三峽水庫壩前深水清淤疏浚技術(shù)研究

任 實，胡興娥，邢 龍，呂超楠，高 宇

(中國長江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 宜昌 443100)

1 研究背景

水庫蓄水運(yùn)行后，庫區(qū)水深和過水?dāng)嗝婷娣e較天然河道有所增大，水流流速減小，挾沙水流進(jìn)入庫區(qū)后，由于水流挾沙力大幅下降，挾帶的泥沙會在水庫內(nèi)淤積[1-4]。根據(jù)以往研究，全球水庫每年泥沙淤積造成的庫容損失率達(dá)0.5%～1.0%，而我國的年平均庫容損失率更是達(dá)到2.3%[5-6]。泥沙淤積問題涉及水庫上下游河道安全，并會直接限制水庫防洪抗旱、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)效益等綜合效益的發(fā)揮[7-8]。水庫淤積控制一直是水庫長期有效安全運(yùn)行的難點和熱點問題，水庫淤積控制措施包括攔減水庫來沙，利用泄洪、排沙設(shè)施排沙，機(jī)械清淤等[9-11]。

水庫清淤主要運(yùn)用技術(shù)手段對水庫淤積的庫容進(jìn)行恢復(fù)，主要包括機(jī)械清淤和水力清淤兩種方式。水庫清淤技術(shù)不僅要安全高效，還需兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，避免產(chǎn)生二次污染。傳統(tǒng)的機(jī)械清淤主要適用于庫區(qū)水深較小的中小型水庫。隨著大壩建造技術(shù)的提高和社會需求的提升，我國大型深水水庫的數(shù)量也越來越多，清淤技術(shù)也需要不斷地發(fā)展，才能滿足高壩大庫的深水清淤需求[12-13]。

本文主要研究了大型水庫壩前深水氣動力式清淤技術(shù)，并通過三峽水庫壩前深水試驗對氣動力式清淤技術(shù)的性能和效果進(jìn)行了評估，研究結(jié)果可為大型水庫清淤疏浚提供技術(shù)支撐。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)對砂石料的需求大幅增加，水庫清淤以及淤積沙的資源化利用可有效緩解砂石資源供需矛盾問題。大型水庫深水清淤疏浚對于水庫發(fā)揮綜合效益、水庫資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 三峽水庫壩前淤積情況

三峽水庫壩前河段為廟河至壩址(S40-1—S30+1)，全長15.1 km。蓄水以來，2003—2018年，壩前河段累積淤積泥沙1.747億m3，其中：110 m和90 m高程以下淤積量分別占該段總淤積量的82%和75%，壩前河段深泓平均淤厚37.3 m，最大淤厚66.8 m(S34斷面，距離大壩5.6 km)。目前，左電廠進(jìn)水口前沿河床平均高程約80 m，右電廠進(jìn)水口前沿河床平均高程約86 m，右岸地下電站進(jìn)水口前沿區(qū)域平均高程104.7 m，如圖1所示。

圖1 三峽水庫壩前區(qū)域淤積變化情況Fig.1 Sedimentation distribution in front of the dam of Three Gorges Reservoir

地下電廠布置于右岸茅坪溪白巖尖山脊下，共6臺機(jī)組，每臺機(jī)組引流量900 m3/s，進(jìn)水口底板高程113.0 m。每二臺機(jī)組之間布設(shè)一條排沙洞(共3條排沙洞)，每洞引用流量120 m3/s，進(jìn)口底板高程為102.0 m。目前，壩前泥沙淤積高程均低于電廠進(jìn)水口的底板高程(左右電廠進(jìn)水口底板高程108 m，地下電站進(jìn)水口底板高程113 m)，且淤積物顆粒較細(xì)，對發(fā)電未造成影響。但是，地下電站前沿泥沙淤積高程為104.8 m，超出排沙洞進(jìn)口底板高程2.5 m，泥沙淤積會影響排沙孔正常開啟，繼而影響水庫發(fā)電。因此，迫切需要研究深水清淤疏浚技術(shù)，為水庫綜合效益全面發(fā)揮保駕護(hù)航。

