河道治理中的疏浚砂資源化利用

張玉龍，劉 洋，王茂枚，楊恒勇，宋遠(yuǎn)飛

（1.鎮(zhèn)江市港發(fā)綠色資源有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)河道功能的需求逐漸從以往的防洪功能向生態(tài)功能轉(zhuǎn)變。在河道治理工程中，兼顧結(jié)構(gòu)性的同時(shí)，也更加重視生態(tài)、景觀等要求［1］。港口航道等水域淤積時(shí)，需進(jìn)行疏浚處理，以改善河勢(shì)和通航條件。以往長(zhǎng)江河道疏浚所產(chǎn)生的疏浚物，由航道部門指定水域自行拋棄處理，不僅造成了水生態(tài)環(huán)境的破壞，而且造成了砂石資源的流失。因此，若能將河道疏浚所得棄砂進(jìn)行生態(tài)資源化利用，從而運(yùn)用到岸坡防護(hù)工程中，可達(dá)到疏浚砂反哺河道生態(tài)治理“依江治江”的目標(biāo)。

1 研究概況

1.1 疏浚砂資源化利用技術(shù)研究

長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)疏浚砂資源化利用技術(shù)開展了大量研究。談曉青［2］針對(duì)長(zhǎng)江口航道疏浚物特點(diǎn)，研究其應(yīng)用于底層抹灰石膏的臨界摻量、外加劑改性技術(shù)等。丁慧等［3］利用粉煤灰和礦粉，對(duì)疏浚土進(jìn)行固化，使得處理后的疏浚砂土能夠達(dá)到填料的設(shè)計(jì)要求。AMAR 等［4］利用疏浚物作為膠凝材料的替代物，研究表明煅燒后的疏浚物改善了膠凝材料的性能。諸裕良等［5］指出以長(zhǎng)江航道整治疏浚棄土作為主要原料制備砂漿，可以大量利用廢棄疏浚砂和各種工業(yè)廢渣，有效緩解天然砂石材料短缺和枯竭的問題。李升濤等［6］分析了長(zhǎng)江下游航道超細(xì)疏浚砂的理化性質(zhì)，并以疏浚砂為原料，設(shè)計(jì)了5 種不同疏浚砂摻量的堿激發(fā)礦渣混凝土配合比，同時(shí)還研究了其物相組成和微觀結(jié)構(gòu)。可見，現(xiàn)有研究大多針對(duì)疏浚砂本身采用物化方式改變其性質(zhì)，從而使其更利于上岸利用，但對(duì)疏浚砂應(yīng)用于河道治理的新型生態(tài)護(hù)岸研究還不多。

1.2 疏浚砂資源化利用現(xiàn)狀分析

本文主要結(jié)合鎮(zhèn)江市、泰州市兩地開展河道疏浚砂綜合利用研究工作，涉及河段主要為鎮(zhèn)揚(yáng)河段、揚(yáng)中河段和澄通河段。江蘇境內(nèi)的南京河段、長(zhǎng)江口河段港口航道維護(hù)疏浚目前仍以拋泥處置為主。鎮(zhèn)江市疏浚砂綜合利用試點(diǎn)工作于2019年開始，先期疏浚砂利用范圍為航道維護(hù)疏浚工程，2022年開始將港口、錨地疏浚工程納入疏浚砂綜合利用范疇，預(yù)計(jì)2023年度鎮(zhèn)江市長(zhǎng)江河道疏浚砂整體上岸利用方量將呈上升趨勢(shì)。泰州市疏浚砂綜合利用試點(diǎn)工作于2020年開始，先期疏浚砂利用范圍也為航道維護(hù)疏浚工程，2023年將港口、錨地疏浚工程納入疏浚砂綜合利用范疇，預(yù)計(jì)2023年度泰州市長(zhǎng)江河道疏浚砂整體上岸利用方量也將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。近年來疏浚砂利用量的統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 疏浚砂利用量統(tǒng)計(jì)

隨著長(zhǎng)江大保護(hù)的深度推進(jìn)，長(zhǎng)江河道疏浚砂綜合利用工作逐漸走向成熟，直接拋泥處置方式將逐漸減少。同時(shí)，隨著疏浚砂綜合利用實(shí)施經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，港口、錨地疏浚工程被納入到疏浚砂綜合利用范疇，利用效率穩(wěn)步提升，預(yù)計(jì)未來幾年長(zhǎng)江江蘇段河道疏浚砂綜合利用量將呈明顯上升趨勢(shì)。然而，受河流長(zhǎng)期沖刷等因素影響，長(zhǎng)江下游河道疏浚砂粒徑較小，細(xì)度模數(shù)低，總體呈現(xiàn)從上游至下游粒徑越來越小的特點(diǎn)。來自長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段、泰州段河道疏浚所產(chǎn)生的疏浚砂，粒徑總體偏細(xì)，無法直接作為建設(shè)用砂，但可用于商混的摻配，改善混凝土的和易性［7］。在現(xiàn)有技術(shù)水平條件下，目前長(zhǎng)江江蘇段疏浚砂綜合利用方向主要以建材參配、吹填造地為主，極少部分應(yīng)用于修筑路基和岸坡加固，利用方向較為單一。

