勺湖水環境治理探討

李言亮，郭丹萍，沈芝瑩，林 旭，張 巍

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

河湖工程污染、基床淤積問題嚴重影響到河湖的生態環境，對河湖工程進行治理迫在眉睫。吳慧生[1]對河道清淤疏浚工程開挖施工的關鍵技術問題進行研究，認為“清淤+疏?！本哂休^好的河道整治效果；單玉書等[2]以太湖為例，對湖底清淤疏浚問題進行研究，認為清淤疏浚對治理太湖富營養化的作用是有限的；閆亞東等[3]以溫榆河為例，對帶水、脫水2種清淤方式的應用進行分析，為城市內河整治提供建議；朱海洋[4]對河道清淤施工方案進行研究，為河湖清淤工程提供參考；包建平等[5]對中小河流的河床清淤和淤泥處理技術方法進行研究，可為類似工程提供參考；較多的研究成果表示，河道清淤疏浚工程將會帶來較好的工程、環境效益[6-9]；王超等[10]以引水工程為例，對水力特性進行分析和計算。在前人研究基礎之上，以勺湖整治工程為例，對湖水環境治理進行研究。

1 工程概況

勺湖水域面積約7.39×104m2，岸線長度1.98km，蓄滯水量9.46×104m3。根據地形測量成果，河岸高程為6.50m，現狀湖底高程為4.0～4.3m，湖底淤泥深度1.0～1.3m。勺湖周邊無活水通道，雖勺湖與蕭湖已連通，但僅限于水位與蕭湖齊平，水體無法流動，勺湖還是死水一潭。計劃對勺湖湖區進行清淤，面積為5.5hm2。新建勺湖退水涵閘一座，φ1.5m鋼筋混凝土管涵，采用頂管施工方案。

2 清淤工程施工方案比選

2.1 干法施工

(1)施工前，勺湖公園湖區通過機泵將水通過北側明渠全部抽排至蕭湖。

(2)開挖湖區內邊緣施工期降排水壟溝。

(3)湖區土方施工應設臨時施工道路，其路面結構采用泥結石路面。通過施工臨時道路，將湖區分區施工。

(4)清淤采用挖機配合小型裝土車，將土方運至湖北側、友誼路南側臨時堆放區，集中使用帶有防漏設施的中大型裝土車運至黃碼鄉棄土區。

(5)清淤工程結束后，拆除施工臨時道路。

2.2 水力沖淤施工

施工前，勺湖公園湖區通過機泵將水通過北側明渠全部抽排至蕭湖。在沖淤作業開始之前，首先將湖底的垃圾、雜物等清除，使用攪吸設備清淤，可配置工人在旁邊使用高壓水槍配合攪吸設備進行清淤。與干法清淤方案的區別在于，該方法需要留存0.1～0.2m深的湖水，用于淤泥的攪拌，且在清淤過程中需要水源。

若排泥場距勺湖岸邊較近，抽出的泥水混合物由輸泥管吸送至勺湖岸坡邊圍堰筑成的排泥場內，并在該區進行泌水沉淀以提高泥漿濃度，排泥場泌出的水經排水溝排入勺湖，使用高壓水泵直接抽取作為沖淤用水，若水量不足可抽水補給；若排泥場距河道岸邊較遠，抽出的泥水混合物由輸泥管吸送至施工現場泥漿罐車(或運輸船)，運至遠處的排泥場，泌出的水經排水溝排入附近河道。

2方案優缺點比較詳見表1。

表1 清淤方案比選

綜合上述優缺點的比較分析，本次勺湖清淤工程擬采用干法施工方案。

3 退水涵閘工程設計

新建勺湖退水涵閘工程，設計流量1.1m3/s。勺湖至工作井段涵洞長約50m，采用明管鋪設方案，管道為φ1.5m鋼筋混凝土Ⅱ級管涵，縱比降為0.01，進口段涵洞中心高程5.3m，出口涵洞中心高程4.8m。

3.1 孔徑設計

退水涵洞為壓力管涵，淹沒出流。計算公式如下：

(1)

(2)

