引黃供水中線沉沙池清淤工程設(shè)計

蘇焱

（商丘市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 商丘 476000）

1 綜合說明

引黃供水中線清淤工程沉沙池位于蘭考縣境內(nèi)。引黃供水中線是三義寨引黃工程中的最重要組成部分，引黃中線（商丘干渠）從毛古寨三分樞紐開始，至帽李橋結(jié)束，渠道長度35.86 km，其中沉沙池段7 km，退水渠段1.96 km，而后進(jìn)入任莊等梯級水庫，設(shè)計引水流量56 m3/s，年引水量4.20 億m3，控制灌溉面積6.79 萬hm2。工程于1992 年建成，1994 年投入使用，沉沙池上游干渠底寬16.10 m，水深2.50 m，邊坡1∶1.50，沉沙池設(shè)計底寬100 m，水深3.00～3.25 m，邊坡1∶3.00，現(xiàn)狀口寬70～150 m。

中線沉沙池是商丘干渠乃至整個商丘三義寨引黃灌區(qū)的關(guān)鍵工程，渠道現(xiàn)狀普遍淤積較厚，其中小劉崗橋到三營橋段2018 年未進(jìn)行渠底清淤，底部淤泥淤積較深，淤積嚴(yán)重，導(dǎo)致引水不暢，效率較低，淤積已經(jīng)嚴(yán)重影響了灌區(qū)的正常運行并危及了城市用水的正常供給，影響灌區(qū)正常效益的發(fā)揮，供需矛盾突出，亟待解決，所以對其進(jìn)行清淤具有極為重要的社會作用和經(jīng)濟作用，項目勢在必行。

由于引黃水?dāng)y帶大量的泥沙，沉沙池建成以后，幾乎每年都進(jìn)行沉沙清淤，小浪底進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙以后，由于挾沙量減少，所以清淤次數(shù)改為2-3年清淤一次。

此次工程范圍為從小劉崗橋以上383 m至三營橋，樁號2+650～5+650，建設(shè)規(guī)模為清淤長度3.00 km，清淤標(biāo)準(zhǔn)為沉沙池設(shè)計斷面，設(shè)計水位65.29～65.20 m，渠底62.19～61.99 m，設(shè)計流量56 m3/s。

2 工程設(shè)計

2.1 渠道工程設(shè)計

引黃中線工程自1994 年通水以來，小浪底調(diào)水調(diào)沙之前每年都進(jìn)行清淤，調(diào)沙之后每2-3 年清淤一次，距今最近的一次清淤為2018年，現(xiàn)狀淤積嚴(yán)重，引水能力已經(jīng)達(dá)不到設(shè)計引水流量，急需進(jìn)行清淤。此次治理工程仍以原設(shè)計斷面為準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，清淤范圍從小劉崗橋以上383 m 至三營橋下，樁號2+650～5+650段（0+000對應(yīng)商丘干渠樁號25+326），清淤總長度3 km，沉沙池主槽采用土質(zhì)梯形斷面，引水流量56 m3/s，根據(jù)底寬變化從沉沙池入口到退水渠結(jié)束沉沙池共分7個設(shè)計段，水位65.37～65.10 m，設(shè)計水深3.00～3.25 m，糟率2.50×10-2，河底高程62.37～62.35 m，水面比降1/33 000，河底比降1/15 000，沉沙池渠道設(shè)計成果見表1。

表1 沉沙池段渠道設(shè)計成果表

2.2 淤區(qū)布置及設(shè)計

此次工程的主要任務(wù)為疏浚土方，完工后使沉沙池能夠恢復(fù)引水功能，而棄土安置是該項目的重要組成部分。通過實地查勘，經(jīng)協(xié)商初步確定了淤區(qū)位置和面積，項目共設(shè)5個淤區(qū)，其中左岸淤區(qū)3個，右岸淤區(qū)2個，1號淤區(qū)位于小劉崗橋上游緊鄰渠道，樁號2+647～2+893，基本呈長方形，東西向最長210 m，南北向最寬80 m，長方向與渠道走向一致，地形四周高中心低，中心平均高程67.00 m，面積1.34 hm2。2 號淤區(qū)位于小劉崗橋下游緊鄰渠道右岸，樁號3+016～3+792，大致呈長方形，東西向最長779 m，南北向最寬210 m，長方向與渠道走向一致，地形四周高中心低，局部西側(cè)低，東側(cè)高，東側(cè)中心平均高程75.00 m，西側(cè)平均高程67.30 m，面積12.74 hm2。3號淤區(qū)位于渠道右岸，小劉崗橋下游約780 m，樁號3+148～3+888，蘭考干渠東北側(cè)，形狀呈三角形，三條邊邊界均為現(xiàn)狀道路，地勢周圍高中心低，中心平均高程68.00 m，面積11.63 hm2。4號淤區(qū)位于三營橋上游緊鄰渠道左岸，樁號4+729～5+444，外形不規(guī)則，兩端窄長，中間方正，東西向最長712 m，南北向最寬215 m，最窄28 m，中間有高崗地，低洼地平均高程66.00 m，面積0.53 hm2，5號淤區(qū)位于三營橋右岸，樁號5+435～5+681，大致呈長方形，順渠道窄，垂直渠道寬，長238 m，寬128 m，地勢平坦，平均高程66.50 m。

