新疆博爾塔拉蒙古自治州“五一”水庫清淤技術(shù)研究

孟祥凱

(塔城水利設(shè)計(jì)研究院有限公司烏魯木齊分公司，新疆 烏魯木齊 830022)

五一水庫為平原攔河水庫，以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖和旅游的綜合利用水庫。是博河干流上的主要水利樞紐工程，主要擔(dān)負(fù)下游40萬畝灌區(qū)灌溉季節(jié)灌溉水量的調(diào)節(jié)，同時(shí)擔(dān)負(fù)著下游博樂市及下游灌區(qū)的防洪重任。

五一水庫與1966年動(dòng)工興建，1976年完工，并投入使用，由于缺乏有效的排沙設(shè)計(jì)，加之水庫上游水土流失嚴(yán)重，多年運(yùn)行后淤積嚴(yán)重，減少了水庫興利、防洪庫容。

1 清淤方式及范圍

1.1 清淤方案

五一水庫為攔河水庫，河道挾沙水流進(jìn)入水庫后，隨著過水?dāng)嗝娴闹饾u擴(kuò)大，流速及挾沙能力沿程遞減，泥沙由粗至細(xì)的沉積于庫底，越往上游淤積顆粒越大。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，水庫淤積形態(tài)呈錐體淤積形態(tài)，越靠近壩前淤積越厚，在河道入水口處約800m范圍內(nèi)，淤積厚度1～3m，淤積物主要以粉土質(zhì)沙為主；在壩前100～1200m范圍內(nèi)平均淤積厚度大于10m，淤積物主要以低液限黏土、粉土為主。

水庫清淤一般分為機(jī)械清淤與水力清淤，根據(jù)水庫淤積形態(tài)、淤積物的物理特性、工期要求及水庫運(yùn)行要求，參考本地已有水庫清淤設(shè)備情況，綜合考慮，采用機(jī)械清淤與水力清淤相結(jié)合的方式清淤。

1.2 清淤范圍

1.2.1機(jī)械清淤范圍

博河水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜，博樂水文站上游存在兩個(gè)滲漏段，致使地表水、地下水轉(zhuǎn)換頻繁，博河具有獨(dú)特的徑流變化規(guī)律，即博河具有泉水河流的特征，呈現(xiàn)夏季枯水，冬季豐水。根據(jù)徑流調(diào)節(jié)結(jié)果，水庫平均月入庫流量及水庫水位見表1。

表1 水庫平均月入庫流量及水庫水位統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)計(jì)算機(jī)械清淤范圍67.74萬m2，清淤量83.72萬m3。

1.2.2水力清淤范圍

在每年4、5、6、9、10月水庫水位較高的時(shí)期，水庫水域面積較寬，流速較小，淤積物主要采用水力清淤。清淤范圍為靠近壩體側(cè)，為減少清淤工程對(duì)壩體的擾動(dòng)，清淤范圍為距離壩體100～150m范圍外，清淤坡比大于1∶6。

經(jīng)計(jì)算水力清淤范圍121.57萬m2，清淤量820.27萬m3。具體范圍如圖1所示。

圖1 五一水庫清淤范圍示意圖

2 疏浚區(qū)設(shè)計(jì)

清淤設(shè)備應(yīng)根據(jù)清淤工程量、建設(shè)要求、現(xiàn)場(chǎng)水域條件、淤積物可挖性、管道輸送適宜性、現(xiàn)場(chǎng)的自然環(huán)境條件因素進(jìn)行選擇[1-3]。本次清淤水域區(qū)域較寬，現(xiàn)狀該水域水深為2～12m，經(jīng)探孔試驗(yàn)，淤積物主要為淤泥土，淤泥物屬于中砂(d>0.25mm的顆粒占到總質(zhì)量的50%)，淤積厚度0.5～14.5m。故選擇絞吸式挖泥船，型號(hào)分為兩種，1450m3/h型號(hào)功率2810kw，設(shè)計(jì)產(chǎn)量1450m3/h。船長(zhǎng)×寬為48.2m×10.32m，最大吃水深度2.05m，最大挖深18m。350m3/h型號(hào)功率1432kw，設(shè)計(jì)產(chǎn)量350m3/h。船長(zhǎng)×寬為29m×8.6m，最大吃水深度1.25m，最大挖深12.5m。

五一水庫南北寬約1.1km、東西寬約2.5km，水域面積較大，本次設(shè)計(jì)采用分層，分條開挖施工。

2.1 分條寬度

絞吸式挖泥船一般開挖寬度為船長(zhǎng)的1.1～1.2倍，左右偏擺幅度為45°，本次選用的挖泥船長(zhǎng)48.2及29m，開挖寬度分別為53與32m，設(shè)計(jì)分條寬度取45與22.5m。