在長(zhǎng)江江蘇段以往河道整治工程中，基于河道治理目標(biāo)，已經(jīng)開展了疏浚砂在河道治理中的嘗試應(yīng)用，并取得了較好效果。如通州沙西水道整治工程中，利用疏浚砂用于圍區(qū)堤身、通州沙潛堤工程袋裝砂的填筑。八卦洲汊道河道整治工程中，利用左汊淺區(qū)疏浚砂用于八卦洲洲頭右緣深槽防護(hù)工程砂枕的填筑。但受疏浚砂時(shí)空分布不均及疏浚工程與河道治理施工時(shí)間不匹配等因素影響，以往應(yīng)用模式中疏浚砂來源主要為河道整治項(xiàng)目中本身包含的疏浚工程，主動(dòng)結(jié)合疏浚砂源的應(yīng)用模式還較少，如鎮(zhèn)江市大港汽渡疏浚采砂工程中，疏浚砂被用于孟家港碼頭拋填搶險(xiǎn)工程中砂枕的填筑。

2 長(zhǎng)江河道治理研究現(xiàn)狀分析

為抑制河段河勢(shì)和航道條件向不利方向發(fā)展，水利、航道部門陸續(xù)實(shí)施了相關(guān)治理工程，其中規(guī)模較大、較系統(tǒng)的有鎮(zhèn)揚(yáng)河段一期、二期、三期工程，揚(yáng)中河段近期整治工程，南京以下12.5 m 深水航道二期整治工程等，工程的實(shí)施對(duì)于河段河勢(shì)的穩(wěn)定和航道條件的改善起到了重要作用。

在長(zhǎng)期的河道治理過程中，大量學(xué)者開展了相關(guān)研究工作。例如羅青等［8］采用淺水多波束系統(tǒng)對(duì)鎮(zhèn)揚(yáng)三期河道整治工程水下地形進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，通過分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工程現(xiàn)狀進(jìn)行了定性描述，并利用GIS空間分析功能對(duì)工程現(xiàn)狀進(jìn)行了多維度定量分析。閆金波等［9］基于實(shí)測(cè)水文、地形等資料，分析了1960—2019年和暢洲水道水文泥沙、河床灘槽變化情況，研究發(fā)現(xiàn)，在此期間汊道完成了2次完整的交替過程，鎮(zhèn)揚(yáng)二期整治工程中左汊潛壩的實(shí)施基本穩(wěn)定了汊道分流關(guān)系，12.5 m 深水航道二期工程后同流量對(duì)應(yīng)的右汊分流比增加10%，航道工程發(fā)揮了引流塑槽功能。劉俊勇等［10］針對(duì)航道疏浚線路長(zhǎng)、工程量大的疏浚工程開展研究，采用一、二維聯(lián)解數(shù)學(xué)模型模擬航道疏浚對(duì)伶仃洋水動(dòng)力及河勢(shì)穩(wěn)定的影響，并分析了航道疏浚工程在數(shù)學(xué)模型中的概化技術(shù)。研究表明，航道疏浚會(huì)加強(qiáng)潮流上溯動(dòng)力，有利于保持獅子洋及伶仃洋的潮汐動(dòng)力，維持珠江口潮汐通道的穩(wěn)定。可見，以往成果主要針對(duì)疏浚工程實(shí)施后河道水動(dòng)力以及沖淤變化開展研究，較少對(duì)長(zhǎng)江大型疏浚工程的河勢(shì)響應(yīng)開展系統(tǒng)研究。

《長(zhǎng)江中下游干流河道治理規(guī)劃（2016年修訂）》以2013年為現(xiàn)狀基準(zhǔn)年、2020年為近期規(guī)劃水平年、2030年為遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年，以近期規(guī)劃水平年為重點(diǎn)，將長(zhǎng)江中下游河道治理規(guī)劃指導(dǎo)意見具體化，提出了整體性較強(qiáng)、遠(yuǎn)近結(jié)合緊密、近期措施明確的規(guī)劃。該規(guī)劃明確了近期河道整治工程措施，基本劃定了河道整治疏浚工程及防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域，但近期規(guī)劃水平年為2020年，且隨著近年長(zhǎng)江江蘇段多個(gè)河道綜合整治工程的實(shí)施，以及疏浚砂綜合利用工作的深度推進(jìn)，局部河段河勢(shì)出現(xiàn)了新的變化。因此，有必要進(jìn)一步明確河道疏浚及防護(hù)區(qū)域范圍，統(tǒng)籌考慮包括維護(hù)性疏浚在內(nèi)的疏浚砂利用方案，進(jìn)而提出長(zhǎng)江江蘇段疏浚砂河道治理利用規(guī)劃與實(shí)施方案。

