黃土高原區(qū)大中型水庫清淤方案研究

楊 礫，趙 瑋，張曉冬

（1.陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001；2.陜西省延安市水利局,陜西 延安 716000）

1 項目基本情況

陜西省陜北地區(qū)水資源匱乏問題十分突出,2017 年～2019 年人均水資源量約580 m3,僅為全國多年平均水平的29%,水資源短缺已成為制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的最重要因素。據(jù)統(tǒng)計,截至2019 年,陜北水庫的泥沙淤積總量達13.18 億m3,約占到總庫容的65.0%,極大影響了水庫的防汛、灌溉、水資源供給等能力及安全運行。相較于新建水庫或其他調(diào)引水工程,開展現(xiàn)有水庫清淤擴容無疑是解決陜北水資源短缺問題一項更為經(jīng)濟高效的措施。

王瑤水庫工程位于延河一級支流杏子河中游河段,水庫距離下游延安市約65 km。水庫總庫容2.03 億m3,是一座以防洪為主,兼有城市供水、灌溉、發(fā)電等功能的Ⅱ等大（2）型水利樞紐。水庫所在的河流杏子河來沙量大,多年平均淤積量407 萬m3,水庫運行四十多年,2021 年現(xiàn)狀總淤積量已達1.42 億m3,約占總庫容70%,庫容衰減迅速,嚴重影響到水庫大壩自身防洪安全及供水效益的正常發(fā)揮。

王瑤水庫通過清淤可以改善庫區(qū)水沙動力條件,為以后長期沖沙提供良好的河床條件,對維持水庫防洪、興利庫容,提高水庫防洪、供水效益,實施水資源的可持續(xù)利用十分必要。同時可以減少原固結底泥對水庫水質(zhì)的不利影響,保障水庫供水安全。相對于加壩方案具有不增加淹沒面積,對原樞紐布置擾動少,社會環(huán)境和風險影響最小等優(yōu)點。水庫清出來的淤泥不僅可以通過填溝造地解決當?shù)馗鼐o缺問題,還可以通過制磚作為建筑材料降低整個工程費用。

2 水庫清淤規(guī)模

2.1 水庫淤積形態(tài)

王瑤水庫壩址以上庫區(qū)整體呈“Y”形狀,由主河道杏子河和支流岔路川組成。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔揭示,水庫區(qū)淤積物質(zhì)為淤泥質(zhì)土,按照淤積物的顆粒組成及空間關系,可劃分為3 個淤積段,近壩段淤積物厚度較大,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,粘粒含量較高,可塑～軟塑,厚度35 m～40 m；庫中段淤積物厚度較大,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,厚度20 m～35 m；庫尾段淤積物厚度較小,淤泥質(zhì)土以粉粒為主,厚度5 m～20 m。其中近壩庫區(qū)基本淤平,河道橫向淤積形態(tài)已經(jīng)無明顯的灘槽,且固結程度高,基本喪失了水庫沖沙的水沙動力條件。

本次清淤目標為恢復水庫縱向沖沙比降和水沙動力條件,保證水庫多年運行后達到?jīng)_淤平衡,保持錐體河槽的終極庫容形態(tài)。因此清淤設計首先確保清淤體在終極有效庫容的范圍之內(nèi),最大限度減少無效清淤部位,減少回淤量。同時清淤后在庫區(qū)形成類似于終極槽庫容的形態(tài),每年敞泄排沙期間水流相對集中,排沙效果好,有利于槽庫容的恢復。最后還要清除泄洪洞進口前長期淤積形成的邊坡較陡的淤積體,避免每年敞泄排沙期間排沙洞淤堵的可能性。根據(jù)這些原則以杏子河為例,在圖1 縱剖面中正常蓄水位與設計河槽線之間所圍成的區(qū)域就是設計的清淤部位。

圖1 主河道設計的清淤錐體河槽的形態(tài)

圖2 水庫清淤范圍示意圖（三維地形）

2.2 水庫清淤規(guī)模方案研究

水庫進行清淤擴容規(guī)模的方案研究,應首先滿足水庫防洪、供水等工程任務的要求。王瑤水庫水庫清淤擴容確定工程任務為,以解決大壩自身防洪安全為主,繼續(xù)發(fā)揮對下游的防洪作用,“以供定需”滿足水庫供水需求,兼顧改善下游生態(tài),延長水庫使用壽命,發(fā)揮水庫的綜合效益。