考慮本次疏浚工程工程量較大，為節(jié)省工期，盡早恢復(fù)水庫庫容，擬采用多條挖泥船同時(shí)施工，為避免干擾，分條方向?yàn)槟媳毕虼怪甭溆賲^(qū)布置[4-5]。

2.2 分層厚度

水庫淤淤積厚度0.5～14.5m不等，需分層施工，分層厚度一般為0.5～2.5倍鉸刀直徑，前移距離為0.5～0.8倍鉸刀直徑，鉸刀直徑1.7m與1.27m，根據(jù)本次淤積物的特性，1450m3/h型號(hào)挖泥船分層厚度取2.3m，前移距離取1.3m。350m3/h型號(hào)挖泥船分層厚度取1.7m，前移距離取1.0m。如圖2所示。

圖2 絞吸式挖泥船分條開挖示意圖

2.3 絞吸式挖泥船生產(chǎn)率計(jì)算

2.3.1吸式挖泥船的挖掘生產(chǎn)率W絞挖

W絞挖=60K×D×t×v

(1)

式中，K—鉸刀挖掘系數(shù)，取為0.8；D—鉸刀前移距，m，取1.3m及1.0m；t—鉸刀切泥厚度，m，取2.3m及1.7m；v—鉸刀橫移速度，m/min，取9m/min。

W絞挖1=60×0.8×1.3×2.3×9=1453m3/h，設(shè)計(jì)產(chǎn)量取值為1450m3/h。

W絞挖2=60×0.8×1.0×1.7×4.5=367.2m3/h，設(shè)計(jì)產(chǎn)量取值為350m3/h。

2.3.2絞吸挖泥船的吸輸生產(chǎn)率W絞輸

W絞輸=Q×ρ

(2)

式中，Q—泥泵管路的工作流量，m3/h；ρ—泥漿濃度，t/m3。

W絞輸1=1450×30%=435m3/h

W絞輸1=350×30%=105m3/h

3 排泥管線設(shè)計(jì)

3.1 管材選擇與連接方式

排泥管類別按所處位置劃分為吸泥管、船用排泥管、水上浮管，水下沉管、陸地管及其附件。按材質(zhì)分常用的有鋼管、聚氨酯橡膠管、高密度聚氯乙烯管、尼龍管等，各自特點(diǎn)及適用范圍見表2。

表2 常用排泥管道特性表

考慮本次疏浚工程疏浚量較大，排泥管使用年限較短，優(yōu)先考慮耐磨損性較好，價(jià)格便宜的鋼管作為排泥管。

3.2 管徑確定

3.2.1泥漿密度計(jì)算

(3)

式中，ρ—泥漿濃度，取30%；V1—原狀土體積，m3；V2—泥漿體積，m3；γm—泥漿密度，t/m3；γw—現(xiàn)場(chǎng)水的密度，t/m3；γo—原狀土的密度，t/m3；

經(jīng)計(jì)算泥漿密度γm=1.15t/m3。

3.2.2臨界流速計(jì)算

根據(jù)JTG 181—5—2012《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，淤泥、平均粒徑小于0.05mm的粘土及粉土，其臨界流速可按下式計(jì)算：

(4)

式中，vc—泥漿臨界流速，m/s；C—土顆粒體積濃度，%，取30%；ds—土顆粒平均粒徑，mm，取0.013mm；D—排泥管管徑，m，取0.65m；γs—土顆粒密度，t/m3，取1.53t/m3。

經(jīng)計(jì)算，臨界流速vc=0.88m/s。

3.2.3揚(yáng)程驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，疏浚區(qū)距離吹填區(qū)的吹填最遠(yuǎn)排距2800m，最大排高51m。管線包括船上管，水面管及陸地管，由于船上管彎頭接口較多，水面浮管橡膠管接頭摩阻力大，計(jì)算管道長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)將船上管及水面浮管折算成陸地鋼管，折算結(jié)果見表3。

最長(zhǎng)排距情況下，需要泥泵總水頭H按下式計(jì)算：

(5)

式中，Hf—沿程水頭損失，m；∑Hj—局部水頭損失，m；Z—地形高差，m；V2/2g—流速水頭損失，m。

根據(jù)以上公式計(jì)算，對(duì)于Φ650mm排泥管，局部水頭損失之和∑Hj按沿程損失Hf的10%計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 泥泵所需總水頭計(jì)算表

根據(jù)絞吸式挖泥船的資料，1450m3/h挖泥船所配泥泵清水揚(yáng)程60m，按JTG 181—5—2012，公式8.2.2-1折算成泥泵泥漿揚(yáng)程，計(jì)算結(jié)果見下式。