3 疏浚砂生態(tài)護(hù)岸相關(guān)研究

3.1 生態(tài)護(hù)岸概念

生態(tài)護(hù)岸工程的基本理念與自然生態(tài)相互協(xié)調(diào)，將生態(tài)設(shè)計(jì)理念引入到河道治理建設(shè)中，保證河勢(shì)穩(wěn)定的前提下，最大限度保護(hù)水岸生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)平衡，營造自然、和諧的水岸環(huán)境，促進(jìn)長(zhǎng)江沿線的可持續(xù)發(fā)展。生態(tài)護(hù)岸有展示自然植被面貌、維持生物多樣性、凈化改良河道水質(zhì)、減風(fēng)消浪能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，采用生態(tài)護(hù)岸，避免了原塊石護(hù)坡和預(yù)制混凝土塊護(hù)坡的呆板和生硬，實(shí)現(xiàn)工程與自然的協(xié)調(diào)統(tǒng)一［11］。生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)示意

3.2 生態(tài)護(hù)岸研究

在水利、水運(yùn)工程中，袋裝砂在導(dǎo)堤、護(hù)岸、圍堰、丁壩的形成中得到較廣泛的運(yùn)用。袋裝砂作為堤芯，有效解決了在缺乏石料供應(yīng)區(qū)域拋石斜坡堤塊石供應(yīng)不足的難題，其特點(diǎn)是施工速度快、質(zhì)量高、成型易于控制、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好、防滲效果佳等。袋裝砂在淺水或?yàn)┩康貐^(qū)已大規(guī)模使用，在深水區(qū)域應(yīng)用相對(duì)較少，袋裝砂施工現(xiàn)主要采用拋填（翻板拋袋和網(wǎng)兜拋袋）和充灌（水下充灌和水上對(duì)拉）2 種工藝，拋填工藝多在深水區(qū)域采用，而水下充灌較多在水深較淺時(shí)用，水上對(duì)拉僅在后期圍堤斷面出水后應(yīng)用。施軍等［12］通過多層亂紋組織及獨(dú)特的編織方式，優(yōu)化了新型砂袋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型砂袋的強(qiáng)度、滲透性與保砂性，實(shí)現(xiàn)了砂袋充灌高度達(dá)到2 m 以上的突破，并在長(zhǎng)江口南槽航道治理一期工程中應(yīng)用，證明了新型砂袋的適用性與優(yōu)越性。鄧傳貴等［13］鑒于長(zhǎng)江南京河段八卦洲右緣深槽水深大、流速大、流態(tài)復(fù)雜、水流紊亂等特點(diǎn)，在八卦洲右緣深槽防護(hù)工程施工前開展了袋裝砂拋枕現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)袋裝砂拋枕防護(hù)施工參數(shù)、施工流程及質(zhì)量控制措施進(jìn)行研究，提出了一種針對(duì)深槽防護(hù)工程的袋裝砂拋枕防護(hù)施工技術(shù)。

為解決傳統(tǒng)護(hù)岸建設(shè)弊端，以保護(hù)生態(tài)及自然景觀為前提，以文明綠色施工為支撐，在護(hù)岸結(jié)構(gòu)中引入裝配式設(shè)計(jì)理念是現(xiàn)代河流岸坡生態(tài)治理的必然趨勢(shì)，而裝配式生態(tài)護(hù)岸工程就是其中一項(xiàng)重要成果。大量學(xué)者針對(duì)生態(tài)護(hù)岸工程及其預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計(jì)開展了研究，如鄭松等［14］在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例的基礎(chǔ)上，對(duì)組合工字型生態(tài)護(hù)岸與傳統(tǒng)航道護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行比較，指出組合工字型生態(tài)護(hù)岸的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，并介紹了其加工工藝以及施工流程。楊有軍等［15］依托通揚(yáng)線高郵段航道整治工程，結(jié)合國內(nèi)外生態(tài)護(hù)岸發(fā)展現(xiàn)狀，探析了箱型裝配式護(hù)岸與生態(tài)性結(jié)合的2 種方案，包含箱型裝配式護(hù)岸空腔頂部的綠化形式和箱體內(nèi)部水生生物生存環(huán)境優(yōu)化。葉昆河等［16］指出魚巢砌塊是一種新型生態(tài)護(hù)岸構(gòu)件，具備空腔結(jié)構(gòu)，近水壁面有開孔，能通過砌塊間組合連接構(gòu)造出人工魚巢，為魚類或其他水生生物提供適宜棲息和生存的空間。可見，目前已有袋裝砂在導(dǎo)堤、圍堰、丁壩等河道治理工程中的應(yīng)用，但在護(hù)岸工程中的應(yīng)用，且將疏浚砂充填袋與生態(tài)植被相結(jié)合的新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式還亟待研究。