清淤規(guī)模采用參數(shù)法首先確定王瑤水庫的終極庫容,并假定終極槽庫容形態(tài)與清淤體的形態(tài)類似。依據(jù)終極庫容估算方法主要研究了三個清淤量分別為1229 萬m3、1650 萬m3、2032 萬m3三種不同的清淤規(guī)模,并進行水沙調(diào)節(jié)數(shù)模計算分析研究。研究結果表明：采用汛期定期（7 月1 日～8 月14 日）敞泄排沙運用方式情況下,依據(jù)上述三個不同清淤量方案,進行水庫自身防洪安全、水庫泥沙淤積和徑流調(diào)節(jié)計算從滿足防洪任務、泥沙淤積、供水量、供水投資等方面綜合比選,選定正常蓄水位1182.5 m以下清淤量1650萬m3方案。

表1 王瑤水庫清淤規(guī)模方案比選表

具體范圍為：杏子河庫區(qū)清淤范圍為壩址以上10.6 km,清淤深度2 m～20 m,橫斷面底部寬度為60 m,穩(wěn)定邊坡1∶5。岔路川庫區(qū)清淤范圍為岔路川支流交匯口以上6.0 km,岔路川河道清淤深度2 m～20 m,橫斷面底部寬度33 m,穩(wěn)定邊坡1∶5。

3 水庫清淤方案研究

3.1 水上、水下清淤方案確定

陜北黃土高原溝壑區(qū)受地形和氣候影響,王瑤水庫清淤工程中具有排高高、排距長,水資源緊缺等特點。因此工程在王瑤水庫清淤方案中不僅要解決深水型挖泥船清淤工藝和水陸兩棲挖機新的施工工藝滿足庫區(qū)清淤要求,還要在淤泥高效輸送和節(jié)水還庫方面以及淤泥資源化利用等方面進行充分考慮。

王瑤水庫多年平均徑流量為3390 萬m3,本次擴容還包括改造泄洪洞進口和新建溢洪道,同時保證施工期不淤沙,因此,在清淤方式確定上至關重要。因此根據(jù)水沙模型確定的清淤部位及結合本項目實際實施條件,提出分年度動態(tài)水上、水下清淤方式。

經(jīng)過對來水分析,現(xiàn)狀清淤設備調(diào)研以及堆泥庫場充分考慮,分別按照施工時段和相應水位合理確定了水上、水下清淤范圍。本次總清淤量1650 萬m3,總工期48 個月,其中水下清淤915 萬m3,水上清淤735 萬m3。清淤開挖斷面由壩前至庫尾水下和水上同時進行,并且確保每個施工年份庫區(qū)河道能形成暢通的過水斷面和一定的比降。王瑤水庫各施工年度水上、水下清淤范圍示意圖見圖3,岔路川、杏子河各年度清淤量分布見圖4～圖5。

圖3 王瑤水庫庫區(qū)各施工年度水上、水下清淤范圍示意圖

圖4 岔路川各年度清淤量分布圖

圖5 杏子河各年度清淤量分布圖

3.2 清淤工藝比選

疏挖設備見表2,底泥輸送工藝見表3。

表2 疏挖設備選型研究比較表

表3 底泥輸送工藝研究比較表

表4 清淤底泥處理工藝比較

3.3 清淤方案研究

通過精準化劃分清淤范圍,同時考慮施工的可行性,采用底高程控制清淤,將王瑤水庫庫區(qū)清淤區(qū)劃分為8個分區(qū)。可以確保通過清淤使河道恢復水沙動力條件的同時減少清淤工程量,節(jié)約成本。

其中4 個水下清淤區(qū)水域開闊且水深條件理想,采用生產(chǎn)率為800 m3/h,最大挖深15 m 的環(huán)保絞吸式挖泥船,進行作業(yè)。該類型絞吸挖泥船可以通過陸上車輛運輸將分解的船體運送至岸邊,組裝后下水進行作業(yè)。清淤過程中,底泥在絞刀的挖掘作用下形成一定濃度的泥漿,通過船上泥泵和排泥管路進入處理場地進行后期處理。絞吸船可以單船獨立施工、清淤生產(chǎn)率高、對土質(zhì)適應性較好、定位控制精度較高。根據(jù)本工程地質(zhì)資料,水庫主水體清淤土質(zhì)主要為流泥和淤泥,清淤土級別為1 級土,清淤邊坡為 1∶5。環(huán)保式絞吸船可直接串接泵站進行遠距離輸送,在生產(chǎn)率及排距的選擇上較靈活,能耗和成本較低。在輸送過程中采用管道輸送,按照輸泥管線每增加3 km 長度增設一個接力泵站（船）,輸送過程中不會使泥土散落造成污染。根據(jù)堆泥庫布置本工程水下清淤排距10 km～15 km,排高30 m～55 m。4 個堆泥庫設計就地取材,選用當?shù)夭牧闲拗潦瘔?并設置專門的回水裝置,確保水下清淤用水量。

