中小型河道清淤技術方案設計研究

李嘉陵

(廣東華迪工程管理有限公司，廣州 510000)

1 工程背景

某河道底層淤積屬于含水量較大的軟黏土，平均含水率61%，平均容重1.1 g/cm3，具有高壓縮性和低強度特性，常常以流塑形態存在。受自然和人為因素的影響，淤積物富含不同種類的營養元素，同時工業廢水排放使淤積物中的Ni、Cr、Cm、pb、Zn和Cd等重金屬含量明顯超標，河道水質污染問題日趨嚴重[1]。為提高河道水資源的質量，恢復河道生態系統的良性循環，同時減少河道清淤帶來的污染源問題，有必要對河道的清淤技術展開專項研究。

2 河道清淤方案

目前，常用的清淤方法包括排干清淤、水下清淤以及環保清淤3種方式。排干清淤具有施工流程簡單、能處理大型、復雜垃圾等優勢，但需要將河道水抽干，增加了臨時圍堰的工程費用；水下清淤一般分為抓斗式清淤、泵吸式清淤、普通絞吸式清淤、斗輪式清淤等，此種方式需要借助水上施工平臺將淤泥從河道底部抽出，并堆放至指定位置，工作受環境的影響，施工效率一般；環保清淤是利用環保絞吸式清淤對河道水質進行優化，同時控制清淤時對水體環境的擾動，可以防止污染淤泥二次擴散的能力，能夠處理大面積的受污染淤泥，具有對周邊環境影響小、定位精度高等特點，但是淤泥棄場會占用大量土地資源，機械設備噪聲也會給周邊居民帶來一定干擾[2-6]。

為充分發揮河道底層淤積物的經濟社會價值，在河道清淤和水質凈化基礎上，可考慮將淤積物應用于農業生產。河道清淤+農田利用的技術方案不僅可以實現河道水質凈化，提升河道防洪、蓄水能力，同時還可以將淤積物中的絮狀物當作肥料用于農田灌溉，從而實現人、水、社會的和諧發展[7]。因此，有必要形成一套成熟的河道清淤和農田利用系統。該系統包括兩個部分：第一部分是清淤系統，包括河底吸污口和出污池等結構組成，出污池布置在河道兩岸邊坡上，主要作用是將河道底層污染污泥抽出并儲存在出污池；第二部分是農田利用系統，該系統包括進水池、小型電灌站、出水池、輸水渠道等多個結構，主要作用是將出污池污泥通過凈化和分離，將水重新排入河道或者用于其它用水，分類清理出來的絮狀物可作為肥料進行農田灌溉。河道清淤和農田利用系統工作原理見圖1。

圖1 河道清淤和農田利用系統工作原理示意

3 清淤方案優化設計

3.1 模型建立

選取該河道長200 m的直線段作為研究對象，河道進出口寬度為20 m，河底寬度為10 m，河道深度為5 m(平均水深3.5 m+平均淤積深度1.5 m)，河道平均比降為1/4 500，河道的平均流速為0.5 m/s，河道固體壁面粗糙度指數取值為0.022，河道邊坡的平均指數取值為1.0。利用ANSYS軟件構建河道清淤系統模型，模型網格采用四面體劃分，沿河道長寬方向取網絡模塊，沿深度方向將水流劃分為10層。為提高模擬精度，對河體排污口附近采取部分網格加密處理，將模型劃分為約760萬個網格數量，見圖2。

圖2 河道清淤系統模型網格劃分

3.2 方案設計

為了達到最佳的清淤效果，對河道清淤系統的吸污口布設進行方案設計，對吸污口個數、吸污口口徑與河底寬度的比值兩種參數對河道吸污口附近水流流態的影響進行對比分析。方案1-方案4保持吸污口口徑與河底寬度的比值(0.9)不變，吸污口個數分別設置為4個、3個、2個和1個；方案5-方案6保持吸污口個數不變，吸污口口徑與河底寬度的比值分別為0.7和0.5。河底吸污口幾何參數和布置形式的具體布設方案見表1。