3 氣動力式清淤技術(shù)

一般而言，庫區(qū)水流挾沙能力弱、輸沙量少的主要原因在于水流紊動能力弱，無法讓淤積泥沙再次啟動。因此，提高水流輸沙能力的關(guān)鍵在于增加水流的紊動性。氣動式深水清淤技術(shù)依據(jù)氣力泵系統(tǒng)工作原理，采用高壓空氣作為動力，通過高壓膠管連續(xù)不斷地進(jìn)入引流管底部，并向引流管內(nèi)釋放，把引流管內(nèi)的水不斷向外排出，造成引流管外的壓力大于管內(nèi)的壓力，由于壓差的作用，將引流管口外周圍的泥、砂、礫石及其他物料源源不斷引流進(jìn)入管內(nèi)，然后利用壓縮空氣的力量，把泥漿推出泵體，通過排泥管送往預(yù)定地點，同時結(jié)合淤積物處理利用技術(shù)實現(xiàn)塊石與雜物的快速分離和淤泥、粗顆粒物料快速脫水。

傳統(tǒng)的清淤抓斗船、絞吸式挖泥船等清淤方式，將河底淤積物挖到拖船上，再運(yùn)送到指定淤積物堆放點，這種清淤方式對中小型水庫的清淤效果較好，無法適用于大型水庫。氣動式深水清淤技術(shù)保留了氣力泵系統(tǒng)所具有的操作簡單、無轉(zhuǎn)動磨損部件、產(chǎn)出效率高、挖深范圍大、作業(yè)無污染等特點，清淤作業(yè)深度可達(dá)到百米級，大大提高了作業(yè)水深。同時，可吸入的物料粒徑較大，一般可達(dá)到吸口直徑的90%左右，對于水下淤積物粒徑不明的工況具有較好的適應(yīng)性。

氣動式清淤技術(shù)主要裝置包括水上工作平臺(深水清淤工作船)、氣浮式深水物料采集裝置(深水清淤機(jī))、物料輸送管道(取砂管)、輸送機(jī)(液壓絞車鏈斗輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī))、空氣壓縮機(jī)等，如圖2所示。氣浮式深水物料采集裝置(深水清淤機(jī))是氣動式清淤機(jī)的核心技術(shù)所在，主要有導(dǎo)管、外套管、吸頭、空分器、平衡管、平衡閥、進(jìn)氣接管、噴射原件、防護(hù)隔柵、引流管等組成。

圖2 氣動式清淤裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of aerodynamic dredging device

4 三峽水庫壩前深水清淤疏浚試驗

4.1 試驗區(qū)域

氣動力式清淤技術(shù)先后在錦屏二級水電站進(jìn)水口、枕頭壩一級水電站尾水河道、龍口水電站尾水渠、太平灣水電站等清淤疏浚工程中得到運(yùn)用[14-16]，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有效率高、清淤效果好、成本低等優(yōu)點。然而上述清淤工程中，環(huán)境水深均不超過50 m，針對百米級的深水，氣動力式清淤技術(shù)還有待檢驗?？紤]到清淤裝置要在百米級水深環(huán)境下作業(yè)，檢驗其疏浚技術(shù)與疏浚能力。結(jié)合三峽庫區(qū)水流條件和水面寬度情況，試驗選定在三峽壩前區(qū)域進(jìn)行，平面位置如圖3所示，其中試驗ABCD區(qū)域所在河道斷面淤積情況如圖4所示。試驗時，三峽水庫已蓄水至正常蓄水位175 m，壩前區(qū)域河床高程在60 m，試驗的環(huán)境水深達(dá)115 m。根據(jù)斷面地形數(shù)據(jù)，選擇水深最大的區(qū)域進(jìn)行清淤試驗，試驗范圍為200 m×200 m。

