德州市引黃清淤工程水力沖挖機組施工技術應用探討

郭明輝

（德州市水利局，山東 德州 253014）

1 工程實施的必要性

潘莊引黃灌區位于德州市西部，東鄰李家岸引黃灌區，南靠黃河，與濟南市隔河相望，西部與聊城市接壤，西北部及北部以衛運河、漳衛新河為界與河北省相毗鄰。1971年開始興建，1972年建成并運行。渠首閘位于齊河縣馬集鄉潘莊村附近的黃河左岸，設計引水流量124 m3/s，設計灌溉面積500萬畝，干渠總長91.3 km，流經齊河、禹城、平原三縣（市），在平原縣尚廟入馬頰河。承擔德州市齊河、禹城、平原、德城、陵城、武城、夏津、寧津八個縣（市、區）農業灌溉以及德州市生活用水和華能德州電廠、華魯恒升集團供水，取得了十分顯著的經濟效益和社會效益。

灌區內多年平均降雨量不足600 mm，因多年開采地下水，地下水位逐年降低，已經形成了較大范圍的地下漏斗區，地下水已不能作為主要水源。因此，灌區內工農業、生態用水及居民生活用水主要依靠引調的黃河水。從工程區現狀運行情況分析來看，近幾年，工程區每年引黃水量均在10億m3左右，引沙量200萬m3左右，引黃必引沙，干渠淤積致使過水斷面縮小，干渠水位過高，給堤防帶來安全隱患，同時嚴重影響過水能力。潘莊干渠是灌區內工農業發展及群眾生活用水的根本和最重要的保證，為有效地保障工農業生產的發展和社會穩定，促進區域經濟社會可持續發展，對灌區進行清淤治理是十分必要的。依據現狀干渠走勢進行總體布置，清淤積治理段為潘莊引水閘～尚廟閘。清淤土方放置在干渠兩側坑塘、老村臺及低洼鹽堿地塊，工程布置以現狀干流河道為基礎，河道流勢不作調整。現有總干渠過水能力由于部分渠道淤積，導致過水能力明顯下降，臺樓設計流量110 m3/s，實測過水流量下降至80 m3/s左右，禹城房寺段總干渠水位明顯提高0.5 m左右，嚴重威脅大堤安全?？偢汕俜e嚴重影響德州市工農業及生產生活用水。

2 工程地質條件

工程區地處潘莊灌區輸沙渠及總干渠上，呈南北走向，南高北低，地形開闊平坦，渠道附近地面高程32.00 m～22.00 m之間。本工程區域為分布廣泛的第四系全新統沖積層，巖性主要為砂壤土、壤土、粘土、粉砂、細砂，分布厚度40 m～60 m。工程區內地質分為三級構造單元，一級構造為華北地臺，二級構造為遼冀臺向斜，三級構造為臨清拗斷區。工程所在區域屬于第四系孔隙水文地質區，局部有微承壓水和基巖裂隙水、構造脈狀水存在。地下水以垂直運動為主，水平方向運動遲緩，其補給主要受大氣降水和水文因素的影響，以降水補給為主，河道側滲為輔，水位埋深一般在2 m～4 m左右。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015），工程區總干渠渠首段及總干渠齊河段、總干渠禹城倫鎮段，場區地震動峰值加速度為0.10 g，相應地震基本烈度Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.40 s；工程區總干渠禹城莒鎮鄉、安仁鎮、房寺鎮段、總干渠平原段，場區地震動峰值加速度為0.15 g，相應地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.40 s。

3 水力沖挖機組施工原理及施工工序

3.1 施工方法的選擇

本工程為清淤工程，根據地質條件及工程布置，采用水力沖挖機組進行渠道清淤，在潘莊灌區輸沙渠段、總干渠段用水力沖挖機組施工，運距500 m～5000 m，運距500 m內不需要加壓，運距500 m以上采用加壓泵多級加壓；放土區圍堰采用挖掘機施工；放土區還耕采用推土機施工。施工機械型號見表1。為確保工期及施工質量，本工程主要根據疏浚清淤工程土方量、水力沖挖機組疏浚定額、淤泥運距、施工電源供給情況[1]等進行施工機組數量的確定。

表1 施工機械的選擇

3.2 工作原理

水力沖挖機組渠道清淤施工過程中，水流經高壓泵產生壓力，通過水槍噴出一股密實的高速水柱，切割、粉碎土體，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合物，再由泥漿泵將泥漿吸入管道輸送到指定的場地內沉淀[2]。輸沙渠段由渠首閘根據用水需求引黃河水，滿足施工用水；總干渠齊河段、禹城瓦王閘上游段，趙牛新河與總干渠緊鄰，且工期安排在汛期，趙牛新河水量充足，施工用水采用趙牛新河河水。其他段可在停水前做好準備，停水后在總干渠設圍堰攔蓄水源，滿足施工用水。水力沖挖機組渠道清淤系統見圖1。

