較為寬松的項(xiàng)目以及干燥少雨、有長(zhǎng)期可用堆放場(chǎng)地的地區(qū)。

對(duì)淤積泥沙進(jìn)行處理就是為了實(shí)現(xiàn)在最大限度保護(hù)水庫(kù)區(qū)域水土及生態(tài)環(huán)境的情況下，對(duì)廢棄資源再利用，在節(jié)約占地的同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值。淤積泥沙經(jīng)處理后，達(dá)標(biāo)的余水可返還水庫(kù)或用于農(nóng)田灌溉，泥沙可用于水庫(kù)擴(kuò)容及壩體加高培厚與防滲[11]或作為制磚、建筑用沙及其他項(xiàng)目填方的用料，處理后的泥沙料符合GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的也可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如制作有機(jī)肥、改良土壤及填土造田等。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)施水庫(kù)清淤工程可以增強(qiáng)水庫(kù)的防洪及興利能力，從而保證庫(kù)區(qū)及下游居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。在進(jìn)行清淤工程的同時(shí)，工作人員要加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握庫(kù)容淤積情況，在淤積泥沙未對(duì)水庫(kù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響之前及時(shí)清淤。同時(shí)對(duì)淤積速度較快的水庫(kù)，要對(duì)其淤積成因及時(shí)進(jìn)行分析研究，對(duì)入庫(kù)泥沙進(jìn)行溯源分析，確認(rèn)集水范圍內(nèi)泥沙產(chǎn)生原因，然后對(duì)癥下藥，從源頭上防淤減淤，從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)的“長(zhǎng)治久安”。