Hm=Hw/[KH(γm-1)+1]

(6)

式中，Hm—泥泵泥漿揚(yáng)程，m；Hw—泥泵清水揚(yáng)程，取值60m及40m；KH—泥泵泥漿揚(yáng)程土質(zhì)換算系數(shù)，取值0.75；γm—泥漿密度，取值1.15，t/m3。

泥泵泥漿揚(yáng)程：1450m3/h挖泥船Hm=53.93m。350m3/h挖泥船Hm=35.95m。

經(jīng)驗(yàn)算，1450m3/h挖泥船及350m3/h挖泥船所配泥泵泥漿揚(yáng)程Hm=53.93m及Hm=35.95m，均小于設(shè)計(jì)最長(zhǎng)排距泥泵總水頭H=67.3m，1450m3/h及350m3/h挖泥船所配泥泵無法滿足排距要求，需新增接力泵，接力泵設(shè)置在水陸接頭處，采用串聯(lián)式連接方式，所配接力泵揚(yáng)程與流量與挖泥船所配泵型一致。

3.2.4排泥管線布置

水上管線采用自浮式鋼管和膠管相隔連接結(jié)構(gòu)。鋼管規(guī)格為6m×Φ650mm，膠管規(guī)格為1.5m×Φ650mm。在水陸接頭處，設(shè)置接力泵，采用串聯(lián)式連接。噴頭的直徑遠(yuǎn)取排泥管原直徑的60%，即0.4m。

4 落淤區(qū)設(shè)計(jì)

水庫東側(cè)、北側(cè)均為博樂市市區(qū)，西側(cè)為天然林，南側(cè)為沖洪積臺(tái)地，臺(tái)地地面平坦，植被稀少。臺(tái)地東南高，西北低，岸坡向庫內(nèi)傾斜，臺(tái)地南北向長(zhǎng)0.5～2.4km，平均縱坡3%，東西向長(zhǎng)0.9～2.2km，表層為3～4m厚砂土，臺(tái)地分布4條沖溝通入水庫。臺(tái)地南側(cè)為博樂至溫泉等級(jí)公路，交通方便。

考慮現(xiàn)場(chǎng)地形，綜合考慮占地，拆遷、及落淤區(qū)排水等因素，本次設(shè)計(jì)落淤區(qū)選在水庫南岸臺(tái)地，占地面積161.38公頃。

落淤區(qū)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，布置在4條沖溝之間的空地上，利用現(xiàn)狀沖溝作為排水通道。落淤區(qū)地形南高北低，在臺(tái)地北側(cè)、西側(cè)、東側(cè)依托地形修建圍堰進(jìn)行分區(qū)，圍堰高度8～10m，圍堰頂寬考慮交通要求，寬度為8m，表層鋪設(shè)25cm砂礫石路面。圍堰上下游邊坡均為1∶2.0，圍堰上游鋪設(shè)一布一膜，規(guī)格150g/0.3，填筑料利用現(xiàn)狀臺(tái)地落淤區(qū)范圍內(nèi)的土料填筑，土料壓實(shí)度應(yīng)大于0.93。圍堰設(shè)計(jì)、落淤區(qū)及圍堰特性如圖3所示。

圖3 圍堰典型斷面設(shè)計(jì)圖

落淤區(qū)最大儲(chǔ)泥量為341.36萬m3，水庫清淤量為904萬m3，為保證清淤工作正常運(yùn)行，在清淤過程中，有563萬m3淤泥需拉運(yùn)清除。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，水庫所清淤泥可用于博樂市5萬畝生態(tài)林及其他區(qū)域改良土壤。

5 結(jié)語

五一水庫運(yùn)行一段時(shí)間后，由于水庫淤積導(dǎo)致庫容減小。為了恢復(fù)五一水庫有效庫容，提高水庫工程綜合效益，對(duì)水庫清淤方案進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)水庫淤積形態(tài)、淤積物的物理特性、工期要求及水庫運(yùn)行要求，同時(shí)采用機(jī)械清淤與水力清淤。經(jīng)計(jì)算機(jī)械清淤范圍67.74萬m2，清淤量83.72萬m3；水力清淤范圍121.57萬m2，清淤量820.27萬m3。

(2)五一水庫南北寬約1.1km、東西寬約2.5km，水域面積較大，采用分層，分條開挖施工。水上管線采用自浮式鋼管和膠管。設(shè)計(jì)落淤區(qū)選在水庫南岸臺(tái)地，占地面積23.9hm2。在清淤過程中，有563萬m3淤泥需拉運(yùn)清除。水庫所清淤泥可用于博樂市5萬畝生態(tài)林及其他區(qū)域改良土壤。