圖3 三峽水庫壩前深水清淤疏浚試驗地點Fig.3 Test sites of deep water dredging in front of the dam of Three Gorges Reservoir

圖4 S32+1斷面淤積分布Fig.4 Sedimentation distribution of the S32+1 section

試驗記錄參數(shù)包括清淤前后的流速、水深等場地施工參數(shù)、淤積物的物料粒徑、級配和雜物品類等性狀、系統(tǒng)的生產(chǎn)能力及時間利用率等。本次試驗主要測試氣動力式清淤技術(shù)在百米級水深下的清淤性能，因此試驗中未將淤積物送上岸處理，通過深水導(dǎo)流管將吸附上來的淤積物又傳送到離試驗位置較遠(yuǎn)的水域。試驗主要裝備包括：

(1)水面作業(yè)平臺。深浚一號尺寸為型長58.0 m×型寬12.0 m×型深2.5 m。

(2)清淤系統(tǒng)。氣動式深水疏浚裝置包括鋼制伸縮管2根，吸口管徑DN600 mm。

(3)鋼制排泥管。22支×管徑DN600 mm×管長6 000 mm。

(4)動力系統(tǒng)。5臺XAVS900CD柴油型空氣壓縮機(jī)。

(5)輔助船舶。新水6號(運(yùn)輸兼動力船)交通船2艘。

試驗過程中測量的參數(shù)包括平面位置、水下地形、泵體入水深度、水流流速、氣體壓力、噪聲、渣料粒徑、油料消耗等，主要測量儀器如表1所示，另需配備照相機(jī)、攝像機(jī)、水下電視等影像記錄設(shè)備。

表1 試驗儀器及功用Table 1 List of test instruments and functions

試驗區(qū)域的相關(guān)參數(shù)如表2所示。試驗過程為：

表2 清淤試驗參數(shù)Table 2 Desilting test parameters

(1)測定試驗區(qū)域的流速、水深、淤積物深度、原始地形等。

(2)開始試驗，待試驗結(jié)束后立即測量水下地形，研究清淤效率和清淤效果。

(3)完整記錄每個試驗清淤點有效工作時間，用于工作效率的測算。

(4)試驗工況完成后，對淤積物特性進(jìn)行取樣并統(tǒng)計分析。

(5)詳細(xì)記錄每個試驗清淤點的設(shè)備臺班和工時，用于定額的測算。

4.2 試驗結(jié)果分析

本次試驗的清淤方量計算采用斷面法計算，測圖比例為1∶200時，圖上測量斷面間距為1～2 cm，圖上定位點最大間距為1～2 cm，折算為計算清淤量的實際斷面間距為2～4 m，點間距為2～4 m。為提高計算精度，控制計算斷面間距為2 m，斷面點間距為2 m。

本次清淤試驗位于三峽大壩壩前和伍相廟水位站之間江中水域，清淤試驗范圍為ABCD(試驗1)和EFGH(試驗2)兩塊區(qū)域(如圖3所示)。ABCD區(qū)域順?biāo)鞣较蜷L約202 m，垂直水流方向?qū)捈s為201 m，沿水流方向共布置102個計算斷面。EFGH區(qū)域順?biāo)鞣较蜷L約160 m，垂直水流方向?qū)捈s159 m，沿水流方向共布設(shè)81個計算斷面，本區(qū)更靠近大壩。

測量結(jié)果顯示，清淤前后ABCD控制范圍內(nèi)的河床變化幅度為-1.45～0.23 m，最大變化幅度為1.45 m，位于S70—S71斷面之間，清淤區(qū)域主要分布在S60—S80斷面的中間區(qū)域，見圖5(a)。清淤后EFGH區(qū)域情況如圖5(b)所示，清淤后形成一個漏斗型清淤坑，該清淤坑表面順?biāo)鞣较蚣s34 m，垂直水流方向約48 m。EFGH區(qū)域內(nèi)橫斷面變化比較明顯，橫斷面變化主要集中在清淤坑區(qū)域D35—D50區(qū)域，其中D1、D25、D65、D81斷面清淤后的高程大于清淤前，存在泥沙回淤現(xiàn)象，平均回淤高度約0.2 m。

