水庫清淤技術概述

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、生態安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題。總結了水庫淤積性態規律研究、淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術現狀，提出了水庫清淤面臨的深水清淤、環保清淤、水下孔洞清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術難點和對策思考。雖然目前國內外在水庫清淤技術和設備研究應用上均有所進展，但總體還處于研究試點階段。未來還需結合技術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備研究，為水庫清淤工作的大規模開展奠定良好基礎。

關鍵詞：水庫淤積;深水清淤;環保清淤;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。我國現有水庫約9.8萬座，90%以上修建于20世紀50～70年代，經過幾十年運行，普遍存在不同程度的淤積。目前，在全國范圍內尚未系統地開展水庫淤積調查。根據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查結果，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等。因此，水庫淤積嚴重影響水庫防洪安全、運行安全、生態安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題。

2 水庫清淤研究現狀

2.1 水庫淤積形態研究

韓其為[2]對水庫泥沙運動、水庫淤積形態等方面開展了大量研究工作，目前普遍認為水庫淤積形態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，淤積體向庫區推進，呈現出中間厚、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在壩前水位較穩定、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域，通常因水庫較小，淤積無法充分發展。帶狀淤積體一般出現在壩前水位變幅很大，有較長回水區。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

國內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構進行探測[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、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。重力取樣器結構簡單、操作方便、取樣質量高。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資料?；A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、農藥類指標等。

2.3 水庫機械清淤技術

選擇水庫清淤設備時，應綜合考慮水庫水深、淤泥成分、排泥場設置與距離、動力源配備及要求、水庫地形地貌條件、施工強度要求、設備運輸及進出場道路狀況、氣象條件及水庫水質狀況等。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，適用于淺水區作業及對水體環境無要求的水庫。絞吸式挖泥船取料濃度小，對水體有一定攪動，適用于對水體環境要求不高的水庫。環保絞吸式挖泥船取料濃度大，作業過程基本無污染，適用于對水體環境要求高的水庫。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定不變，淤泥流動性較高、含水率較高，該法環保性好、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、運行費用低的優點，但須在岸上設中轉站。

2.4 水庫淤泥處置及資源化利用技術

常用淤泥脫水處理方法有自然脫水干燥法、真空預壓排水固結法、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，我國水庫淤積性態研究已開展數十年，對水庫淤積形態有較深入的了解，淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術在港口、河道、湖泊清淤工程中均有應用基礎，具備開展常規水庫清淤的條件。

3 水庫清淤技術難點及對策

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，且水庫多建于內陸地區，不具備通航條件，大型挖泥船難以進入。荷蘭、意大利、日本等國企業研發的深水清淤設備價格和施工成本均較高。研究開發出易拆裝、施工簡便、工效高、成本低、適應性強的清淤設備是水庫深水清淤面臨的技術難題。

國內企業研發的深水清淤設備通常利用氣力提升原理。如江蘇氣力泵疏浚系統疏浚深度可達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。使用該設備在云南撫仙湖進行了深水清淤，最大作業水深154 m。新型氣動式深水清淤系統作業深度可達160 m，施工效率高，作業無污染，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。該系統在三峽庫區萬州段進行了深水清淤，作業水深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，生產能力達325 m3/h[6]。我國水庫深水清淤機械的應用整體還處于試點階段，還需根據試點工程經驗，研發成本低、工效高、對淤積物粒徑及水位變幅適應性強的水庫深水清淤設備。

3.2 水庫環保清淤

環保清淤是指以改善水環境為目的，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。環保絞吸式挖泥船和氣力泵船是應用較為廣泛的環保清淤設備，其優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。環保絞吸式挖泥船一般作業水深在30 m以內，氣力泵船最大挖深可達200 m。近年來，環保清淤技術已成功應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，但在水庫中的應用較少。

水庫環保清淤的難點有：

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

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

（3）清淤后底泥、余水中污染物需進行環保處理。

隨著我國對水生態環境的要求逐漸提高，水庫環保清淤正在進行試點工作，如通濟橋水庫環保清淤試點工程[9]。通濟橋水庫水質常年為III類、IV類，主要影響因子為TN，庫底淤積量達258萬m3，庫區水深10～30 m。選用深水環保絞吸式挖泥船清淤，通過對清淤點附近水質的跟蹤監測，清淤施工僅對距離絞刀頭20 m范圍內的水體產生一定的擾動，清淤作業擾動范圍較小，影響持續時間較短，對取水口水質基本無影響。疏浚底泥經格柵機、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，余水經過濾、添加絮凝劑處理，水質達標后排放至河道。

3.3 孔洞水下清淤

除庫區及壩前淤積外，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。孔洞水下清淤施工作業面小，孔洞內部淤積物復雜，作業條件差，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、洞內雜物多、能見度低、作業條件差，潛水員在孔洞內操作高壓水槍、吸泥管等機械時容易發生機械傷害，尤其對于深水部位長的孔洞，清淤潛水員施工風險較大，亟需研發適應于水下孔洞清淤的施工機械。

目前，國內一些企業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備和渣漿軟管清除淤泥。長沙礦冶研究院研發了一種深水清淤車[12]，結構包括車體、行走裝置和攪吸裝置，可實現不依靠船載設備，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。未來結合工程實際需要，可研發搭載水下孔洞勘察、檢測、清淤等多功能模塊的水下機器人。

3.4 淤泥脫水處理

淤泥常規脫水處置需要布置干化池或沉淀池、調理池、脫水固化工廠等，而位于高山峽谷地區的水庫，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[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。該設施不占用土地，無淤泥外運，不造成水體和環境的二次污染，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。根據國內湖泊和河道疏浚經驗，對于含沙量高的淤泥，可用作建筑材料、燒制磚等;對于有機質含量高的淤泥，可用作覆土造田、改造低產田、場礦治理等。如紅崖山水庫[14]淤積物為壤土或粉質黏土，經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，需結合水庫實際情況，因地制宜地采用經濟、環保的處置方式。國內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，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 語

水庫淤積嚴重影響水庫防洪安全、運行安全、生態安全，是水庫運行管理中亟待解決的重要問題。我國水庫淤積性態研究已開展數十年，對水庫淤積性態規律有較深入的了解，淤積物勘測、機械清淤及淤泥處理技術均較成熟，具備開展常規水庫清淤條件。但水庫清淤仍存在深水清淤、環保清淤、淤泥處置及資源化利用方面的技術難點。雖然目前已在深水清淤船、環保式絞吸船、淤泥環保處理工藝、孔洞水下清淤機器人研發、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。

結合上述技術難點和研究成果，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濟效益，有利于大規模開展水庫清淤工作。

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（編輯：李曉濛）