表1 河底吸污口具體布設方案

3.3 河道不沖流速

要想達到對河底淤泥的清除效果，必須使河水流速大于等于河道的不沖流速，因此引入河道的不沖流速：

V不沖=kQ0.1

(1)

式中：k為河道的不沖流速系數，取值情況見表2，在本河道工程中，河底淤積物容重為1.1 g/cm3，屬于輕黏壤土，因此k值取0.57；Q為河道的設計流量值，本文Q=(20+10)×3.5÷2×0.5=26.25 m3/s。

表2 不同土壤性質k取值

通過計算，可得本河道的不沖流速為0.79 m/s。因此，要想達到河道底部的清淤效果，必須使流速大于等于0.79 m/s。

3.4 模擬結果分析

3.4.1 吸污口數量對流速的影響

當吸污口口徑/河底寬度=0.9時，不同吸污口數量下入口前河道底部的平均流速見表3。從表3中可知，方案1有4個吸污口，由于河道上部水流被吸入上游的吸污口，同時水力損失的存在，使得下游吸污口的流速依次降低，即1#流速>2#流速>3#流速>4#流速，各吸污口底部流速高速區的覆蓋面也在逐漸減小，吸污口對流速影響半徑從上游到下游依次遞減，最大底部沖刷流速為1#吸污口的0.51 m/s，不滿足流速大于等于0.79 m/s的沖刷流速要求；方案2布設3個吸污口，1#、2#、3#吸污口的底部平均流速分別為0.69、0.61和0.55 m/s，均不滿足大于等于不沖刷流速的要求；方案3布設2個吸污口，1#、2#吸污口的底部平均流速分別為0.71和0.63 m/s，也不滿足大于等于不沖刷流速的要求；方案4僅布設1個吸污口，底部平均流速達到0.83 m/s，滿足大于等于不沖刷流速的基本要求。從分析結果來講，底部吸污口平均流速隨著吸污口數量的減少而逐漸增大，因此當河道長度一定時，吸污口的數量并不是越多越好，吸污口的數量應滿足底部平均流速大于等于不沖刷流速的基本要求。

表3 不同吸污口數量布設方案下底部流速特征

3.4.2 吸污口口徑與河底寬度比值對流速的影響

當吸污口數量為1時，不同吸污口口徑與河底寬度比值下的水力特征參數見表4。從表4中可知，隨著吸污口口徑的逐漸減小，河道底部的沖刷平均流速、流速分布均勻度以及斷面過水量均呈逐漸增大的變化特征，方案4、方案5、方案6的底部平均沖刷流速分別為0.83、0.86和0.91 m/s，均滿足大于等于不沖刷流速的相關要求；當吸污口口徑減小后，吸污口的斷面過水量逐漸增大，表明適當減小吸污口口徑，可以提高清淤效率，但是過水斷面還不是影響清淤效果的最主要指標。對于清除河道底部絮狀沉積物的目的來講，需要增大水平方向的流速，同時減小垂直深度方向的水流流速，此時流速分布均勻度顯得格外重要。從不同深度的流速分布均勻度可以看到，方案6的流速分布均勻度最高，表明在此方案下的水流流態最好，可以達到最佳的清淤效果。

通過上述模擬計算分析，綜合對比水流流速、流速斷面均勻度以及斷面過水量3個指標認為，當吸污口口徑/河底寬度=0.5、吸污口數量為1個時，河道清淤系統的工作性能最優。

4 結 語

采用理論分析與數值模擬相結合的方式，對中小型河道的清淤技術方案進行了優化分析。結論如下：

1) 當吸污口口徑/河底寬度一定時，隨著吸污口數量的增加，吸污口底部沖刷平均流速、吸污口對流速影響半徑以及底部流速高速區的覆蓋面均呈逐漸減小的變化特征；當吸污口數量為1時，底部平均流速達到0.83 m/s，滿足大于等于不沖刷流速的基本要求。

2) 當吸污口數量為1時，隨著吸污口口徑的逐漸減小，河道底部的沖刷平均流速、流速分布均勻度以及斷面過水量均呈逐漸增大；當吸污口口徑/河底寬度=0.5、吸污口數量為1個時，河道清淤系統的工作性能最優。