式中，μH—淹沒出流的流量系數；ht—涵洞出口處水深，m；i—洞底坡降；L—涵洞長度，m；g—重力加速度，m/s2；H0—涵洞進口水頭，m；ξz—出口損失系數；∑ξ—進口至出口前局部損失系數之和；Q—涵洞設計流量，m3/s；C—謝才系數，m1/2/s；R—水力半徑，m。

管道計算基本資料見表2，水力計算成果見表3。

表2 管道計算基本資料表

表3 水力計算成果

計算表明在設計狀態工況下，計算總水頭損失Z<上游設計水位5.5m-下游設計水位5.1m=0.40m。因此擬定的管涵管徑及管線布置是滿足設計要求的。

3.2 沉井設計

3.2.1工作井、接收井內徑尺寸

本次勺湖退水涵洞工程施工位于主城區，房屋、道路較多，施工場地較小，難以實現開挖施工，因此頂管施工的工作井、接收井均采用方形沉井的結構形式，如圖1—2所示。

工作井最小長度:

L≥l1+l3+k

(3)

式中，L—工作井的最小內徑長度，m；l1—頂管機最小下井長度，m；l3—千斤頂長度，一般可取2.5m；k—后座和頂鐵的厚度和富余量，可取1.6m。

本次工作井設計中L≥2.4m+2.5m+1.6m=6.5m，故本次工作井長度取6.5m。

根據淮安區規劃局提供的市政管網資料，友誼路兩側管線布置與現狀地面以下約4.0m，本次設計頂管內徑為1.50m，壁厚0.15m，洞頂預留1.5～2.0m安全距離，管道兩側與墻的安全距離預留1m，最終確定頂管中心高程為0.0m。

圖1 工作井結構大樣圖(單位：cm)

接收井內最小寬度：B=D1+2×1m，D1為管道外徑，D1=管道內徑+2×壁厚。

本次接收井設計中B=1.8m+2×1m=3.8m，故本次接收井內徑取4.0m。

圖2 接收井結構大樣圖(單位：cm)

3.2.2工作井、接收井沉井下沉計算

沉井下沉系數應滿足以下條件：

kst≥1.05

kst=(Gk-Ffw，k)/Ffk

(4)

式中，kst—下沉系數；Gk—沉井自重標準值；Ffw，k—下沉過程中水的浮托力標準值，kN，排水下沉時為0，不排水下沉時取總浮力的70%；Ffk—井壁總摩阻力標準值。

(1)工作井

沉井重：

Gk=(7.9+4.5)×0.7×2×9.55×25=4144.7(kN)

摩阻力：井壁側面的摩阻力如圖3所示。單位摩阻力根據地質資料計算：f=12.4kN/m2。

井壁總摩阻力標準值：

Ffk=(7.9+5.9)×(9.55-2.5)×2×12.4=2412.79(kN)

浮托力：本工程采用排水下沉Ffw，k=0。

井壁下沉系數：

kst=(Gk-Ffw，k)/Ffk=(4144.7-0)/2412.79=1.72>1.05

圖3 井壁摩阻力分布圖

(2)接收井

沉井重：

Gk=(5.4+4.5)×0.7×2×9.25×25=3205.13(kN)

摩阻力:井壁側面的摩阻力分布如圖3所示。單位摩阻力根據地質資料計算：f=12.4kN/m2。

井壁總摩阻力標準值：

Ffk=(5.4+5.9)×(9.25-2.5)×2×12.4=1891.62(kN)

浮托力:本工程采用排水下沉Ffw，k=0。

井壁下沉系數:

kst=(Gk-Ffw，k)/Ffk=(3205.13-0)/1891.62=1.69>1.05

3.2.3沉井下沉穩定性驗算

下沉穩定性應滿足下式要求：

(5)

工作井：

接收井：

經計算，沉井穩定滿足設計要求。

4 結論

結合勺湖特點，進行湖底清淤工程施工方案的比選，選取干法施工，具有工期短、清淤效果好的特點；通過理論計算的方法，介紹了勺湖新建退水涵閘的設計過程，通過水力計算、尺寸計算、下沉計算以及穩定性分析，所選擇的沉井可滿足勺湖退水需求，可為類似的工程提供參考。