根據(jù)實際測量的現(xiàn)有淤區(qū)范圍在淤區(qū)四周填筑圍堤形成封閉空間淤土，利用淤區(qū)外邊界溝排水。2020 年引黃供水中線沉沙池清淤工程位置圖見圖1。

圖1 2020年引黃供水中線沉沙池清淤工程位置圖

2.3 水下土方清淤方案比選

沉沙條渠渠道按原設(shè)計斷面進(jìn)行清淤，由于地下水位埋深較淺，大部分土方位于水下，水下土方不適于采用挖掘機開挖，根據(jù)水下土方清淤常用的施工方法，此次清淤擬采用三種方案進(jìn)行經(jīng)濟技術(shù)比較，從中選擇比較合理的方案。方案一：采用水力沖挖機組進(jìn)行清淤；方案二：采用挖掘機和水力沖挖機組相結(jié)合進(jìn)行清淤；方案三：采用挖泥船進(jìn)行清淤。主要通過以下幾個方面進(jìn)行方案比選：①投資經(jīng)濟合理性比較；②施工技術(shù)經(jīng)驗成熟性比較；③施工條件適用性比較；④施工難易程度比較；⑤是否充分利用現(xiàn)有設(shè)施比較。具體的方案比較見表2。

2.3.1 投資經(jīng)濟合理性

方案一水力沖挖施工方法，單位土方綜合造價25.92元/m3；方案二水力沖挖和挖掘機相結(jié)合的方式，單位土方綜合造價30.45 元/m3；方案三挖泥船施工方式，單位土方綜合造價27.72元/m3，由此可見方案一的方法最經(jīng)濟。

2.3.2 施工技術(shù)

方案一和方案二水力沖挖和挖掘機開挖都是目前當(dāng)?shù)剌^為成熟的施工技術(shù)，有現(xiàn)成的機械和熟練的施工技術(shù)人員，施工經(jīng)驗豐富，但是方案三挖泥船在當(dāng)?shù)貛缀鯖]有使用過，需要新進(jìn)施工設(shè)備和引入熟練的施工技術(shù)人員，經(jīng)驗缺乏。因此，從經(jīng)驗和技術(shù)成熟性比較，方案一和方案二方法具有明顯的優(yōu)勢。

2.3.3 施工條件適用性

現(xiàn)狀沉沙池內(nèi)土壤成份主要以細(xì)砂和砂壤土為主，并且含水量較高，挖泥船主要適用于大顆粒的土質(zhì)，對于小顆粒的細(xì)砂工作效率較低，而且挖泥船主要適用于航道、湖泊、海面等大作業(yè)面施工，挖掘機對于干燥少水土質(zhì)較適宜，而水力沖挖機組對砂壤土、淤泥等土質(zhì)都較適用。由此可知，方案一水力沖挖機組對施工條件的適用性較強，效率較高。

2.3.4 施工難易程度

挖掘機和水力沖挖機組施工工藝較為簡單，挖泥船施工工藝相對復(fù)雜，專業(yè)性極強，需要非常專業(yè)的施工隊伍。

表2 方案比選表

2.3.5 利用現(xiàn)有設(shè)施

以往沉沙池清淤均采用水力沖挖機組，沿岸保存有水、電等基礎(chǔ)設(shè)施，方案一和二可以充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)約投資，方案三則較少利用這些基礎(chǔ)設(shè)施。

2.3.6 比選結(jié)果

綜上所述，根據(jù)工程的地質(zhì)情況，以及以往沉沙池清淤經(jīng)驗并征求業(yè)主的意見及近些年來當(dāng)?shù)仄渌愃乒こ倘缢畮烨逵俚染捎盟_挖機組施工，施工技術(shù)比較成熟經(jīng)驗豐富且最經(jīng)濟。因此，此次工程選取方案一即水力沖挖機組清淤。

水利沖挖機組施工產(chǎn)生的棄土含水量比較大，且根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查土質(zhì)主要為砂壤土和細(xì)沙，很松散，不適合隨地堆砌和隨即裝載運輸異地。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗總結(jié)，在渠道附近設(shè)置淤區(qū)，沉淀棄土，而后攤平耕作或者運走，與項目的適宜性較高，且可以有效改善附近農(nóng)田的土壤性質(zhì)，增強肥力，受到當(dāng)?shù)乩习傩盏臍g迎。

3 結(jié)論

引黃中線沉沙池位于商丘市三義寨引黃灌區(qū)內(nèi)的商丘干渠上，三義寨引黃灌區(qū)是河南省重點大型引黃灌區(qū)之一。

商丘干渠是三義寨引黃工程總體規(guī)劃中的最重要組成部分，是商丘部分正常灌區(qū)的主要引水通道，中線的正常引水既為灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉提供了保證，同時也是商丘市城市生活用水持續(xù)穩(wěn)定供給的重要基礎(chǔ)，對經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定都起到了不可替代的作用。

綜上所述，沉沙池清淤后，商丘干渠部分恢復(fù)原設(shè)計引水能力，為灌區(qū)正常輸水提供保障，工程的實施將發(fā)揮顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。