4 個水上清淤區(qū)基本位于庫尾,該部分區(qū)域因水域條件不足,不適宜采用環(huán)保式絞吸船進行清淤,考慮到水生植物根系干擾,采用水陸兩棲挖掘機進行清淤,用傳統(tǒng)的挖轉(zhuǎn)運將淤泥送至堆泥場。施工工期主要安排在冬季,運泥工藝采用封閉式運輸?shù)姆绞?淤泥處置場設置于上游溝道,運距約10 km,車輛行駛過程中應勻速慢行,減少淤泥外泄,造成污染。堆泥場設計根據(jù)溝道地勢分級堆放,最大堆高10 m,并設置兩側(cè)排水溝。

3.4 底泥處理工藝方案比選

現(xiàn)階段,清淤底泥固化處理方式主要有自然干化、真空脫水干化、機械脫水法、土工管袋脫水固化及投加固化劑法等。

經(jīng)分析對水上清淤部分淤泥含水量較低故采用自然脫水固結的工藝。水下清淤底泥因采用絞吸式挖泥船吹填清淤,含水率較高,傳統(tǒng)的固結方式脫水較慢,為了后期造地和資源化利用提供支持,對4 處堆泥庫內(nèi)底泥采用真空預壓排水固結處理工藝。

4 淤泥的資源化利用研究

根據(jù)當?shù)卣{(diào)研現(xiàn)階段水庫清淤底泥資源化利用主要途徑如下：

（1）疏浚底泥具有陸地土壤的基本理化性質(zhì),富含植物生長所需要的各種營養(yǎng)元素,通過一系列處理措施可以制成綠化種植土,應用于園林綠化,以促進樹木草坪等的生長。水庫清淤底泥處理后可應用于園林綠化中的客土置換。也可用于附近林地恢復種植用土。

（2）經(jīng)過預處理后的底泥,通過土壤固化劑改良使其滿足工程要求。研究表明,水庫清淤底泥有機質(zhì)含量低于7%,處理后含水率為55%左右,可滿足道路建設路基和筑壩使用需求。本工程考慮采用土壤固化劑,改善土壤中的膠質(zhì)及有機質(zhì),處理后底泥可作為路基填料和堆泥庫筑壩材料,實現(xiàn)淤泥的有效處理和循環(huán)利用。

（3）疏浚底泥的建筑利用是基于其可替代黏土性。疏浚底泥的建筑利用緩解了建筑用土與農(nóng)業(yè)爭土的局面,有利于可持續(xù)發(fā)展的要求。目前,主要將其應用于制作陶粒、建筑型材、水泥等。

王瑤水庫庫區(qū)淤積物為淤泥質(zhì)土,厚度5 m～40 m,庫尾段夾多層薄層透鏡狀細砂,底部含少量礫石。根據(jù)室內(nèi)試驗成果分析,淤泥質(zhì)土主要以粉粒、粘粒為主,粉粒含量占72.2%,粘粒含量占13.6%,淤積質(zhì)土天然密度為1.80 g/cm3～1.91 g/cm3,含水率為21.72%～29.42%。根據(jù)淤泥質(zhì)礦化檢測,庫區(qū)淤泥無礦物可提取利用。根據(jù)庫區(qū)不同點位的淤泥監(jiān)測試驗成果分析,淤泥質(zhì)土不屬于危險廢物,可以作為農(nóng)作物土壤,適合造田。所以一部分淤泥固化后用于堆泥庫大壩填筑和庫區(qū)臨時道路修建,同時因地制宜在庫區(qū)溝壑內(nèi)堆放后用于造地,初步估算可以造地約1000 畝。在水庫下游具備材料加工場地布置和交通便利的陳則溝堆放淤泥100 萬m3,通過試驗研究利用水庫淤泥為主要原料,摻加煤矸石泥巖或爐渣等物料,以調(diào)節(jié)水庫淤泥中化學成分和礦物組成,調(diào)整水庫淤泥的各項物理性能采用環(huán)保的工藝用來制磚,真正實現(xiàn)了“變廢為寶”。

5 結語

王瑤水庫清淤工程不僅解決了《陜西省黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展》規(guī)劃綱要里黃河流域水資源短缺、生態(tài)脆弱以及洪水威脅的問題水庫清淤問題,還為陜北地區(qū)大中型水庫全庫區(qū)底泥清淤擴容的可行性提供系統(tǒng)技術支撐和示范樣板。通過其實施還可以探索解決水庫清淤效率與挖深、排距和爬高的規(guī)律及庫底泥沙低耗能定向輸送和清淤底泥快速脫水回用和淤泥的資源化利用等關鍵問題,為該區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。