圖1 水力沖挖機組渠道清淤工作系統原理

3.3 水力沖挖機組施工

輸沙渠段、總干渠段、沉沙池清淤主要采用水力沖挖機組施工，清淤棄土采用順干渠兩岸棄土，棄土場位于河堤外腳，避開村莊。運距500 m～5000 m，采用加壓泵多級加壓輸送。水力沖挖機組具有節約費用、節約工時、節約用地、社會效益好的優點。水力沖挖機組主要由三部分組成：立式泥漿輸泥系統，包括立式泥漿泵、浮體、排泥管；清水沖泥系統，包括清水泵、輸水管、沖水槍；配電箱系統，包括配電箱、防水電纜等。

3.3.1 排泥管布設

排泥管布設力求取直，避免硬彎，以轉緩彎為宜，在長度上越短越好，坡度越小越好，并盡量避免通過障礙物。根據情況布置在地勢平坦的空曠地區，盡量避開農田。完成排泥管布設后進行高壓水泵沖挖制漿，每臺高壓水泵配備2支高壓水槍，水泵從水源地抽水，輸送至水槍，水流經高壓泵產生壓力，通過水槍噴出一股密實的高速水柱，切割、粉碎土體，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合物。

3.3.2 泥漿泵吸泥排泥

泥漿泵固定于浮桶之上，可抽出被高壓水槍沖挖下來的泥漿，并吸排到放土區內，運距較遠可中途設加壓泵。施工期間的排水、尾水、回水等與當地實際情況相結合，或通過離心泵抽排回到原開挖斷面處用于施工用水，或就近排入溝渠內，但不得對溝渠造成淤積。為加快泥漿流速，泥漿泵工作位置不小于沖挖點0.5 m深，泥漿泵與沖挖淤泥距離應控制在10 m以內，在泥漿流向吸泥口處設置急流槽進行泥漿集中輸送。在河坡淤泥沖挖過程中，噴射水柱和坡面夾角控制在15°以內，為避免傷坡，嚴禁對岸沖挖。待一個作業段清淤達標后移動泥漿泵至下一作業段沖挖。

3.4 施工技術要求

水力沖挖機組施工主要通過高壓水泵產生壓力，并經由水槍噴嘴射出密實高速水柱，實現對泥土的切割、粉碎后形成泥漿混合液，再運用泥漿泵將泥漿輸送至棄土區沉淀，運距較遠采用接力泵加壓輸送。棄土區四周設圍堰，一般采用粘土填筑，應夯實或壓實，防止被沖垮。面積較大棄土區內部劃分為若干條形或方格形區域，便于施工和復耕，排水口必須做好防沖措施，同時設置一定的雍水高度，防止水土流失。棄土區排泥管出口需在遠離排水口一側，便于泥漿充分沉淀?；亓髑逅衫^續用于施工，運距較遠且水源充足時可排入附近河流或溝渠。輸漿管線的布設必須平坦順直，切忌出現死彎。

沖擊壓力及沖擊方法的選擇應根據施工土質，并能滿足水力沖挖機組性能要求，確保設備處于最佳工作狀態，本工程使用的水力沖挖機組性能參數見表2。根據施工經驗，泥漿排泥管線長度應控制在500 m左右，運距加大會降低效率，必須采用接力泵加壓輸送，接力泵數量一般不超過3臺，各接力泵輸泥管長度控制在800 m左右，排泥距最遠可達5000 m。

表2 水力沖挖機組性能參數

本工程渠底淤泥和泥漿清理的沖擊水壓確定為3.5 kg/cm2，岸坡交錯布置著黏土與沙壤土，沖擊水壓應確定為7.55 kg/cm2，水槍和沖擊面之間的間隔控制在4 m范圍內，沖水量按泥漿開挖量的4～5倍確定?？紤]到本工程所采用泥漿泵吸送濃度（60%～80%），泥塊雜質等直徑應控制在50 mm以內。

4 結論

德州市引黃清淤工程水力沖挖機組河道疏浚效益顯著，一臺水力沖挖機組配備8～9名操作人員，24 h輪班作業，能完成500 m3～1200 m3左右淤泥方量的開挖，包括圍堰、開挖、施工供電及施工供排水等在內的清淤疏浚單價比挖掘機加自卸汽車施工單價節省30%～50%。此外，水力沖挖機組施工完全通過管道送土，不會產生耕地踏廢等問題，圍堰推土平整后當年就能耕種，還能結合廢棄坑塘及低洼地改造增大耕地面積，增加糧食產量。總之，水力沖挖機組施工技術在河道疏浚清淤工程中的應用具有顯著的經濟效益與社會效益，應在類似工程中推廣應用。