4 疏浚砂在河道治理中的生態(tài)利用

4.1 研究方向

將河道疏浚所得棄砂進(jìn)行生態(tài)資源化利用，運(yùn)用到岸坡防護(hù)工程中，是踐行長(zhǎng)江大保護(hù)、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的重點(diǎn)。通過對(duì)疏浚砂資源化利用、疏浚工程河勢(shì)響應(yīng)及疏浚砂生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行研究，進(jìn)一步探究疏浚砂在河道治理中的生態(tài)利用途徑。以往疏浚砂在河道治理中的運(yùn)用模式中，疏浚砂主要為河道整治項(xiàng)目中本身包含的疏浚工程，主動(dòng)結(jié)合疏浚砂源的應(yīng)用模式還較少，河道疏浚及防護(hù)區(qū)域范圍有待進(jìn)一步明確。隨著近年長(zhǎng)江江蘇段多個(gè)河道綜合整治工程的實(shí)施，以及疏浚砂綜合利用工作的深度推進(jìn)，局部河段河勢(shì)出現(xiàn)了新的變化，有必要進(jìn)一步明確河道疏浚及防護(hù)區(qū)域范圍，統(tǒng)籌考慮包括維護(hù)性疏浚在內(nèi)的疏浚砂利用方案，提出長(zhǎng)江江蘇段疏浚砂河道治理利用規(guī)劃與實(shí)施方案，同時(shí)，融入生態(tài)護(hù)岸的理念，進(jìn)一步研究將疏浚砂充填袋與生態(tài)植被相結(jié)合的新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式。

4.2 幾點(diǎn)思考

（1）“依江治江”的基本理念是以維護(hù)長(zhǎng)江河勢(shì)穩(wěn)定、保障防洪和通航安全為目標(biāo)，因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)，充分依靠和利用長(zhǎng)江河道本身需要疏浚的砂石資源，包括河道管理范圍內(nèi)實(shí)施各類涉河工程建設(shè)或維護(hù)性清淤、疏浚工程項(xiàng)目所產(chǎn)生的砂石和土，以其為主要原料，采取生態(tài)、有效的守護(hù)措施進(jìn)行長(zhǎng)江河道治理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江疏浚砂反哺河道生態(tài)治理的綠色循環(huán)低碳發(fā)展模式。

（2）分析水沙變化和疏浚工程對(duì)長(zhǎng)江河勢(shì)演變的綜合影響。近年來，在自然條件和人類活動(dòng)的雙重影響下，長(zhǎng)江泥沙時(shí)空分布與輸運(yùn)過程發(fā)生了重大變化，下游河道沖刷加劇，港口航道水深維持所需的疏浚工程仍然存在。因此，系統(tǒng)揭示水沙條件變化及相關(guān)工程對(duì)長(zhǎng)江江蘇段河勢(shì)演變的綜合影響，是進(jìn)一步研究疏浚砂利用區(qū)域以及保障河勢(shì)穩(wěn)定和防洪安全的基礎(chǔ)。

（3）明晰疏浚工程的河勢(shì)響應(yīng)機(jī)制和進(jìn)一步確定河道疏浚及防護(hù)區(qū)域范圍。長(zhǎng)江下游水沙條件復(fù)雜多變，大型疏浚工程對(duì)河勢(shì)演變的影響深遠(yuǎn)。在分析疏浚砂工程的河勢(shì)響應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，剖析不同來水、不同疏浚范圍下河勢(shì)變化規(guī)律及未來演變趨勢(shì)，以維護(hù)長(zhǎng)江河勢(shì)穩(wěn)定、保障防洪和通航安全為目標(biāo)，提出統(tǒng)籌考慮包括維護(hù)性疏浚在內(nèi)的疏浚砂利用方案，包括疏浚的區(qū)域（移砂）及需要防護(hù)的岸段（固砂），進(jìn)而提出長(zhǎng)江江蘇段疏浚砂河道治理利用規(guī)劃與實(shí)施方案。