圖5 清淤厚度三維示意圖Fig.5 Three-dimensional desilting thickness

EFGH清淤試驗區(qū)域泥沙回淤原因：①該區(qū)域離三峽大壩約490 m，距三峽水利樞紐右電廠較近，受右電廠發(fā)電機(jī)組取水水流影響，該區(qū)域水流與床沙相互作用復(fù)雜，易受取水水流干擾而影響河床形態(tài)；②因區(qū)域離三峽大壩較近，河床主要由細(xì)沙和懸移質(zhì)淤積而成的淤泥質(zhì)構(gòu)成，該區(qū)域泥沙不易形成穩(wěn)定的河床結(jié)構(gòu)，因此河床清淤后淤泥質(zhì)較容易回淤。

由于EFGH區(qū)域存在泥沙回淤，本次試驗主要分析ABCD區(qū)域內(nèi)的清淤效果。根據(jù)計算，ABCD區(qū)域內(nèi)清淤方量為17 462.0 m3，而本次試驗歷時4 h，可以計算出清淤能力為4 365.5 m3/h，遠(yuǎn)大于在枕頭壩一級水電站的清淤效率。通過淤積物取樣分析，本次試驗清淤的泥沙中值粒徑在0.06 mm左右，遠(yuǎn)小于枕頭壩清淤時的粒徑800 mm，泥沙顆粒對清淤設(shè)備的堵塞影響較小，因而清淤效率較高。試驗過程中相關(guān)費(fèi)用組成如表3所示，根據(jù)試驗投入的人工、燃油動力、地形測量、材料消耗等，計算出疏浚每100 m3綜合單價為3 128.26元，即31.28元/m3，小于枕頭壩一級水電站的清淤費(fèi)用。本次試驗區(qū)域泥沙顆粒較細(xì)，清淤效率較高，同時未將淤積物進(jìn)行二次處理，是本次試驗清淤費(fèi)用較低的主要原因。

表3 清淤試驗費(fèi)用組成Table 3 Composition of dredging test cost

5 結(jié) 論

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人類對水資源利用提出了更高的需求，這就需要水庫持續(xù)全面發(fā)揮綜合效益。通過科學(xué)技術(shù)手段高效恢復(fù)淤積水庫的有效庫容是保證水庫效益發(fā)揮的可持續(xù)發(fā)展之路。本文詳細(xì)闡述了氣動力式水庫清淤技術(shù)的原理及設(shè)計裝置，并在百米級水深下檢驗了其工作性能，得到的結(jié)論如下：

(1)氣動力式清淤技術(shù)主要通過壓縮空氣提升系統(tǒng)的輸出功率，從而大幅提高水流紊動能力，進(jìn)而帶動河床淤積泥沙再次啟動，達(dá)到高效清淤目的。

(2)根據(jù)試驗結(jié)果，在壩前細(xì)顆粒淤積泥沙的清淤工程中，氣動力式清淤技術(shù)清淤效率可高達(dá)4 365.5 m3/h，清淤效果顯著，清淤成本也較低。三峽水庫壩前深水清淤試驗結(jié)果表明，研發(fā)的深水清淤技術(shù)完全具備百米級清淤疏浚能力，具有性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的特點，可為大型水庫深水清淤提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

(3)水庫壩前深水清淤疏浚時，由于淤積泥沙顆粒較細(xì)，加之受電站引水口流速分布影響，可能會出現(xiàn)回淤現(xiàn)象。因此在應(yīng)用氣動力清淤技術(shù)進(jìn)行深水清淤過程中，需要綜合考慮淤積物組成及水體流速的影響，合理選取清淤位置。